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一种基于三维设计的变电站一次电缆敷设优化方案研究
2018智能电网增刊
郭晋芳,韩晓罡,李盛伟,王 楠,马 力,王 梦,耿 芳,周 楠
国网天津市电力公司经济技术研究院,天津 300171
摘要: 电力电缆作为城市中心全户内变电站最重要的电能传输介质,是影响变电站安全性、可靠性、灵活性和经济性的重要因素,研究变电站电缆敷设方案是研究变电站建设技术经济方案重要的组成部分。针对实现变电站电缆敷设技术经济最佳方案的目标,通过对全站电缆量进行梳理统计,结合平面布置对电缆敷设路径进行优化,利用三维软件,对各间隔配电装置电缆敷设建立模型,进行全站一次电缆敷设三维可视化模拟,精确设计电缆敷设路径,校验碰撞,模拟施工作业面,优化电缆敷设路径和设施,并结合规划要求对电缆出站方式进行优化。最终形成电缆连接顺畅、建设和运行安全、扩建便利、经济节约的电缆敷设优化设计方案,可节约站内电缆敷设投资约30%。
中图分类号: TM72
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.027
Abstract:
Key words :

0  引言

    电力电缆作为城市中心全户内变电站最重要的电能传输介质,是影响变电站安全性、可靠性、灵活性和经济性的重要因素,所以电缆敷设方案设计以保证变电站本质安全为核心目标,同时兼顾变电站全寿命周期的经济性。

1  工程概况

    该站址位于湖北襄阳市襄城区东面(规划新区)的杨家河村二组及孙家巷村七组交界处。规划建设3×180 MVA主变压器,本期建设1×180 MVA主变压器。220 kV规划出线6回电缆,本期4回电缆出线,至樊城变、襄阳电厂各2回。110 kV规划出线12回电缆,本期5回电缆出线,至110 kV庞公变2回、至110 kV钱营变1回、至110 kV郑家山变1回、至110 kV樊城变1回。10 kV规划电缆出线36回,本期出线13回。规划按每台变压器装设1组8 Mvar电容器,2组10 Mvar电抗器;本期1台主变装设2组10 Mvar电抗器。

    本站为全户内变电站,主变压器选用自耦变压器,220 kV配电装置选用间隔宽度2 m的GIS设备;110 kV配电装置选用间隔宽度1 m的GIS设备;10 kV选用户内金属铠装开关柜。

2  原可研电缆敷设方案

    可研方案中,全站共设一幢地上3层,地下1层的生产综合楼。综合楼地下设置层高为3.5 m的电缆夹层,主变区域采用电缆沟与室内夹层连通,220 kV户内GIS配电装置区布置于14.7 m层、110 kV户内GIS室布置于5.7 m层,GIS室均设置楼面电缆沟,二次设备室采用静电地板下设架空层敷设电缆。220 kV及110 kV GIS均通过气管与主变压器油-SF6套管连接。220 kV及110 kV出线电缆由GIS电缆终端引出后经配电装置下方的电缆竖井间引下至地下电缆层,经电缆隧道引至站外的电缆隧道;220 kV向西侧出线;110 kV向南出线至站外后向西折至规划道路,然后向南过路;10 kV馈线电缆通过配电综合楼夹层东西两端出口引至站外。

3  全站电力电缆情况

3.1  220 kV电缆情况分析

3.1.1  220 kV主变进线电缆

    220 kV主变进线规划3回路共9根电缆,本期1回路共3根电缆。回路最大工作电流为614 A,所以选择截面为1×630 mm2的铜芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套聚乙烯外护套纵向阻水电力电缆,电缆型号为YJLW03-Z-127/220-1×630 mm2,空气中水平敷设时载流量895 A,品字形敷设时载流量894 A;电缆近似外径为114 mm,转弯半径为2.3 m;电缆近似质量为14710 kg/km[1-2]。(注:本专题的电缆载流量均按40℃选取)

3.1.2  220 kV进出线电缆

    220 kV进出线规划6回路共18根电缆,本期4回路共12根电缆。依据可研批复,220 kV进出线电缆为截面1×1 600 mm2的铜芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套聚氯乙烯外护套纵向阻水电力电缆,电缆型号为YJLW02-Z-127/220-1×1 600 mm2,空气中水平敷设时载流量1157 A,品字形敷设时载流量1151 A;电缆近似外径为130 mm,转弯半径为2.6 m;电缆近似质量为26 510 kg/km[1-2]

