勵磁交流單芯電纜并聯運行溫度異常分析與處理

杜 豐，杜才明，彭家紅

（1.國網撫州供電公司，江西 撫州 344100；2.中國水利電力對外有限公司，北京 101100）

0 引言

電力系統利用電纜的大電流傳輸環節，受單根電纜容量限制和交流電流集膚效應影響，采用多根電纜并聯接線是提高單位載流量和輸送容量的有效措施。受彎曲半徑和纜排轉接等條件限制，通常不采用三相電纜并聯，而是采用多根單芯電纜。按敷設工藝要求，對于三相電路，應按ABC完整相序，每3根一組，以正三角型、或一字型排列，間隔布置。但工程實際施工中，受電纜敷設路徑的條件限制，或設計深度、重視程度不夠，將電纜隨意、無間距敷設引發的異常發熱問題比較普遍。由此被迫返工改造，不但造成人力、物力浪費，影響施工進度，甚至構成嚴重安全隱患，可能引發設備火災事故。文中通過某境外電站發電機勵磁變低壓側交流電纜異常發熱的查找處理，提出了具體的原因分析和施工方法，取得了立竿見影的效果，豐富了同類型問題分析處理的工程實例。

1 概述

蘇阿皮蒂電站位于“西非水塔”幾內亞孔庫雷河中游，為流域梯級開發中的第二級，距首都科納克里135 km，為“一帶一路”沿線國家能源重點工程，被譽為幾內亞的“三峽工程”。電站總裝機容量450 MW，四臺機組于2020年11月-2021年3月陸續投產發電。發電機勵磁采用機端勵磁變自并勵方式，勵磁變型號ZLDCB10-3×800/15.75/0.75，低壓側額定電壓0.75 kV、電流1 848 A。發電機額定勵磁電壓259 V、電流1 626 A，對應三相可控硅輸入端的交流電流為0.816×1 626=1 327 A。

勵磁變低壓側電纜設計每相由4根單相交聯聚乙烯電纜并聯接線，型號為YJV-185 mm2，三相共12根，允許極限最高運行溫度90℃。每根電纜計算載流量370 A，4×370 A=1 480 A＞1.1×1 327 A=1 460 A，設計計算考慮有一定的安全裕度。勵磁控制屏與勵磁變分別處于EL119.9-114.00 m相鄰的發電機層和出線層上下游。勵磁變采用下出線，低壓側電纜先下穿到水輪機層，再上穿到出線層、發電機層，三次穿過兩層樓面，平均長度約100 m。每臺勵磁變的12根電纜，水平段隨機布置于水輪機層一路電纜槽盒內；樓層間垂直段與其它動力、控制電纜一起，無間距、共3-4層緊密布置于一個電纜梯架內（如圖1所示）。

圖1 初始垂直梯架內電纜敷設情況

2 電纜過熱現象

2020年11月08日首臺機（1號機）正式并網發電，11月09日晚運維人員對電氣設備例行巡檢中，發現EL114.00 m出線層下游側垂直電纜梯架中部分電纜溫度很高，尼龍捆扎帶已融化開脫，手不能觸摸停留，紅外成像儀顯示溫度極不均勻，最低38℃，最高已達到91.40℃（如圖2所示）；全程檢測水平段電纜橋架槽盒內電纜，也是溫度極不均勻，最高約85℃。查計算機監控系統運行記錄，期間無功功率約為38-40 MVar，遠未達到額定值70 MVar。為防止電纜過熱損壞，立即采取了用軸流風機對垂直段吹風降溫的臨時措施。

圖2 紅外測溫儀顯示溫度

11月28日2號機進入72 h發電試運行，亦出現同樣的缺陷問題。顯然該發熱現象完全不正常，無法滿足機組在額定工況下的連續安全運行，需盡快查明原因予以消除。

3 原因排查分析

3.1 勵磁系統計算書復核

有關計算參數和電纜截面、根數選擇如前述，看似沒有問題。但其計算方法未考慮電纜橋架內多層多根、無間距敷設條件的校正系數，即校正系數直接取1。根據《電力工程電纜設計標準》（GB/T 50217—2018）附表D.0.5，僅單層、3倍外徑間距、3根并列敷設，校正系數最大才能取1。而本工程實際為電纜橋架（水平為托盤、垂直為梯架，這也是電力工程室內電纜敷設的基本方式），多部位為多層、多根、無間距敷設。特別是出線層的電纜豎井梯架，下游副廠房每臺機只有2路，原勵磁電纜敷設路徑只能跟其它動力、控制電纜一起，多層、多根、無間距，隨機緊密地布置于一個梯架內。上述規范中附表D.0.6電纜橋架上無間距配置多層并列電纜載流量的校正系數如表1。

表1 電纜橋架上無間距配置并列電纜載流量校正系數

顯然原電纜敷設路徑條件下，計算書校正系數應取0.50左右，即每根電纜實際安全載流量僅185 A，每相電纜根數應增加到9根。試運行期實際無功約為額定值的54～58%，若每根電纜的電流分配均勻，每相4根電纜也是能基本滿足該運行工況、敷設方式的，不至于溫升如此懸殊，部分電纜溫度超90℃。

3.2 電流、直阻不平衡檢測

為了檢測每根電纜的實際電流，將每相電纜分別按A1-A4、B1-B4、C1-C4進行編號，當1號機P=100 MW、Q=40 MVar，在勵磁屏交流進線柜下側用鉗型電流表分別測量，每一根電纜電流值如表2：

