隨著城市供電負荷的快速增長，110kV及220kV室內GIS變電站及地下變電站已經廣泛采用。相應配套的輸電線路也全部采用電纜出線，因此大容量、長距離的電纜線路設計成為可能，同時新建電纜線路與原有電纜線路、架空線路的解口、T接等連接方式的技術問題，這成為電纜線路設計的新課題。本文以某工程的電纜線路設計為范例，對110kV及以上電力電纜線路的設計原則進行分析和探討。
某市新建220kV民田站(GIS站),其中110kV電纜最終出線12回，本期出線7回。本期工程設計范圍是：將110kV蓮花山至崗廈電纜線路解口入民田站，形成民田-蓮花山、民田-崗廈共兩回電纜線路;解口景田至少年宮、景田至地鐵站雙回電纜線路，形成2進2出共4回電纜線路;新建民田至福中一電纜線路。電纜線路所經地區(qū)為市區(qū)繁華地段，地下管網密集，含原有高壓電纜、水管、煤氣管、有線電視管線、通訊管線等等。如何根據實際情況，設計出一套節(jié)省投資、方便施工和運行維護的方案，下面根據電力電纜設計原則對范例進行分析和探討。
1、電纜型式與截面的選擇
根據《高壓電纜選用導則》及《電力工程電纜設計規(guī)范》，對于重要電源等需要保持連接具有高可靠性回路的電力電纜應采用銅芯。本工程采用交聯(lián)聚乙烯絕緣銅芯電力電纜(單芯)。當地溫取30℃、考慮本工程電纜敷設在細沙及管中，土壤熱阻系數取2.1K·m/W，埋深取1.0m，電纜水平排列間距為0.225m時，選用的XLPE-800mm2銅導體電纜,雙回路敷設時每相的最大載流量約為690A，此時本線路的輸送容量為13萬千伏安，滿足系統(tǒng)輸送容量要求。
原則淺析：高壓電纜的線芯材質和截面大小應根據系統(tǒng)輸送容量選擇。電纜載流量不僅取決于纜芯截面及結構，還與敷設方式、電纜的布置及護層的接地方式有關，其計算比較復雜，一般工程設計中，可參照電纜制造廠提供的載流量。
2、電纜的分段及護層的接地方式
電纜在正常運行情況下要在鋁護套上產生感應電勢，其數值與電纜長度和負荷電流成正比，電纜外護套(PVC外護套)要耐受這感應電勢，如感應電勢過高使PVC外護套絕緣損壞造成多點接地時，鋁護套上將產生較大的感應環(huán)流，增加了電能損耗，并使電纜溫度增高，降低了輸送容量。為消除電纜鋁護套上的環(huán)流損失，達到經濟運行的目的，同時將鋁護套上的感應電勢控制在安全值范圍之內，需將護套分段并采用交叉互聯(lián)連結的接地方式。
電纜的分段是根據護層感應電壓的大小，以及周圍的地理環(huán)境合理選擇接頭工井的位置，將電纜分成3的倍數段，將護層進行交叉互聯(lián)連接。下面是本工程選取的護層接地方式：
原則淺析：護層接地方式有以下幾種：
1.三相護層兩端分別并聯(lián)接地。
2.三相護層一端接地(或中間一處)互聯(lián)接地，另一端(或兩端)經接地保護器接地。
3.當線路較長，一端接地不能滿足要求時，可采用三相護層交叉互聯(lián)兩端接地。
合理的選擇護層接地方式，不僅有利于線路安全可靠的運行，還降低線損及電纜絕緣層的老化。根據運行經驗，對一個交叉互聯(lián)單元的3段電纜不可能完全等分，但各段相差長度不宜超過15%。單根電纜長度不大于800米時，一般不進行分段。設計時對護層的接地方式要進行合理的創(chuàng)新與組合，例如當電纜根據現場情況等分為4段時，其中3段組合成一個交叉互聯(lián)單元，另一段則采用一端直接接地，一端經保護器接地的方式。
3、電纜護層感應電壓計算
電纜正常工作時護層感應電壓計算公式參見《電力工程電氣設計手冊》表17-52。
根據《電力工程電纜設計規(guī)范》GB 50217-2007中，第4.1.10條：“
交流單芯電力電纜的金屬層上任一點非直接接地處的正常感應電勢計算，宜符合本規(guī)范附錄F的規(guī)定。電纜線路的正常感應電勢最大值應滿足下列規(guī)定：
