15kV柔性电力电缆应用于旁路作业不停电抢修技术研究
罗俊华[1] 蓝剑 [2] 王恒[2] 蔡志国[3] 周勇杰[3]
[1] 国网电力科学研究院 （武汉，430074）
[2] 武汉供电公司 （武汉，430012）
[3] 武汉雷泰电力新技术有限公司 （武汉，430070）
摘 要 应用8.7/15kV XLPE柔性电力电缆、自锁定快速插拔式电缆中间接头和
电缆终端的最新研究成果，与高低压电器单元、保护单元和机动车辆协同构成旁
路作业不停电抢修系统。试验研究和抢修实践表明：该系统大幅提高城市供电公
司机动灵活地处置自然灾害和电网突发事故的应急应变能力，大幅提高不停电作
业法技术水平和技术装备水平，具有应急应变、机动灵活、适用范围广、安全可
靠性高等优点，进一步增强和完善城市配电系统主动型、对策型、协调控制型的
安全防御体系，有效保障城市电网安全、稳定、可靠运行。
关键词：柔性电力电缆 旁路技术 现场带电作业 插拔式电缆中间接头
插拔式电缆终端 应急抢修
中图分类号：??
Research on Bypass Technique of Living-work On-site with 15 kV Flexible Power Cable for Power Urgent Repaired
LUO Junhua [1] LAN Jian [2] WANG Heng [2] CAI Zhiguo [3] ZHOU Yongjie [3]
[1] State Grid Electric Power Research Institute ( Wuhan, 430074)
[2] Wuhan Power Supply Co., Ltd. (Wuhan, 430012)
[3] WLT Technologies Co., Ltd. (Wuhan, 430070)
Key Words: Flexible Power Cable Bypass Technique Living-work On-site Slide-in Cable Joint Slide-in Cable Termination Emergency Repairing
ABSTRACT Flexible power cable, fast slide-in cable joints and terminations as well as vehicle were applied with 15 kV high voltage unit, 400 V low voltage unit, overload protection and line on/off control unit to assemble a bypass technique system of living-work on-site for power urgent repaired. In this paper, this technique was researched in detail. In case of a power fault was taken place suddenly and the power user is very important but electric power cut is not permitted, that is, the emergency repairing is necessary. The vehicle loading the bypass technique system came to the site quickly and repairing work begun at the first time. Faculative length of 15 kV flexible cables which were connected by fast slide-in cable joints and terminations would be utilized to form a temporary distribution route for supplying the user with electric power continuously instead of fault line. At the same time, power cut is not need when the repairers operating on-site safely and handily with the help of this bypass system. In fact, all the emergency repairing on the fault line would be done in a state of no electricity due to electric power had been transported through the bypass technique system of temporary distribution line. After the fault being obviated, the temporary distribution line would be removed expediently once repairing work finished. The results of research and emergency repairing