3.2  110 kV电缆情况分析

3.2.1  110 kV主变进线电缆

    110 kV主变进线规划3回路共9根电缆,本期1回路共3根电缆。回路最大工作电流为992 A,所以选择截面为1×1 200 mm2的铜芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套聚乙烯外护套纵向阻水电力电缆,电缆型号为YJLW03-Z-64/110-1×1 200 mm2,空气中水平敷设时载流量1 296 A,品字形敷设时载流量1 285 A;电缆近似外径为100 mm,转弯半径为2.0 m[1-2]

3.2.2  110 kV出线电缆

    110 kV进出线规划12回路共36根电缆,本期5回路共15根电缆。依据可研批复,110 kV进出线电缆为截面1×1 000 mm2的铜芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套聚氯乙烯外护套纵向阻水电力电缆,电缆型号为YJLW03-Z-64/110-1×1 000 mm2,空气中水平敷设时载流量1 196 A,品字形敷设时载流量为1185 A;电缆近似外径为95 mm,转弯半径为1.9 m[1-2]

3.3  10 kV电缆情况分析

3.3.1  10 kV出线电缆

    10 kV出线规划36回,依据工程可研图纸出线均为单回电缆,按1.3倍考虑裕度,终期共48根电缆,本期出线13回。电缆按3×240 mm2截面考虑,电缆型号为YJV22 -8.7/10-3×240 mm2,空气中敷设时载流量525 A,直埋土壤中时载流量为480 A;电缆近似外径为84 mm,转弯半径为1.26 m[1-2]

3.3.2  10 kV电容器回路电缆

    10 kV电容器回路选用电缆连接,回路最大工作电流为600 A,所以选择截面为双根3×185 mm2的电力电缆,电缆型号为YJV22-8.7/10-3×185 mm2,空气中敷设时载流量900 A,电缆近似外径为86 mm,转弯半径为1.29 m[1-2]

3.3.3  10 kV电抗器回路电缆

    10 kV电抗器回路选用电缆连接,回路最大工作电流为751 A,所以选择截面为双根3×185 mm2的电力电缆,电缆型号为YJV22-8.7/10-3×185 mm2,空气中敷设时载流量900 A,电缆近似外径为86 mm,转弯半径为1.29 m[1-2]

3.3.4  10 kV接地变回路电缆

    本方案10 kV接地变回路选用电缆连接,回路最大工作电流为681 A,所以选择截面为3×120 mm2的电力电缆,电缆型号为YJV22-8.7/10-3×120 mm2,空气中水平敷设时载流量504 A,电缆近似外径为70 mm,转弯半径为1.05 m[1-2]

4  基于三维精细化设计的电缆敷设方案

4.1  变电站内电力电缆敷设三维模型

4.1.1  建立站内电缆台账信息

    建立完善的站内电缆台账信息,包含电缆起始设备、终点设备、电缆编号、电缆型号等电缆详细信息。为了精确统计出电缆长度并且展现出实际电缆的敷设情况,每回电缆都分A、B、C 三相编写。

4.1.2  建立并检查电缆模型

    首先设计出电缆敷设大致路径,并在轴测试图、顶视图、侧视图来检查电缆的走向是否正确、空间布置是否合理。设备及电缆三维模型轴侧图如图1所示,电缆三轴侧图如图2所示。然后按照电缆的外形特征建立电缆模型并赋予电气属性,电缆建模后,在单一视图中可能无法看出电缆路径是否合理,通过旋转视图,可360°查看电缆敷设情况。接下来,按照设计好的敷设路径和支架间距要求设置电缆支架。在图3中可以看出,第一次建模后发现了以下问题:(1)110 kV1#主变进线电缆与110 kV出线电缆有碰撞,如图4所示,因此调整了电缆的路径,避免碰撞的发生;(2)在二维图纸中设置的电缆支架不合理,存在大量冗余。如图5所示,因此减少了支架横担,如图6所示。

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4.2  本工程电力电缆敷设方式选择

    方案一:局部电缆夹层+电缆隧道+10 kV排管方案(推荐方案)

    方案二:全电缆夹层+电缆隧道+电缆沟方案(可研方案)

