勵(lì)磁交流電纜異常過熱的處理措施

文長(zhǎng)生 李波

摘 要：結(jié)合魯?shù)乩娬?#發(fā)電機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)勵(lì)磁交流電纜異常過熱，絕緣層碳化的現(xiàn)象，分析了并聯(lián)勵(lì)磁交流電纜的電流分配，找出了電纜的敷設(shè)排列方式對(duì)電纜發(fā)熱的影響，提出了實(shí)施方案，成功解決了電纜的異常過熱問題。提出了可行的并聯(lián)大電流電纜的敷設(shè)方式，以供同行參考借鑒。

關(guān)鍵詞：勵(lì)磁交流電纜；過熱；電流分配；電纜敷設(shè)；排列方式

中圖分類號(hào)：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）20-0131-02

Abstract： In view of the phenomenon of abnormal overheating of excitation alternating current （AC） cable and carbonization of insulation layer in the operation of generator in Ludila Hydropower Station， the current distribution of parallel excitation AC cable is analyzed， and the influence of cable laying arrangement on cable heating is found out. The implementation scheme is put forward and the problem of abnormal overheating of cable is solved successfully. A feasible laying mode of parallel high current cable is put forward for reference.

Keywords： excitation AC cable； overheating； current distribution； cable laying； arrangement mode

1 概述

魯?shù)乩娬緞?lì)磁系統(tǒng)采用國(guó)電南瑞科技股份有限公司提供制造的NES-5100自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。額定勵(lì)磁電流3116A，四面FLZ-3000大功率整流柜。勵(lì)磁變低壓側(cè)與勵(lì)磁功率柜采用同相多根單芯電纜連接，電纜型號(hào)ZR-YJVR-1×185-0.6/1kV，每相8根，共計(jì)24根，分2層無序敷設(shè)在U型電纜槽盒內(nèi)。

在對(duì)#5發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變至勵(lì)磁功率柜交流電纜進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)上層部分電纜運(yùn)行溫度已超過100℃，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。#5機(jī)停機(jī)后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)部分電纜絕緣層已出現(xiàn)燒焦、碳化現(xiàn)象。隨即對(duì)其他機(jī)組也進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)其他機(jī)組交流勵(lì)磁電纜也同樣存在不同程度的碳化現(xiàn)象。因此，必須找出造成電纜異常過熱的原因，提出快速有效的實(shí)施方案，以防止過熱碳化進(jìn)一步惡化，造成勵(lì)磁交流電纜故障，造成機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)。

2 原因分析

焦耳定律告訴我們：電流通過導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量和導(dǎo)體的電阻成正比，和通過導(dǎo)體的電流的平方成正比，和通電時(shí)間成正比。

Q=I2Rt （1）

其中Q指熱量，單位是焦耳（J），I指電流，單位是安培（A），R指電阻，單位是歐姆（Ω），t指時(shí)間，單位是秒（s）。

據(jù)焦耳定律，我們可以知道，電纜的過熱與電流、電阻、散熱有直接關(guān)系。對(duì)此我們開展了以下工作。

2.1 電流分配

在機(jī)組有功為298MW、無功52.1MVar保持不變的情況下，勵(lì)磁變相電流輸出為2160A，用鉗形電流表測(cè)得每根電纜的實(shí)際載流量如表1。由于電纜在U型槽盒內(nèi)無序敷設(shè)，無法比對(duì)單根電纜的電流與溫度的關(guān)系，僅測(cè)得U型槽盒外殼溫度為60℃，上層電纜溫度在70-105℃之間。

從表1我們可以看出各相電纜總載流量基本平衡，但是同相并聯(lián)的電纜載流量并不是平均分配。部分電纜載流量大，電熱效應(yīng)高，U型槽盒散熱差，最終導(dǎo)致電纜異常過熱。是什么原因造成敷設(shè)在同一電纜槽盒內(nèi)的同廠同型號(hào)等長(zhǎng)等截面電纜的電流分配不平衡呢？

2.2 電纜發(fā)熱的原因

勵(lì)磁變副邊的輸出電壓是恒定的，從歐姆定律我們可以判斷出造成電流分配不平衡的原因是電纜的交流阻抗不平衡，電纜的交流阻抗由電阻分量和電抗分量的大小決定。對(duì)于同廠同型號(hào)等長(zhǎng)等截面的電纜交流阻抗的電阻分量是基本相同的，也就是說勵(lì)磁交流電纜的阻抗基本不受交流電阻的影響，和電抗值有直接的關(guān)系。

