控制電纜截面選擇存在的問題及解決方案

杜繼臻，劉亞成，魏廣鴻，寧 志，崔志堅，張二龍

（1.安徽安慶皖江發電有限公司，安徽省安慶市，246008；2.內蒙古京海發電有限公司，內蒙古烏海市，016000；3.安慶電網公司，安徽省安慶市，246000）

1 電流回路截面過小導致電流測量值失真

1.1 事故原因分析

某火電廠一期工程有A、B、C、D四臺工業水泵，自2005年投產以來，A、C工業水泵電機已先后4次發生口線（即電動機接線盒處的繞組引出線）燒斷或電機燒損事件。解體檢查后發現均為長期過熱所致，但程控站的電流歷史數據表明，2臺電機的正常運行電流一直都小于額定電流。

為查明原因，利用鉗形電流表在開關柜后測量各臺電機運行電流，并與程控站、就地控制箱上的電流顯示值進行比較，結果如表1所示。工業水泵電機額定電流為164.3 A；正常情況下，2臺工業水泵同時運行，由于A、C泵同接在水工I段母線，B、D泵同接在水工Ⅱ段母線，故只有表1中4種組合運行方式。

進一步檢查發現，A、C工業水泵的出口分別正對著1、2號工業水母管。雙泵運行時，A、C泵的出口阻力小于B、D泵，其“搶水”能力強于B、D泵；A、C泵電機電流比B、D泵大，甚至頻頻過載，因而導致電機繞組或口線過熱。但操作員站的電流顯示值比實際電流小，運行人員無法了解A、C泵電機的實際工況。現以A泵為例對其電流進行分析。A水泵連接相關設備有：

表1 電流值比較Tab.Tab.1 1 Comparison of current values

（1）電流互感器（current transformer，CT）。型號為LMZJ1-0.5，變比為300/5，容量為2.5 VA，計量準確等級為1級。

（2）電流變送器。型號為FPA-A2-F1-P2-O3，內阻RT=5 mΩ，計量準確等級為0.2級。

（3）電流表。型號為SQ-48，內阻RM=30 mΩ，計量準確等級為2.5級。

（4）開關柜至就地控制箱電流回路電纜。型號為KVV22-0.5 4×2.5，長200 m。

電纜直流電阻為

式中：L為電纜長度，L=2×200 m；s為電纜截面積，s=2.5 mm2；γ為電導系數，對于銅芯電纜電導系統數取57 m/（Ω·mm2）。則RL=2.8 Ω。

各連接端子處的接觸電阻RC取0.1 Ω，則電機電流回路總電阻為R=RL+RT+RM+RC=2.935 Ω。

A工業水泵電動機運行時，CT二次負荷的功率因數角為29°，若近似認為CT的二次負載即為電阻負載，則CT容量S2e=I2max2R，最大二次電流I2max=√S2e/R=0.92A，對應的最大一次電流I1max=55A。

由表1可知，正常運行時各泵電流達到最大允許值的2倍左右，CT均已嚴重過載，且飽和程度隨一次負荷電流的增大而加深。這是導致各電機電流顯示值與實測值有較大差別的原因。要解決此問題需解決CT二次負載與其額定容量之間的不匹配問題。

1.2 解決方案

暫按運行中出現的最大負荷電流計算CT所需最小容量S2min，則S2min=22.7 VA。要求變比為300/5的CT具有如此大容量，制造上存在困難，故只能減小CT二次負載。CT二次阻抗中電纜阻抗占很大比例，減少CT二次負載需減少電纜阻抗。

根據設計手冊[8]，控制電纜截面積

式中：K1xzk為阻抗換算系數，即接線系數，對于工業水泵電動機回路單相CT接單相負載的情況，應取2；L為電纜長度；Zxu為允許負荷，即對應額定容量的負荷阻抗，若最大負荷電流為167 A，則二次電流為2.8 A，則Zxu=S2e/I2max2=0.32 Ω；Kcjzk為測量表計的接線系數，對于工業水泵電動機回路單相負載的情況，應取1；Zcj為表計阻抗，忽略電抗，則Zcj=RT+RM=0.035 Ω；Zc為接觸電阻，大小為0.05～0.1 Ω；γ為電導系數，銅取57 m/（Ω·mm2）。則s=50 mm2。

50 mm2控制電纜市場上沒有供應，并且二次回路若使用如此大截面電纜，投資較大，同時也無法安裝接線。

按《火力發電廠廠用電設計技術規定》[9]，5 kW以上Ⅱ類負荷電動機的電流表在熱控屏或控制屏、動力箱或控制箱上任選1處安裝即可。熱控屏或控制屏現已發展為LCD，其電流顯示在LCD屏上。動力箱或控制箱即就地控制箱，其上的電流表可以監視就地啟動設備，但從該廠運行記錄可知，機組投運以來從未在就地控制箱上啟動過工業水泵，即使就地啟動，也可通過手中對講機提醒遠方監盤人員關注電流變化情況。所以，可將就地控制箱上的電流表取消，相應開關柜至就地控制箱電流回路的200 m電纜也可以取消。改進后工業水泵電機電流回路總阻抗為Z=R=RT+RM+RC=0.135 Ω。此時，最大負荷時CT的二次負載功率為S2max=1.05 VA＜S2e。