    方案三:220 kV电缆隧道+110 kV电缆隧道+10 kV电缆隧道方案

    方案一:局部电缆夹层+电缆隧道+10 kV排管。在220GIS和10 kV开关室下方设置局部电缆夹层,考虑全站转弯半径最大的电缆为220 kV出线电缆,转弯半径2。6 m,加上地面品字形抱箍空间并留有一定裕度,夹层层高定为2。7 m。然后结合电缆夹层各部位电缆敷设断面图和电缆敷设三维模拟进行层高校验是否满足电缆支架设置要求。从图7、图8可以看出,在电缆夹层中,一次电缆、二次电缆比较密集的220 kVGIS下方、10 kV开关室下方支架设置、电缆转弯、巡视通道均可以满足终期规模敷设要求和扩建施工作业面,所以确定电缆夹层层高为2。7 m。

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    设置一条与电缆夹层连接的220 kV主变进线电缆隧道,用于3回路主变进线电缆敷设,经三维电缆敷设模拟,可以满足主变进线电缆引上需要,并满足运行维护通道和施工作业面需要。

    220 kV出线电缆经夹层西侧的电缆隧道引出站外,与站外电缆隧道对接,出线顺畅。在电缆夹层东西两侧各设置2组(3×5+2)的线路排管,将10 kV电缆出线引出,与站外道路排管直接对接,既能满足电缆敷设作业需要,避免了电缆沟与站外电缆排管标高不匹配需要找坡加大施工难度的问题,杜绝了夏季雨量大时电缆沟积水达到一定深度后容易向电缆夹层倒灌的隐患,并且节约投资,敷设安全、扩建便利、节约投资,为推荐方案。

    方案二:全电缆夹层+电缆隧道+电缆沟方案

    在所有配电装置模块下方均设置层高为2.7 m的电缆夹层,与可研方案一样在西侧设置1条220 kV电缆隧道,1条10 kV电缆沟,在南侧设置2条110 kV电缆隧道、在东侧设置1条10 kV电缆沟。如图9所示。

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    这种方案由于全电缆夹层空间大,电缆支架布置最为灵活,但变电站紧凑化布置并利用三维软件模拟电缆敷设场景精细化设计后,电缆敷设路径和支架利用均实现可视化,按照设计方案进行本期和扩建的电缆敷设即可满足施工、运维和扩建要求。并且无功补偿模块和功能房间模块等下方有极少量或没有联络电缆,在这些模块下方设置电缆夹层存在浪费。10 kV出线规划为东西两侧出线,终期按48根电缆考虑,电缆量比较大,如采用电缆沟出线,缆沟较深,敷设时作业不便,大截面缆沟与站外线路排管的对接也存在困难,另外夏季雨量较大时易造成雨水倒灌电缆夹层,形成安全隐患。另一方面,本方案造价较高,综合对比技术经济性,不推荐该方案。

    方案三:220 kV电缆隧道+110 kV电缆隧道+10 kV电缆隧道方案

    本方案不设置电缆夹层,在220 kVGIS下方设置一条东西向电缆隧道,向西将出线电缆引出站外;在110 kVGIS下方设置一条东西向电缆隧道,向西将出线电缆引出站外,向东将主变进线电缆进入主变压器室;10 kV电缆设置一条东西向电缆隧道将出线电缆向东、西引出站外。如图10所示。

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    该方案不设置电缆夹层,比方案一节约建筑面积28%,技术指标在三个方案中最优,但指标不是衡量设计方案优劣的唯一标准。220 kVGIS下方设置电缆隧道,出线电缆和主变进线电缆都需要在该隧道内敷设,共27根电缆,220 kV出线电缆转弯半径2.6 m,隧道净空需要2 m×3 m。110GIS下方设置电缆隧道,出线电缆和主变进线电缆共45根,隧道净空需要2 m×3.5 m,隧道截面较大。10 kV出线电缆和联络电缆共60根,隧道净空需要2.1 m×3.8 m,隧道截面较大。这种方案,在GIS模块和10 kV配电装置模块下方,电缆集中,而隧道内空间较小,敷设作业面小,运行维护通道小,扩建不便。另外220 kV主变进线电缆缺乏通道,需要另行埋管敷设,敷设与10 kV电缆隧道交叉,局部下沉处理难度大,一旦电缆发生故障,后期无法更换。并且该方案取消电缆夹层后,首层配电装置的二次光电缆需要利用地面沟槽敷设,会加大首层地面后浇层厚度需求,不利于建筑物结构设计,造成浪费。另外大截面电缆隧道造价较高,经过比较,该方案的造价高于方案一,技术经济性不佳,不推荐。

