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谈新型电缆连接方案设计 本文关键词：方案设计，电缆，连接
谈新型电缆连接方案设计 本文简介：摘要：针对变电运维过程中遇到的电缆终端运行维护困难的问题，通过过程化分析调研，发现是原电缆终端结构设计不合理所导致，提出了一种新型电缆连接方案，设计了一种电缆终端连接外壳。仿真分析结果显示，新设计的电缆终端连接外壳绝缘性能可靠，且有一定的裕度。关键词：变电站；
运维；
电缆终端；
仿真高压电力电缆作为变电
谈新型电缆连接方案设计 本文内容：
摘要：针对变电运维过程中遇到的电缆终端运行维护困难的问题，通过过程化分析调研，发现是原电缆终端结构设计不合理所导致，提出了一种新型电缆连接方案，设计了一种电缆终端连接外壳。仿真分析结果显示，新设计的电缆终端连接外壳绝缘性能可靠，且有一定的裕度。
关键词：变电站；
运维；
电缆终端；
仿真
高压电力电缆作为变电站电力输出两大主要出线方式之一，配合气体绝缘金属封闭开关设备，以其占地面积小、体积小、可靠性高、几乎不用检修等优势，广泛应用于电力系统中，尤其在110kV和220kV电压等级的城市配网系统中应用广泛。电缆连接装置由电缆终端、电缆连接的外壳及主回路末端组合而成，如图1所示，实现了高压电力电缆与气体绝缘金属封闭开关设备的机械及电气连接[1]。无论是国外和国内，以往变电站建设中电缆连接装置多采用竖直结构布置，上端连接隔离开关，下端连接高压电力电缆。电缆连接装置下方设有电缆沟，高压电力电缆竖直进入并沿电缆沟敷设。
1问题发现
近些年来，采用高压电力电缆出线方式的变电站日益增多，在变电站的建设和运行维护中，常收到现场安装人员和运行维护人员的反馈，其中包括电缆终端安装困难、高压电缆布置困难、运行维护困难等问题。但由于反馈意见较少且描述不够详尽等情况，未能引起必要重视。本文通过过程化的调研分析发现，电缆沟一般较为窄深，目前常见的电缆沟开挖深度达2.5~3.0m以上，宽度在800mm以下。出现此种现象的原因，主要为保证气体绝缘金属封闭开关设备的基础可靠性。因此确实存在土建建设成本高、工程施工量大、施工工期长、不便于安装和运行维护等现象。
2原因分析
高压电力电缆作为变电站电力输出两大主要出线方式之一，与气体绝缘金属封闭开关设备配合使用的场合广泛存在。本节分析电缆沟设计窄深这一问题长期存在的原因。从结构设计方面，电缆连接装置为实现气体绝缘金属封闭开关设备与电缆的机械及电气连接的电缆终端、电缆连接的外壳及主回路末端的组合，此处的设计分属两方（即组合电器设备厂家和电缆厂家），而此处的设计又有对应的相关标准可供参考，两方均按标准和惯例分工执行，因此较少做设计改进。从建设施工方面，相对于变电站其他建筑施工来说，电缆沟施工规模和难度较小，施工成本也较低，因此建设施工单位较少反馈此处施工问题。从运行维护方面，变电站建设安装完毕后交付给用户，运维部门在变电站的运行过程中发现运维困难的情况，即使反馈到设备生产厂家，也由于描述不够详尽等较少引起重视，另外也难以集中多方厂家共同改进设计结构。综合以上三方面，国内外在电缆连接装置的设计改进方面均较少，特别是综合考虑组合电器设备厂家、电缆厂家和建设单位的实际情况，降低土建建设成本和土建施工量，以利于施工安装和运行维护，解决变电站运行维护问题。
3问题分析
目前，110kV、220kV高压电力电缆多用交联聚乙烯绝缘铜芯电力电缆，截面常为400mm2或630mm2。根据厂家资料，对于110kV电缆外径分别为91.3mm和97.5mm，敷设时的弯曲半径分别为1.8m和2.0m，运行时的弯曲半径分别为2.3m和2.4m；
对于220kV电缆外径分别为113.1mm和118.3mm，敷设时的弯曲半径分别为2.3m和2.4m，运行时的弯曲半径分别为2.8m和3m[2]。为此110kV的电缆弯曲半径一般取2.5m，220kV的电缆弯曲半径一般取3m，图2为220kV组合电器设备电缆出线方式。《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2007）[3]规定，“电缆在任何敷设方式及其全部路径条件的上下左右改变部位，均应满足电缆允许弯曲半径要求”、“电缆的允许弯曲半径，应符合电缆绝缘及其构造特性的要求。对于自容式铅包充油电缆，其允许弯曲半径可按电缆外径的20倍计算”。为了满足电缆弯曲半径的要求，电缆沟的深度通常需要达到3.0~3.5m。由于电缆沟位于气体绝缘金属封闭开关设备下方，为保证基础的可靠性，电缆沟宽度不能太大，一般为800mm以下。因此出现了土建建设成本高、工程施工量大、施工工期长、不便于施工安装和运行维护等缺点。
4解决方案