practice shown us that this bypass technique has greatly improved the emergency repairing ability of urban power distribution for meeting an emergency and variety whenever or wherever. Any power fault breaking out, specially user’s power equipments damaged during nature disaster, could be repaired and/or replaced quickly even temporary power supplying continuously applied with this bypass technique system.
0 引言
本文总结当遭遇冰雪灾害、地震灾害等严重自然灾害和突发性电网设备运行故障时，抢险救灾过程中保障电力供应积累的经验和教训，应用8.7/15kV XLPE柔性电力电缆以及配套使用的自锁定快速插拔式中间接头和终端，提出旁路作业不停电抢修新技术。该技术应用旁路电力电缆系统，通过车载高、低压电力设备和电气控制单元，在不间断地保证用户供电的同时，完成不停电抢修作业和设备更换作业。采用该技术，不仅能够大幅提高城市供电公司机动灵活地应对自然灾害和电网突发事故的应急应变能力，大幅提高不停电作业法技术水平和技术装备水平，进一步增强和完善城市配电系统主动型、对策型、协调控制型的安全防御体系，有效保障城市电网安全、稳定、经济生产运行；而且，一方面有效保证电源通过旁路系统连续送出至各用户，另一方面，抢修人员实际上是在停电的区域内进行抢修作业或设备更换作业，确保人身和设备的安全。特别是在作业时间较长、抢修难度较大、道路通行条件差等特殊情况，可以替代柴油发电车，节省大量的能源消耗、减少污染物排放量。
旁路作业不停电抢修技术关键是旁路电力电缆系统。目前，只有中国、日本和韩国拥有旁路电力电缆技术[1-5]，且中国的旁路电力电缆快速中间接头和快速终端技术最先进。根据旁路系统支接的受电用户数量、临时供电距离，通过接入快速T型接头和直通接头，现场快速、便利地延长和缩短旁路电力电缆长度，实现跨接故障线路段，形成临时旁路供电系统的目的。
1 旁路电力电缆系统
旁路电力电缆系统是由8.7/15kV XLPE柔性电力电缆和自锁定快速插拔式直通中间接头、自锁定快速插拔式T型中间接头以及自锁定快速插拔式终端组成。电缆系统如图1所示[1-3]。
图1 旁路电力电缆系统
Fig. 1 Bypass Power Cable System
旁路电力电缆系统中，快速中间接头和快速终端是绝缘薄弱环节，发生运行故障的概率远远大于电缆本体运行故障概率。因此，快速中间接头和快速终端的可靠性决定了旁路电力电缆系统的可靠性。快速中间接头和快速终端如图2所示[4，5]。
图2 柔性电缆插拔式T型快速接头和直通快速接头
Fig. 2 Slide-in T-Joint and Straight Joint of Flexible Cable
快速中间接头和快速终端的温升（载流量）和电场应力控制决定了其可靠性。采用节点电压法求解旁路电缆系统热路问题，计算导体实时温度[7-10]：
（式1）
式1中：
T1～Tn 为电缆结构中主绝缘（含内、外屏蔽）等各分层温度，T1即为所求的电缆导体温度，To是电缆外护套的表面温度，可通过直接测量获得。A由电缆的结构和材料参数确定。Q由电缆导体损耗、介质损耗以及金属屏蔽层损耗确定。
采用有限元计算方法设计和计算快速中间接头和快速终端电场应力控制锥的几何形状和电气参数[11-17]：根据标量电势求解边界条件和初始条件下每个节点处的电势，计算出应力锥内部每个点的电场分布状态。通过调整应力锥曲线形状、应力锥轴向长度和应力锥端部曲率，控制和改善中间接头和终端内部电场分布。由泊松方程和电流连续方程建立式2和式3电流场和电场的综合数学模型的泛函形式[3,14,15]：
(式2)
(式3)
式中， φ为静态电位；φk为漏电流场电位；ε介质的介电系数；V为求解区域；S为求解区域的闭合面；n为闭合面的法向量。
由式2和式3得到综合描述静电场电场和恒定电流场计算的变分方程和边值条件为：
(式4)
式中，C 为静电场或恒定电流场引起的第二类综合边界条件；σ为介质的电导率。当σ≠0时，式4即为由静电场和恒定电流场的变分公式得到的综合数学模型；当σ=0 时，即为由静电场的变分公式得到的电场数学模型。
在不同介质的界面处，电位是连续的，则用插值法对式4求极小值得到线性方程组：
Kφ=P （式5）
式5中，K 为系数矩阵；P 为右端项。
应用预优处理和一维压缩的数学方法，建立快速寻址指针，即预优处理双共轭梯度法（PBCG）解析式5方程组，可以得到较为精确的数值解[12,15]。
2 旁路作业不停电抢修技术
旁路作业不停电抢修技术集合了10kV高压输入输出电气单元、变压器输入输出电气单元、高压开关控制单元和400V低压输入输出电气单元、低压开关控制单元于一体，应用8.7/15kV XLPE柔性电力电缆以及配套使用的自锁定快速插拔式中间接头和终端，可以在抢修现场任意延长或减短旁路用柔性电力电缆的线路长度，以跨接不同长度的故障线路段或直接连接或支路连接不同距离的受电用户。旁路作业不停电抢修技术电气连接图如图3所示。
图3 旁路作业不停电抢修技术电气连接图