電纜在通過交流電時(shí)，每根電纜的磁通分為兩部分，即電芯內(nèi)部產(chǎn)生自感Li和外感Lo，電纜的總電感L為自感Li與外感Lo之和。自感不受外界因素的影響，實(shí)際應(yīng)用中我們可認(rèn)為電纜的電感：

式中，S為線芯的中心距，r是線芯外徑。

從式（2）我們可以看出，外感與電纜的布置位置有關(guān)。兩根電纜間的距離越大，電纜之間的外感就越大，外感增大的結(jié)果是電纜的交流阻抗增大，在勵(lì)磁變副邊的輸出電壓恒定的情況下，該根電纜的電流減小，相反則是電流增大。

由此可見，由于電纜敷設(shè)的隨意性，使同相電纜與其他相電纜距離不一致，造成電纜外感值不一致，導(dǎo)致同相各根并聯(lián)電纜的阻抗值偏差，引起電流分配不平衡，最終引起小阻抗電纜過流發(fā)熱，相鄰電纜同樣受此影響，從表1可以直觀的看出。

另外，電纜中的交變電場(chǎng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)作用在U型槽盒金屬上產(chǎn)生感應(yīng)渦流，且電纜疊壓在U型槽盒內(nèi)散熱差。長(zhǎng)時(shí)間的熱效應(yīng)積累，電纜出現(xiàn)了劣化。

3 處理方案

為防止過熱惡化，首先采取了拆除U型槽盒，電纜分兩層無序敷設(shè)在支架上，增加主動(dòng)散熱風(fēng)機(jī)。

由于電纜只要敷設(shè)完畢，阻抗參數(shù)就不會(huì)改變。因此，我們要處理電纜過熱，就要改變電流分配，重新按合適的距離整理敷設(shè)電纜。

要使電纜的阻抗值相等，就要電纜在排列中與相鄰相間電纜的中心距離保持相等，由于三相交流電相位上的對(duì)稱性，若電纜物理位置和相位對(duì)稱，即電纜排列的物理距離也對(duì)稱，將可以有效的解決由于電纜之間的互感造成的各電纜之間電流不平衡。對(duì)此，我們考慮了以下電纜排列敷設(shè)方案，如圖1。

方案3在電纜排列時(shí)，按相序交叉次序進(jìn)行，電纜物理位置和相位對(duì)稱。適合現(xiàn)場(chǎng)空間，便于施工。為提高電纜散熱能力，并將槽盒改為梯架，設(shè)兩層梯架，每層梯架12根電纜，兩層梯架之間相隔250mm。

為此，我們?cè)跈C(jī)組檢修時(shí)斷開功率柜及勵(lì)磁變副邊的連接頭，更換了損壞的電纜，并將每根電纜按相編號(hào)，按方案3將電纜呈“品”字型綁扎敷設(shè)排列在梯架上。

4 效果驗(yàn)證

首先對(duì)5號(hào)機(jī)組按處理方案進(jìn)行了方案實(shí)施，處理后在機(jī)組有功為186.4MW、無功30.4MVar保持不變的情況下，勵(lì)磁變相電流輸出為1880A，環(huán)境溫度為35℃時(shí)，用鉗形電流表測(cè)得每根電纜的實(shí)際載流量如表2，同相并聯(lián)電纜的電流分配均勻，每根電纜溫度與環(huán)境溫度接近，電纜異常發(fā)熱隱患得到消除，達(dá)到預(yù)期效果，處理方案有效，改造獲得成功。

5 結(jié)束語

電站成功解決了電纜的異常過熱問題，為機(jī)組的持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行夯實(shí)了基礎(chǔ)。在同相多根并聯(lián)大電流電纜敷設(shè)時(shí)，敷設(shè)方式對(duì)電纜阻抗值的影響較大，會(huì)引起電流分配不均勻，只有三相電纜在排列中與相鄰相間電纜的中心距離保持相等，并按相序交叉次序進(jìn)行，使電纜物理位置和相位保持對(duì)稱，這樣同相并聯(lián)電纜的電流分配才會(huì)均勻，電纜就能安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50217-2007.電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]楊耀武.單芯并聯(lián)大電流電纜發(fā)熱異常原因及處理[J].水電與新能源，2013增刊（112）.