    由以上论证分析可以看出,综合考虑施工建设、运行安全、扩建便利、与站外设施结合、投资造价等因素,方案一与方案二技术性差别不大,但方案二比方案一增加投资54.9万元,经济性不佳,故不推荐;方案三与方案一投资基本持平,但不利于运行安全和扩建便利,故不推荐。而综合上述各项因素方案一:局部电缆夹层+电缆隧道+10 kV排管方案技术经济性最好,为本工程的推荐方案。

5  电缆构筑截面优化方案

    电缆构筑物的截面和尺寸,直接影响土建的施工量和工程造价,所以选择一个既能满足电缆敷设和运维检修要求,又不造成浪费的合理电缆隧道、电缆沟截面是本专题研究的一个重点。

5.1  220出线电缆隧道

    电缆呈紧密品字形布置的电缆隧道截面要求:

    电缆隧道中,电缆紧密品字形布置,横担长度在满足电缆排布空间和抱箍尺寸外另留有10 cm裕度,即每个水平横担的长度为(2D+抱箍紧固尺寸+10 cm裕度),那么以220 kV出线电缆隧道为例,横担长度至少为2×13+2×7+10=50 cm,则每个横担长度为50cm。由于品字形布置,考虑散热和施工便利,每个横担间距离预留为50 cm。则由支架计算电缆隧道净高最小为0.1+0.5×2+0.6=1.7 m,但同样考虑人员活动空间,电缆隧道的净高确定为2 m,每侧预留4根横担,比需求最小值多预留1根可以灵活敷设使用。按照规范要求,双侧支架电缆隧道内通道净宽最小值为1 m,则隧道的净宽为0.5×2+1=2 m,那么采用紧密布置品字形敷设220 kV电缆隧道的净空尺寸为2 m宽,2 m深[3-4]。220 kV电缆隧道断面图如图11所示。

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5.2  110 kV出线电缆隧道

    经对电缆敷设各截面分析,确定110 kV出线电缆隧道截面为2 m×3 m,设置双侧支架,每侧设7个托臂,托臂长度500 mm,托臂间距400 mm,电缆在托臂上按紧密布置品字形敷设[3-4]。 如图12所示。

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5.3  110 kV主变进线电缆隧道

    110 kV主变进线电缆隧道内按终期规模共有9根电缆,截面为1.4 m×2 m,设置单侧支架,每侧设3个托臂,托臂长度500 mm,托臂间距400 mm,电缆在托臂上按紧密布置品字形敷设[3-4]

6  结论

    本方案通过三维建模手段对全站电缆敷设和施工作业面进行模拟和电缆设施精细化设计,技术经济对比,优选出“局部电缆夹层+电缆隧道”的敷设方案:

    在电缆最为密集的220 kVGIS和10 kV开关柜下方设置2.7 m高局部电缆夹层,在110 kVGIS下方设置2 m× 3 m出线电缆隧道与1.4 m×2 m 110 kV主变进线电缆隧道“一字型”连通,220 kV出线电缆由2 m×2 m电缆隧道引出站外,110 kV出线电缆由2 m×3 m电缆隧道引出站外。10 kV出线电缆出变电综合楼直接利用线路排管引出,与站外电缆设施直接对接,满足规划要求,满足运行维护、施工作业需求。

    最终形成电缆连接顺畅、建设和运行安全、扩建便利、经济节约的技术经济最优的电缆敷设设计方案,实现变电站本质安全的设计目标。方案相比可研,节约全站电缆投资约30%。

参考文献

[1] 马国栋.电线电缆载流量[M]. 北京:中国电力出版社,2003. 

[2] 王春江.电力电缆手册第三册[M]. 北京:机械工业出版社,2004. 

[3] 方浩。500 kV上海市世博输变电工程电缆设计介绍[M。 全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集。2010

[4] 中华人民共和国建设部,等. 电力工程电缆设计规范[M]. 北京:中国计划出版社,2007.



作者信息:

郭晋芳,韩晓罡,李盛伟,王  楠,马  力,王  梦,耿  芳,周  楠

(国网天津市电力公司经济技术研究院,天津 300171)

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