1.未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時，不得大于50V。
2.除上述情況外，不得大于300V?！?/span>
本工程民田至蓮花山、民田至崗廈電纜各分成6段形成2個完整交叉互聯(lián)，電纜鋁護層在正常負荷電流時最大感應電壓小于80伏。
4、電力電纜的敷設
電纜敷設典型方式有：直埋、排管、電纜溝、電纜隧道、電纜橋架等。根據現場的實際情況，合理的選擇敷設方式，保證電纜的順利通過。如果電纜路徑很長，可能需要用到多種敷設方式組合。如在變電站內用隧道或豎井敷設，出站后開闊地段采用電纜溝敷設，路徑狹窄處采用埋管敷設等。
本工程民田站出口采用磚砌電纜綜合溝，其余電纜溝槽采用隱蔽式設計。常規(guī)磚砌電纜溝槽位于綠化帶及人行道下，電纜敷設好并回填土后恢復原有綠地。溝槽蓋板均采用預制鋼筋混凝土蓋板，蓋板設計考慮商業(yè)堆載1t/m2。局部地段如鋪人行道方磚，蓋板設計荷載相應增加。電纜過路埋管及頂管處兩端設置工井，敷設完后工井內充沙。工井采用磚砌井溝壁，預制梁板結構，活動頂蓋，一般考慮只行人，不行車。
本工程電纜通過非主干道時，采用破路開挖埋管;通過主干道路時，由于市政不允許封路大開挖埋管作業(yè)，采用導向鉆進非開挖鋪設MPP電力電纜護套管的方法穿越。
導向鉆進非開挖鋪管的利用地表放置的鉆機，沿欲鋪管線的設計路徑鉆一個先導孔，然后回拉擴孔，將孔徑擴大到鋪管要求的口徑，最后將管線拉入已擴好的孔中，從而實現管線不開挖鋪設。
下圖是本工程的幾種敷設方式：
5、高壓電纜及其附件的布置與安裝
5.1.電纜排列方式
單芯電纜三相排列可分水平排列、垂直排列、等邊三角形排列。水平和垂直排列均存在三相互感不等、阻抗不對稱的問題故線路較長時需換位。等邊三角形排列三相對稱。目前直埋、排管、電纜溝等長距離敷設方式下，一般采用水平或垂直排列。等邊三角形排列因施工固定難等其他因素，較少采用。本文范例電纜排列方式采用水平和垂直排列。
5.2.固定要求
1)在終端、接頭或轉彎處緊鄰部位的電纜上，應有不少于一處的剛性固定。
2)在垂直或斜坡的高位側，宜有不少于2處的剛性固定。
3)電纜蛇形敷設的每一個節(jié)距部位，宜予撓性固定。蛇形轉換成直線敷設的過渡部位，宜予剛性固定。
5.3.電纜保護管
通常采用玻璃鋼管、C-PVC保護管。保護管的選擇，應滿足使用條件所需的機械強度和耐久性，當交流單相電纜以單根穿管時，不得用未分隔磁路的鋼管。當因機械強度要求使用鋼管時，可以將鋼管軸向全長進行切割1厘米的開口，然后用銅條將該切口焊上，達到切斷磁路的目的，保證了鋼管的機械強度。
5.4.電纜支架的特殊要求
電纜支架除支持單相工作電流大于1000A的交流系統(tǒng)電纜情況外，宜用鋼制。
交流單相大截面電纜工作電流達1450A時，因渦流作用引起鋼制電纜支架鐵損，可達160W/m(三相成品字型配置)~530 W/m(分相配置)，約占電纜損失的20%~70%，因而宜重視對策，有的國家工程中對大截面電纜的支架，采用由不銹鋼、玻璃鋼或鋁合金等非磁性材料制成。
目前使用廣泛的是玻璃鋼電纜支架，幾乎達到鋼制支架的強度，而且耐腐蝕、無電能損耗。
5.5.電纜附件布置及安裝
5.5.1.電纜中間接頭
電纜中間接頭分為絕緣中間接頭和直通中間接頭，一般采用整體預制，玻璃鋼防水水外殼。電纜接頭的地方設置專用的電纜接頭工井。本文范例的工程采用電纜中間接頭相接。
接頭工井一般規(guī)格是10米或20米長，便于電纜的伸縮安裝和蛇形敷設。電纜接頭放置在沙袋上固定，施工完畢后充沙填埋。電纜接頭布置示意圖如下：
5.5.2.電纜終端的選擇與連接