因此，改進后，正常運行時CT不再飽和，運行人員能夠監視到各電機的實際電流，并據此可以作出截流調整，使各泵負荷分配平均，不會過載。

1.3 事故小結

（1）若在設計階段進行電纜截面的核算工作，不僅可以避免電機長期過載，還可以節省電流表和電纜投資。

（2）電纜的阻抗在材質一定情況下，由截面面積和長度2個因素決定，所以減小阻抗時應把2個因素結合起來考慮。

2 分合閘回路電纜截面過小導致循環水泵多次啟停不成功

2.1 事故原因分析

某發電公司一期工程為2×300 MW機組，投產后2年內4臺循環水泵共發生5次啟停，沒有1次成功，再次或多次試啟后成功。

對分散控制系統（distributed control system，DCS）、電氣開關柜、DCS的DO卡件柜與開關柜之間電纜回路按順序進行排查，并對4臺循泵開關采取預防性整改措施，使分合閘指令的每個端子并接2根電纜芯，即除1根ZRC–KVVP–0.5 7×1.5型7芯電纜外，分合指令還借用同通道的另1根電纜的1根備用芯。現分別計算不并接和并接時的回路壓降。

（1）不并接時回路壓降。已知電纜單程長600 m，截面積為1.5 mm2，分合閘線圈電阻R1=33 Ω，開關柜控制電源的額定電壓Ue=110 V。由式（1）知，分合閘回路電纜阻值為R2=14 Ω，分合閘回路壓降為U2=UeR2/（R1+R2）=32 V。

顯然，即使不計分合閘回路上端子排及各種大小繼電器接點的接觸電阻，循泵開關的分合閘線圈上最大電壓為U1=110 V-U2=78 V。根據試驗規程[10]可知，要實現可靠分閘，須保證線圈兩端電壓不低于65%Ue；要實現可靠合閘，須保證端電壓不低于80%Ue。而此時，U1/Ue=70.9%，則分閘線圈上的電壓接近于最高允許電壓，合閘線圈上的電壓低于最低允許電壓，再加上直流系統電壓波動等因素，便會造成分合閘尤其合閘時不成功但未經處理又恢復正常的現象。

（2）并接時回路壓降。2芯并作1芯后分合閘電纜電阻R2'=R2/2=7 Ω，U1'/Ue=82.7%。滿足開關的最低分合閘要求，因此在整改后1年內未出現此類問題。

2.2 解決方案

采取以上措施后，按設計手冊[8]對控制及信號用控制電纜的允許長度進行校核。電纜長度

式中：ΔUxu%為保證控制線圈正常工作的回路允許電壓降，取10%；Ue為直流額定電壓，取110 V；s為電纜芯截面，取2×1.5 mm2；γ為電導系數，銅取57 m/（Ω·mm2）；Iqmax為流過控制回路的最大電流，由于分合閘線圈的直阻均為33 Ω，故Iqmax=3.33A。則Lxu=282 m。

經計算，電纜實際長度遠大于允許長度，這是因為設計規范要考慮設備在各種不利情況下均能正常運行，所以設備選型時須保證一定的裕度。例如，在事故放電末期，直流母線電壓低到設計手冊[8]允許的下限值即85%Ue時，并線處理后分合閘線圈上最大電壓U1'=70.3%Ue，低于可靠合閘電壓。由式（2）可知，Smin=6.4 mm2，對照標準電纜截面積，只能取10 mm2。如此大截面的控制電纜費用高，同時也無法在現有開關柜和DCS繼電器柜的端子上接線，因此，還需減小電纜長度。

該公司循泵是離主廠房最遠的輔機，為減少對其所屬設備如閥門、沖洗水泵、旋轉濾網等的控制、監測、保護用計算機電纜長度，為該公司在循泵房設置了DCS遠程站。但從循泵房到電氣配電間的過長電纜造成了啟停不可靠問題。DCS電子設備間與6 kV電氣配電間同在主廠房，若利用公用系統或單元機組數據處理單元（data processing unit，DPU）對循泵進行控制，則電纜路徑僅長100 m，在截面積1.5 mm2電纜的允許使用長度之內。現已建議該公司將4臺循泵的啟停命令改從公用系統DPU發出，這樣就必須在公用系統DPU與循泵房DPU間進行開關量信號的互相引用（即在某個DPU邏輯組態中調用另一個DPU的輸入輸出數據），雖然這樣會影響系統獨立性，增加網絡數據流量，但提高了整個循環水系統的可靠性和機組運行的安全性。

2.3 事故小結

必須嚴格按規程選擇、校驗設備，還要加強專業間溝通協作，布置DCS（或程控）時應考慮周圍電氣設備的要求。

3 結論

控制電纜在電力工程中造價所占比例不高，但若截面選擇不當會帶來很多安全隱患。設計人員在布置或選擇設備時須考慮其所連接的電氣設備對二次回路阻抗的要求，對電纜截面進行嚴格核算。現場解決控制電纜截面過小引起的問題時須綜合考慮長度因素，可以采取縮短電纜長度的方案，此方案不僅投入小，且實施簡便。

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