勵磁系統陽極電纜品字型敷設方式應用實例分析

陳 沖，王月燦，賈紅兵，顏文辭

(中國長江電力股份有限公司烏東德水力發電廠，云南 祿勸 651512)

隨著水電站裝機容量越來越大，勵磁陽極電纜所承載的交流電流也逐漸升高，單芯交流電纜電磁渦流發熱的現象正成為勵磁系統亟待解決的重要難題。某在建大型水電站共裝設12臺850 MW容量機組，額定轉子勵磁電流為4 111 A，勵磁陽極電纜在額定負載下將會承載約3 300 A電流。單芯電纜在如此大電流、強磁場工況下極易產生電磁渦流而導致電纜發熱。考慮到國內多個水電站曾出現勵磁陽極電纜渦流過熱而造成勵磁事故的情況[1]，因此，在電站建設階段通過對電纜發熱問題進行理論分析，并通過合理的方法解決勵磁陽極電纜發熱問題，對于提高勵磁系統運行的可靠性，保證電廠安全穩定運行具有重要意義。

1 勵磁陽極電纜敷設方式原理分析

互感現象是指兩個相鄰線圈中，一個線圈的電流隨時間變化時導致穿過另一線圈的磁通量發生變化，而在該線圈中出現感應電動勢的現象[2]。由于互感現象的存在，通有交流電流的長直導線會在相鄰導線中產生感應電流，感應電流大小由感應電動勢決定。這種感應電流又叫電磁渦流，電磁渦流會增加勵磁陽極電纜的熱量累積，導致陽極電纜過熱，嚴重者使電纜絕緣損壞甚至燒毀[3]。互感磁場強度計算示意圖見圖1。

圖1 互感磁場強度計算示意圖

由于趨膚效應的存在，導致高頻交變的電流集中在導體表面[4]，所以長直導線的自感磁場強度可近似為

導線AB在導線CD上的互感磁場強度為

式中：u0為磁導率；I1為AB導線的電流；r為導體半徑；a為導線間距。

對于三相交流電纜，在A相合成磁場的磁場強度為自感磁場和互感磁場三個磁場的矢量和：

同理，

式中：Ia、Ib、Ic為三相電流向量；Lab、Lac為AB、AC相電纜之間距離。

因Ia、Ib、Ic的矢量和為零，為了降低陽極電纜的電磁渦流，盡量減小合成磁場強度Ba、Bb、Bc，須將三相電纜間距盡量設置相等，即Lab+Lac+Lbc，由此可以抵消三相電纜間互感磁場強度和部分自感磁場強度。由上可知，三相勵磁陽極電纜應采用品字型布置，從而使三相電纜間距離相等。品字型布置后的三相陽極電纜總合成磁場為

式中，L=Lab=Lac=Lbc。

因此，將勵磁陽極電纜按品字形排列后，其所產生的電磁渦流將大幅減小，從而從根本上解決了電纜因渦流發熱引起的溫度升高[3]。

2 在水電站中的應用實例分析

該水電站發電機組勵磁變與功率柜在廠房內采用分層布置方式，其間共設計36根185 mm2的單芯勵磁陽極電纜，電纜從勵磁變低壓側出線后經金屬支撐結構分別進入三層電纜橋架，每層橋架布置12根電纜，從橋架上穿樓板后送至功率柜接線銅排。在勵磁陽極電纜安裝敷設階段主要從以下三個方面對敷設方式進行優化。

2.1 更換勵磁變出線頂板及金屬支撐架

勵磁陽極電纜經由勵磁變頂板出線孔從勵磁變低壓側引出后穿越金屬支撐架進入電纜橋架。當交流電流流經環狀金屬時，將會在環狀金屬內部產生感應渦流，勵磁變頂板及金屬支撐架原設計為鐵磁材料，感應渦流將會大幅增強[4]。為了避免因感應渦流導致金屬發熱，在勵磁變安裝階段便將勵磁變出線頂板更換為非導磁材料，將金屬支撐架更換為環氧樹脂板支撐結構，從而大幅減小渦流帶來的發熱影響。

2.2 勵磁陽極電纜在電纜橋架上按品字型敷設

勵磁陽極電纜分相引出，三相各取1根，按照圖2、圖3所示的品字型方式進行敷設，先敷設下層電纜，下層電纜依次按照B相、C相、A相、B相、C相、A相的順序敷設，為了考慮電纜的通風散熱問題，在下層電纜敷設完成后，每間隔0.6 m安裝一個圓形環氧電纜支撐架，同時在下層電纜之間用與環氧電纜支撐架等厚的支撐板分隔[5]，最后用扎帶把下層電纜固定在支撐架上。上層電纜依次按照A相、B相、C相、A相、B相、C相順序敷設在下層2根電纜中間，每敷設1根電纜后用扎帶把電纜固定成品字形。36根勵磁陽極電纜按照圖3所示經3層橋架接至勵磁功率柜，每層橋架各布置12根電纜。

圖2 勵磁電纜品字型敷設示意圖

圖3 電纜橋架品字型敷設示意圖

2.3 勵磁陽極電纜穿層上送至功率柜敷設方式

按照圖4所示，勵磁陽極電纜從橋架上面分相引出，每個功率柜按A、B、C三相各取4根電纜上穿樓板接至功率柜三相接線銅排，在穿線路徑中注意使用環氧樹脂板進行綁扎固定。

圖4 勵磁電纜上穿樓板接至功率柜示意圖

2.4 運行情況

發電機組投運后，在額定勵磁電流穩定運行工況下，環境溫度25℃，使用紅外測溫儀分別對勵磁陽極電纜全路徑溫度進行測量，各部位勵磁陽極電纜溫度值均在40℃以內，如表1所示，溫升情況十分理想，渦流發熱現象得到了很好的消除，從而驗證了勵磁陽極電纜品字型敷設的方式對于電纜渦流發熱現象起到了很好的抑制效果。

表1 勵磁陽極電纜各部位溫度情況表 ℃

3 結 語

綜上所述，多根勵磁陽極電纜集中敷設極易產生電磁渦流發熱，為了更好地幫助相關從業人員分析和解決相關問題，我們結合水電站實際案例進行了分析，指出了電纜發熱的原因，并提出了消除交流電纜發熱的整改措施。在勵磁陽極電纜敷設路徑中應避免形成金屬環路或提前將金屬環路更換為非導磁材料；將電纜按品字型排列進行敷設，并盡量保證三相電纜軸心間距相等；為了電纜有更好的散熱空間，建議在電纜之間增加等距的絕緣隔片。