勵磁交流電纜異常過熱的處理措施

文長生 李波

摘 要：結合魯地拉水電站5#發電機運行中出現勵磁交流電纜異常過熱，絕緣層碳化的現象，分析了并聯勵磁交流電纜的電流分配，找出了電纜的敷設排列方式對電纜發熱的影響，提出了實施方案，成功解決了電纜的異常過熱問題。提出了可行的并聯大電流電纜的敷設方式，以供同行參考借鑒。

關鍵詞：勵磁交流電纜；過熱；電流分配；電纜敷設；排列方式

中圖分類號：TM247 文獻標志碼：A 文章編號：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

魯地拉水電站勵磁系統采用國電南瑞科技股份有限公司提供制造的NES-5100自并勵靜止可控硅勵磁系統。額定勵磁電流3116A，四面FLZ-3000大功率整流柜。勵磁變低壓側與勵磁功率柜采用同相多根單芯電纜連接，電纜型號ZR-YJVR-1×185-0.6/1kV，每相8根，共計24根，分2層無序敷設在U型電纜槽盒內。

在對#5發電機勵磁變至勵磁功率柜交流電纜進行溫度測量時，發現上層部分電纜運行溫度已超過100℃，嚴重威脅機組的安全運行。#5機停機后進行檢查，發現部分電纜絕緣層已出現燒焦、碳化現象。隨即對其他機組也進行了檢查，發現其他機組交流勵磁電纜也同樣存在不同程度的碳化現象。因此，必須找出造成電纜異常過熱的原因，提出快速有效的實施方案，以防止過熱碳化進一步惡化，造成勵磁交流電纜故障，造成機組強迫停運。

2 原因分析

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

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指時間，單位是秒（s）。

據焦耳定律，我們可以知道，電纜的過熱與電流、電阻、散熱有直接關系。對此我們開展了以下工作。

2.1 電流分配

在機組有功為298MW、無功52.1MVar保持不變的情況下，勵磁變相電流輸出為2160A，用鉗形電流表測得每根電纜的實際載流量如表1。由于電纜在U型槽盒內無序敷設，無法比對單根電纜的電流與溫度的關系，僅測得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，電熱效應高，U型槽盒散熱差，最終導致電纜異常過熱。是什么原因造成敷設在同一電纜槽盒內的同廠同型號等長等截面電纜的電流分配不平衡呢？

2.2 電纜發熱的原因

勵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。對于同廠同型號等長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系。

電纜在通過交流電時，每根電纜的磁通分為兩部分，即電芯內部產生自感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，實際應用中我們可認為電纜的電感：

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。兩根電纜間的距離越大，電纜之間的外感就越大，外感增大的結果是電纜的交流阻抗增大，在勵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，導致同相各根并聯電纜的阻抗值偏差，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，電纜中的交變電場產生交變磁場，交變磁場作用在U型槽盒金屬上產生感應渦流，且電纜疊壓在U型槽盒內散熱差。長時間的熱效應積累，電纜出現了劣化。

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在支架上，增加主動散熱風機。

由于電纜只要敷設完畢，阻抗參數就不會改變。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稱性，若電纜物理位置和相位對稱，即電纜排列的物理距離也對稱，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。對此，我們考慮了以下電纜排列敷設方案，如圖1。

方案3在電纜排列時，按相序交叉次序進行，電纜物理位置和相位對稱。適合現場空間，便于施工。為提高電纜散熱能力，并將槽盒改為梯架，設兩層梯架，每層梯架12根電纜，兩層梯架之間相隔250mm。

為此，我們在機組檢修時斷開功率柜及勵磁變副邊的連接頭，更換了損壞的電纜，并將每根電纜按相編號，按方案3將電纜呈“品”字型綁扎敷設排列在梯架上。

4 效果驗證

首先對5號機組按處理方案進行了方案實施，處理后在機組有功為186.4MW、無功30.4MVar保持不變的情況下，勵磁變相電流輸出為1880A，環境溫度為35℃時，用鉗形電流表測得每根電纜的實際載流量如表2，同相并聯電纜的電流分配均勻，每根電纜溫度與環境溫度接近，電纜異常發熱隱患得到消除，達到預期效果，處理方案有效，改造獲得成功。

5 結束語

電站成功解決了電纜的異常過熱問題，為機組的持續安全穩定運行夯實了基礎。在同相多根并聯大電流電纜敷設時，敷設方式對電纜阻抗值的影響較大，會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行，使電纜物理位置和相位保持對稱，這樣同相并聯電纜的電流分配才會均勻，電纜就能安全運行。

參考文獻：

[1]GB50217-2007.電力工程電纜設計規范[S].

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