Fig. 3 Electric Drawing of Bypass Technique System
将旁路作业不停电抢修技术集成在机动车辆上，可以在故障第一时间到达抢修现场时，通过任意组合15kV柔性电力电缆旁路不停电作业系统供电的长度和连接方式，20分钟内就能够实现在半径为3 km范围内紧急供电。实现应急应变、机动灵活、快捷安全地进行城市电网配电线路、供电设备（如杆变、箱变、环网柜、电缆分支箱等）和用户配电系统不停电检修、故障抢修、设备更换等作业，或临时供电作业。最大限度地保证配电线路不停电作业时人身和设备安全，满足城市配电网络检修调度、特殊用户临时用电以及重要场所和重大事件可靠供电的保电工作需要。集成旁路作业不停电抢修技术的车辆如图4所示，主要电气参数列入表1中。
图4 车载旁路作业不停电抢修系统
Fig. 4 Bypass Technique System Loaded on the Vehicle
表1 旁路作业不停电抢修系统主要电气技术参数
Tab. 1 Main Electrical Parameters of Bypass Technique System
|
项 目 |
单位 |
参数 |
|
高
压
侧 |
额定电压 |
kV |
12 |
|
工频耐受电压 |
kV |
42 |
|
雷电冲击耐受电压 |
kV |
95 |
|
额定电流 |
A |
200 |
|
闭环开断电流 |
A |
630 |
|
接地故障开断电流 |
A |
200 |
|
短路开断电流 |
kA |
50 |
|
低
压
侧 |
额定电压 |
V |
400 |
|
主回路额定电流 |
A |
1000 |
|
额定短时耐受电流 |
kA /1min |
50 |
|
额定峰值耐受电流 |
kA |
100 |
|
支路额定电流 |
A |
500 |
|
支路数 |
路 |
2 |
|
旁
路
电
缆
系
统 |
工频电压试验 |
42kV /5 min |
无闪络、无击穿 |
|
冲击电压试验 |
109kV,±10次 |
无闪络、无击穿 |
|
局部放电试验 |
15kV, pC |
≤2 |
|
温升试验 |
K |
≤55 |
|
机械寿命试验 |
次 |
500 |
3 旁路作业不停电抢修实例
通常使用较多的应急抢修措施是采用柴油发电车作为临时电源，其不足之处在于：（1）容量小、供电半径小；（2）能耗大、空气及噪声污染严重、燃油成本高，保养维护成本高；（3）受城市巷道通行条件限制，不能够及时到达抢修地点；（4）发电车在运行过程中，震动大，对车体和设备造成损伤。
针对发电车的不足，车载旁路作业不停电抢修系统则可以通过配置任意长度的10kV柔性电缆旁路作业系统，机动灵活地解决许多城市电网检修、应急供电等实际问题。
3.1不停电检修、更换杆上变压器
通过杆上带电作业将车载旁路作业不停电抢修系统并入该线路，跨接故障杆上变压器，由旁路系统取代杆上变压器，继续向受电端用户供电。随后将杆上变压器退出运行，进行停电检修或更换。检修或更换作业结束后，线路恢复正常供电，撤离旁路作业系统。
3.2不停电检修或更换用户箱式变电站
如果用户箱式变电站发生运行故障，可将该箱变进线电缆与旁路作业不停电抢修系统连接，通过控制单元将电源由旁路作业系统的低压单元输出至用户，形成临时供电回路。同时，对用户箱式变电站进行检修或更换。
3.3不停电检修或更换环网柜
城市佩往系统中某一环网柜发生运行故障，则可以通过带电作业将车载旁路作业不停电抢修系统的旁路电力电缆直接跨接故障环网柜，取代环网柜继续供电。
3.4 重要单位或重要事件保电
如果重要单位或重要事件需要两回路或多回路临时保电，可利用旁路作业不停电抢修系统作为第二电源或第三电源临时保障供电的紧急预案。
08年7月，某省彩电中心变压器突发运行故障，立即启动不停电抢修预案：车载旁路作业不停电抢修系统第一时间到达现场进行不停电抢修作业，作业过程如图5和图6所示。
图5 车载旁路作业系统到达现场 图6 旁路电缆系统接入架空线路
Fig. 5 Bypass Technique System Arrived at the Venue Fig.6 Bypass Technique System Connected with Overhead Line
4 结束语
旁路作业不停电抢修技术是采用旁路电力电缆系统，集合10kV高压输入输出电气单元、变压器输入输出电气单元、高压开关控制单元和400V低压输入输出电气单元、低压开关控制单元于一体，应用8.7/15kV XLPE柔性电力电缆以及配套使用的自锁定快速插拔式中间接头和终端，可以在抢修现场任意延长或减短旁路用柔性电力电缆的线路长度，以跨接不同长度的故障线路段或直接连接或支路连接不同距离的受电用户。灵活机动地实现在3km范围内实施配网线路中部分设备（如杆变、箱变、环网柜、电缆分支箱等）不停电检修、故障排除或更换作业，保证用户线路不停电。同时，可以最大限度地满足用户临时用电以及重要场所和重大事件保电等需要。该设备具有噪音小、能耗低、零排放、应急应变、可长距离输送电能等特点，与目前国内普遍使用的柴油发电车进行优势互补。
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作者简介：罗俊华，男，1961年出生，博士、高级工程师，主要从事电力电缆技术的研究工作，联系电话：13607117955，E-mail: luojunh@gmail.com
（作者照片已经存放在编辑部）