電纜終端一般分為GIS終端、瓷套式終端、干式硅橡膠終端等。在GIS變電站內用GIS電纜終端出線，在敞開式變電站進線構架處用瓷套式終端，在電纜與架空線路相連接時電纜上鐵塔，采用干式硅橡膠終端。當幾回電纜線路需要T接時，因目前國內還沒有成熟的電纜T接頭使用，可建一個T接房，用導線將瓷套式終端或干式硅橡膠終端進行T接。用干式硅橡膠終端進行T接時，應采用硬連接方式，防止導線電動力使硅橡膠終端彎曲，造成安全事故和損壞電纜終端。
電纜上鐵塔時采用硅橡膠終端，應對電纜及終端采用合理的方式固定，一般采用絕緣子串將電纜終端拉直固定在鐵塔橫擔的中間。電纜上塔的方式優(yōu)點是節(jié)省占地面積，運行維護方便。例如下圖是電纜干式硅橡膠終端固定在鐵塔的典型方式：
5.5.3.避雷器的選型及安裝
根據《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》 DL/T 620-1997及工程實際情況，在高壓單芯電纜與鐵塔相連處一般均裝設避雷器。例如某工程中選用YH10WX-108/309型懸掛式避雷器。
6、電纜防火阻燃說明
(1)電纜選用了防水性能較好的聚乙烯(PE)護套，用埋沙的方式進行防火，因此敷設完畢后工井內充細紗填埋。
(2)在變電站電纜豎井出線出口，各墻體、樓板、溝道出口處、圍墻出口處等電纜引出口采用防火堵料封堵，并在孔口兩端的電纜各不小于2米區(qū)段涂刷防火材料，涂刷厚度不小于1mm(分3～4次涂刷)。
(3)電纜在穿越各處保護管管口處采用防火堵料封堵阻燃。
(4)在中間接頭兩側各3米區(qū)段和其并列鄰近的其它電纜上在同一長度內涂刷防火涂料。
7、設計施工工藝注意事項
電纜線路造價昂貴，技術復雜，要求精心施工，精心組織。敷設施工前應申辦電纜線路管線執(zhí)照、掘路執(zhí)照和道路施工許可證，并開挖足夠的樣洞，了解線路路徑鄰近地下管線情況。明確各公用管線和綠化帶管理單位的配合、賠償事項。電纜訂貨前，應由施工單位提前放線、定位，落實兩側電纜終端及工井位置且確保無施工障礙，再復測電纜分段長度，并將復測報告送設計審核，審核確保無誤后再行訂貨并做相應分盤。電纜施工中和竣工后要確保電纜彎曲半徑大于20D(直徑)。
下面是典型的施工工序：
8、竣工試驗
電纜在現場敷設安裝完畢后，該電纜線路在正式接入電網運行之前，應按有關規(guī)定，進行下列項目的現場試驗。
8.1.導體電阻測量
應測試每根導體電阻，同時換算到20℃條件下的標準電阻值。
8.2.電纜參數測量
電纜的電感、電容測量，正序及零序阻抗的測量(按短路電流以鋁護套為回路的零序阻抗)。
8.3.主絕緣高壓試驗
應在電纜導體與鋁護套之間施加110kV交流電壓5分鐘，主絕緣不應發(fā)生擊穿。
8.4.電纜PE(或)外護層耐壓試驗
電纜的PE(或)外護層除對波紋鋁護套的機械保護外，還對整個電纜線路能否實現交叉互聯(lián)的經濟運行方式起保證作用。為檢查施工和運輸中對PE(或)外護層是否損壞，應在波紋鋁護套與表皮石墨涂層之間，施加1分鐘10kV直流電壓的耐壓試驗，PE(或)外護層不應發(fā)生擊穿。
8.5.電纜波紋鋁護套過電壓保護器試驗
對安裝在現場的每一個過電壓保護器應作下列試驗。
8.5.1.電阻特性試驗
每組保護器的三個校正后的電阻值中，任何一個值都在廠家規(guī)定的最大與最小值之間(換算到20℃)。
8.5.2.內部絕緣電阻試驗
采用1000V搖表測量導線連接端與外殼(底板)之間在一分鐘的絕緣電阻，其絕緣電阻值不應小于2MΩ。
9、結論
通過范例對電纜線路設計原則的逐步分析，使設計方案既能降低工程造價和施工難度，而且還給運行維護帶來方便。電纜的敷設方式、接地方式、電纜附件的選擇等要根據實際情況，靈活選擇與組合，達到優(yōu)秀的設計，優(yōu)秀的施工，安全的運行。
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