一起因敷設方式造成的電纜發熱故障分析

摘要：電力電纜在工程建設和改造中大量使用，是供配電系統的重要組成部分。能否提高電力電纜設計施工質量，電纜的檢修、新設、更換尤為重要。合理選擇及設計電纜敷設方式是保障整個供電系統安全、可靠運行的重要因素之一?，F針對某廠低壓動力電纜經地下電纜排管敷設，在一段時間的高負荷運行狀態下，該部分動力電纜發熱受損的案例，分析了電纜受損原因，提出了解決方案。

關鍵詞：電力電纜;地下排管;發熱受損

0 ? ?引言

地下電纜排管敷設方式，大多情況下應用在需要承重較大的生產區域或城市功能區。該廠在某生產區域選擇地下電纜排管敷設方式，也是考慮到遠期檢修作業時可能會經過重型吊車。排管設計平面圖如圖1所示。設計人員在論證當中的確滿足了生產功能需要，卻在滿足電纜散熱性要求方面未考慮詳盡，最終導致部分動力電纜發熱受損事故發生。

現場單側設計實況如圖2所示。

該管溝共分布120根排管，有少量預留管，其中動力電纜（3×185 mm2以上）有84根，是主要熱源;同時，在裝置區一側的排管伸出端電纜溝內充滿沙土。

排管口充沙情況如圖3所示，這滿足了《電力工程電纜設計規范》（GB 50217—2007）[1]5.2.5第4條“有防爆防火要求的電纜溝，應采用埋沙敷設”的規定，但卻因為充沙，給地下排管的自然對流散熱造成了更大阻礙，而該次事故的爆發點正是埋沙點。本文分析了發熱原因，并根據相關分析及計算結果提出設計變更方案，最后進行了設計拓展分析。

1 ? ?原因分析

1.1 ? ?埋沙影響

在電纜因自身載流量發熱及散熱過程中，排管內空氣應自然流通，但是設計因考慮防爆要求，將裝置區側的排管出口全部用沙土封蓋，導致空氣不能自然流通，熱量全部集聚在地下排管當中。電纜埋沙后，電纜載流量受到沙土熱阻系數的影響，而且熱阻值隨著沙中水分的遷移逐漸增大，所以，管口埋沙處電纜發熱受損最為嚴重。在開挖沙土檢查時發現，管口電纜處沙土存在水分遷移現象，其他區域的沙土中含水量相對較多，沙土中水分的遷移以故障點區域最為嚴重，即位于電纜敷設較密集部位及管口處，在電纜敷設最密集部位，越靠近故障側水分遷移越厲害。因此，水分遷移更應該是結果，而不是電纜絕緣過熱的主要原因。

1.2 ? ?電纜自身發熱量

通過公式Q=ρ·I·I/A計算單根電纜發熱量（W/m）。其中，ρ指銅的電導率，取0.02 Ω/mm2;I指電纜長期運行通過的最大電流，根據電纜發現故障時的電纜運行電流I約為200 A;A為電纜線徑，該計算式中取排管當中截面最大的電纜，為3×300 mm2。根據計算取電纜每米發熱量約30 W，該段排管單根電纜長度為65 m，即相當于一臺約2 kW設備工作于地下管溝當中。同時120根排管集中布置，排管之間上下左右分布距離僅為5 cm，不同規格的電纜發熱量交叉輻射，且頂管距離地表距離為0.8 m，不利于散熱。通過熱成像儀監測，排管中心溫度最高，符合電纜溫度場分布，即越靠近中心處電纜溫度越高，邊界溫度較低。溫度場分布如圖4所示。

1.3 ? ?受渦流影響

設計人員在設計電纜排管基礎時，排管四周表面配?12@200 mm×200 mm鋼筋網片。鋼筋網片分布如圖5所示。

該鋼筋網片屬于導電材料，通常情況下鋼筋混凝土排管中由于電纜三相電流對稱，總和為零，故在鋼筋結構上產生的磁場疊加后相互抵消，相對值較小。但實際運行工況并非如此，該區域地下排管當中有80根規格為3×300 mm2及3×240 mm2的電纜，其電流控制方式為可控硅兩相調功?；芈房刂品绞饺鐖D6所示。

采用該類過零觸發晶閘管導通角的控制方式，在DCS輸入較小調功信號的狀態下，三相不平衡尤為嚴重。捕捉到某一時刻不平衡電流如表1所示，電流受導通角影響存在動態變化的過程。

越趨近于滿負荷狀態，三相電流不平衡度越小，即相當于導通角全開狀態。根據該公司生產負荷需求，可控硅始終處于不完全導通狀態，所以三相電流不平衡，就會在鋼筋網片當中產生環流，造成電纜發熱。該排管中同時存在大量三相電流平衡運行電纜，但考慮到電纜滴水效應，其長期效應也不可忽略。

總結以上三點原因，80根可控硅控制下的動力電纜受鋼筋網片環流影響，是電纜排管內主要發熱源;再加上其他電纜正常運行溫度的滴水效應、交叉輻射，造成了熱量集聚;而裝置區側管溝內充沙，造成內部空氣不能流通，給電纜運行環境造成了更嚴重的影響，最終導致電纜長期工作于最大允許運行溫度，造成內絕緣損壞，外絕緣碳化破損。

2 ? ?解決方案

故障發生前期，該廠運行人員采用氮氣吹掃降溫，事先做好措施避免發生氮氣窒息事故。但電纜排管分布密集，管距較長，通風散熱設施效果不佳，僅能作為臨時輔助措施。若采用電纜溝敷設方式，則受制于周圍運營環境及成本。所以，最終決定變更敷設方式，采用管廊橋架。

3 ? ?設計拓展分析

（1）依據國標《建筑電氣工程施工質量驗收規范》（GB 50303—2015）[2]15.1.1規定，為防止產生渦流效應，“三相或單相的交流單芯電纜，不得單獨穿于管內”。而可控硅控制方式下運行的電纜，存在三相電流不平衡，類似于單芯電纜穿管運行。

（2）電纜排管敷設方式對散熱要求較高，而防爆區域采用充沙的方式將管口封死，二者相互矛盾。

（3）采用GFRP筋代替鋼筋，該類材料具有非磁性特點，且滿足并優于鋼筋的物化特性。

（4）地下電纜排管敷設方式要充分考慮管內穩態溫度場分布，不能僅簡單滿足電纜的排布要求，否則會給電纜運行環境埋下隱患。

4 ? ?結語

目前電纜敷設方式的選擇可以根據環境條件多樣化，但在滿足相關設計規范標準要求的前提下，還要考慮電纜溫度場分布、排水、防爆防火及成本等因素，方可給電纜及各類生產單元提供可靠的運行環境，從而保障生產運營的正常進行。

[參考文獻]

[1] 電力工程電纜設計規范：GB 50217—2007[S].

[2] 建筑電氣工程施工質量驗收規范：GB 50303—2015[S].

收稿日期：2020-08-03

作者簡介：李海鵬（1989—），男，陜西榆林人，工程師，從事工廠供配電運維工作。