IEC/TS60859-1999对电缆终端和气体绝缘金属封闭开关设备的对接处设计和结构及标准尺寸做了规定。因此考虑解决方案时，需要兼顾保证电缆转弯半径和电缆连接装置的接口结构不变。本文根据电缆连接装置和高压电力电缆的特点，结合高压电力电缆走线方向的硬性需求，立足于通过对气体绝缘金属封闭开关设备的优化改进来解决问题，即在电缆连接外壳上增加转弯部分来有效降低电缆沟深度需求。以下以220kV电缆连接装置为例，介绍一种电缆终端连接外壳，有效降低了电缆沟深度需求，减少土建施工量，降低运行维护难度。
4.1结构设计
220kV电缆连接装置为三相分箱结构，主回路末端导体和电缆终端封闭在一个单独的电缆连接外壳内，常规设计如图1所示，电缆头从电缆终端壳体底部插入电缆终端壳体内部，与电缆终端连接导体连接，上端通过导体固定连接在绝缘盆子上。图3为一种采用了30°转弯电缆终端连接外壳的电缆连接装置和常规设计的对比，电缆终端连接导体具有位于竖直段内的首端以及位于圆弧过渡段内的尾端，其他部分结构不变。通过对比可见，电缆沟深度需求降低了一半以上，效果明显。
4.2仿真分析
变电站建设中，电缆厂家和气体绝缘金属封闭开关设备厂家均按照文献[1]的规定进行分工、设计和生产。工程经验证明电缆连接装置安装之后不会存在电场和强度方面的问题，在此不再进行验证分析。但电缆连接外壳和电缆终端连接导体作为组合电器设备的一部分，需要满足其自身的绝缘性能要求。本文用SiemensNX进行建模，用ANSYSWorkbench进行电场仿真分析[4]。1）模型优化与建立。计算模型作为电场计算的基础，必须真实有效。此次计算所用模型根据电缆终端外壳和电缆终端连接导体的实际物理模型建立，弯导体以上的结构未修改，因此不再进行建模[5]。2）介质属性。电缆连接外壳和电缆终端连接导体采用铝合金材质，经过可靠连接内部均为等电位，电场分析时可不考虑此部分，而只分析绝缘气体部分，但需要保留电缆连接外壳和电缆终端连接导体的表面形状，用于设置边界条件。SF6气体介电常数为1.002[6]。3）网格划分。此部分是电场计算前处理过程中的重要工作，也是整个计算过程中最为关键的环节之一，网格划分的质量好坏将直接影响计算结果的精度。评价网格划分质量好坏的标准有网格数量、单元质量、疏密分布和单元阶次等。在确定网格数量时需要权衡计算精度和计算规模，这是因为随着网格数量的增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会大大增加，计算规模太大时软件会因为计算机资源耗尽而导致计算失败。在确定单元质量时需要考虑单元的细长比、内角、翘曲量、边节点位置偏差等的统计参数。从直观上看，质量较好的网格一般各边或各内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等分点附近。在确定网格疏密时为了适应计算数据的分布特点，兼顾计算规模，在关键部位和曲率变化较大的部位采用较密的网格，在计算数据变化梯度较小的部位采用较为稀疏的网格。高阶单元可较好地适应复杂结构的网格划分，对于复杂的电场变化也有较好的适应能力，在网格数量相同的情况下适当使用高阶单元可以大幅提高计算精度。因此，在对模型进行网格划分时应充分考虑到实际的工作条件及模型结构本身的特点。首先采用软件提供的智能网格划分方法进行初步划分，给整个模型划分较为稀疏的基础网格。然后在关键分析部位通过局部细化网格的方法，弥补智能网格划分方法的不足。最后通过多次尝试，找到网格质量和计算精度之间的契合点，即模型进行了较为合理的网格划分，同时又控制了网格的数量[7]。4）施加电压。分析模型上断面与此处的等位线垂直，取第二类边界条件。电缆连接外壳和电缆终端连接导体的表面取第一类边界条件，电缆终端连接导体侧施加1050kV的电压，电缆连接外壳侧施加0kV的电压。电场仿真计算结果如图4所示，最大场强为20.6kV/mm，小于判据25.8kV/mm，且有一定的安全裕度。
5结语
本文结合国家电网公司的科技项目研究《GIS组合电器设备高压电缆快速连接研究》，以220kV气体绝缘金属封闭开关设备的电缆连接装置的30°角转弯为例，提出了一种新型电缆连接方案。该方案满足了相关标准的规定，同时降低了土建建设成本和施工难度，降低了安装施工和运行维护难度。该方案将指导110kV、220kVGIS变电站的设计和现场施工，同时也将指导厂家生产气体绝缘金属封闭开关设备用高压电缆快速连接装置，可推广应用于电力企业。
作者：李世彪 傅三川 李金狮 齐小虎 司昌杰 张磊 张锴玮 单位：河南平高电气股份有限公司 国网浙江省电力有限公司
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