表2 1號機運行初期每根電纜的電流分布A

可見每相4根電纜的電流均出現了嚴重的不平衡，盡管發電機無功僅40 MVar，但單根電纜最大電流已超過500 A，遠超設計計算書中的370 A、梯架實際敷設條件下考慮修正系數的185 A。溫度最高的也正是電流最大、散熱條件最差的電纜。

每相4根電纜首尾并聯，電壓降完全相同，引起電流不平衡的原因是電纜的阻抗不平衡。低壓電路阻抗主要由直阻和電抗構成，直阻檢測方便，按照先易后難原則，首先查直阻。直阻由電纜本身的電阻、接線鼻子壓接和銅排的螺接接觸電阻三部分組成。電纜本身的電阻是主體（mΩ級），主要由電纜長度決定，已緊密布置基本相同，也無法調整。通過對壓接線鼻子灌錫、螺接銅排接觸面研磨清理并緊固處理，以及連接過渡部位用mV表測壓降，沒有效果也未發現異常，接觸電阻可忽略（μΩ級）。利用停電機會，解開2號機全部勵磁電纜，測量直阻（含兩端線鼻子壓接部位的接觸電阻），結果如表3。

表3 每根電纜的直阻

可見每相4根電纜的直阻平衡度非常好，不是影響電流不平衡的主要因素。

3.3 電抗不平衡分析

通過以上檢測分析可知，影響電纜電流不平衡的根本原因是電抗不平衡。并聯運行的多根電纜，其線路工頻參數的計算與典型矩陣排列方式、敷設間距大小等相關，比較復雜，已有電網研究機構的一些建模計算成果[1]。實際布置敷設情形復雜，計算測量比較困難。定性分析表明，當并列段達到一定長度、間距又小，還敷設在金屬槽盒內時，必然存在產生足夠影響的自感和互感電抗。每一根電纜中通過電流后，都會通過電磁感應在自身和其它電纜中產生感應電壓。多根電纜若隨意敷設，每根電纜的同相、異相互感電抗就不可能均衡。當感應電壓達到與直阻電壓降（本工程約300 A×6.1 mΩ=1.8 V）同數量級時，嚴重電流不平衡就顯現出來了。

4 改進方案

4.1 敷設路徑的改變

出線層下游側副廠房電纜豎井中，梯架通道內電纜非常集中，無法對12根電纜重新排序并保持間距，增加電纜總數到24根以上更不合理也不可行。勵磁變位于出線層上游副廠房，通過改下出線為上出線方式，經過出線層連接上下游副廠房的空閑電纜槽合、托臂能方便布線，并直接上穿直達勵磁屏下方進線端，完全避開豎井電纜梯架。路徑的重新選擇不但為重新排序和擴大間距提供了可能，而且使每根電纜長度縮短了約16 m，原電纜得以全部利用。

4.2 排序與敷設方式

從每相中各選出一根電纜，由ABC三相按正三角排序，以品字型斷面直接捆扎在一起，組成一個完整相序的獨立支路[2]。這樣布置，正常情況下三相交流電流空間上對稱，相位差120°，矢量和為0，不但支路內部電磁感應對稱，對相鄰支路的電磁感應也達到最小。各個并聯支路之間保持一定的間距，直接懸空敷設在橋架托臂上，進一步減少相鄰支路互感，也利于散熱和方便布置。實際敷設及布置方式見圖3、圖4。

圖3 橋架托臂間隔電纜布置

圖4 ABC正三角排序斷面圖

4.3 增加1根并聯支路

在備用電纜有一定富余，并且進出線銅排還有備用連接螺孔的情況下，為提高安全系數和過載能力，每相再增加1根電纜到5根，共構成5個3×185 mm2并聯支路。

5 效果檢測

該電站1、2號機投產發電出現勵磁交流電纜發熱問題后，因電網調度需要未能立即停機處理，先檢測分析后初步確定了改造方案。期間3、4號機仍在施工期，但已完成了原電纜敷設，按改造方案首先在3號機投產前完成了改造。2021年1月25日3號機正式投產發電，待溫升穩定后，1月26日采集了3號機與1、2號機的運行參數對比，詳見表4。從表中可以看出，在電氣運行參數相近的情況下，1、2號機每相4根電纜電流仍嚴重不平衡，均流系數（總電流/支路數×最大支路電流）只有0.57～0.65，在外加風扇強行冷卻條件下，最高溫度仍達到了68～70℃。而改造后的3號機每相5根電纜電流則已基本平衡，均流系數達到了0.93以上，自然冷卻下最高溫度只有35.1℃，取得了顯著的效果。

表4 改造后的3號機與改造前的1、2號機運行參數對比

6 結語

同相多根單芯電纜并聯接線，一般均運用在實際負荷率較高的大電流場合，初始設計計算一定要考慮現場的實際敷設條件，載流量需計算校正系數，并明確敷設工藝要求。敷設路徑的選擇是關鍵，每三相一組按正三角形、每組之間保持一定間距布置是基本原則。該電站在3號機取得改造成功的基礎上，接著陸續推廣到另外三臺機組及時完成了既定方案的改造。在機組的性能試驗過程中，即使在額定無功70 MVar，自然冷卻條件下，各并聯電纜均流系數均在0.9以上，最高溫度未超過60℃，取得了顯著效果，運行完全正常，確保了西非幾內亞區域主力發電站的運行安全，為保障電網穩定供電發揮了重要作用。