控制電纜截面選擇存在的問題及解決方案

杜繼臻，劉亞成，魏廣鴻，寧 志，崔志堅(jiān)，張二龍

（1.安徽安慶皖江發(fā)電有限公司，安徽省安慶市，246008；2.內(nèi)蒙古京海發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古烏海市，016000；3.安慶電網(wǎng)公司，安徽省安慶市，246000）

1 電流回路截面過小導(dǎo)致電流測(cè)量值失真

1.1 事故原因分析

某火電廠一期工程有A、B、C、D四臺(tái)工業(yè)水泵，自2005年投產(chǎn)以來，A、C工業(yè)水泵電機(jī)已先后4次發(fā)生口線（即電動(dòng)機(jī)接線盒處的繞組引出線）燒斷或電機(jī)燒損事件。解體檢查后發(fā)現(xiàn)均為長(zhǎng)期過熱所致，但程控站的電流歷史數(shù)據(jù)表明，2臺(tái)電機(jī)的正常運(yùn)行電流一直都小于額定電流。

為查明原因，利用鉗形電流表在開關(guān)柜后測(cè)量各臺(tái)電機(jī)運(yùn)行電流，并與程控站、就地控制箱上的電流顯示值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。工業(yè)水泵電機(jī)額定電流為164.3 A；正常情況下，2臺(tái)工業(yè)水泵同時(shí)運(yùn)行，由于A、C泵同接在水工I段母線，B、D泵同接在水工Ⅱ段母線，故只有表1中4種組合運(yùn)行方式。

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，A、C工業(yè)水泵的出口分別正對(duì)著1、2號(hào)工業(yè)水母管。雙泵運(yùn)行時(shí)，A、C泵的出口阻力小于B、D泵，其“搶水”能力強(qiáng)于B、D泵；A、C泵電機(jī)電流比B、D泵大，甚至頻頻過載，因而導(dǎo)致電機(jī)繞組或口線過熱。但操作員站的電流顯示值比實(shí)際電流小，運(yùn)行人員無法了解A、C泵電機(jī)的實(shí)際工況。現(xiàn)以A泵為例對(duì)其電流進(jìn)行分析。A水泵連接相關(guān)設(shè)備有：

表1 電流值比較Tab.Tab.1 1 Comparison of current values

（1）電流互感器（current transformer，CT）。型號(hào)為L(zhǎng)MZJ1-0.5，變比為300/5，容量為2.5 VA，計(jì)量準(zhǔn)確等級(jí)為1級(jí)。

（2）電流變送器。型號(hào)為FPA-A2-F1-P2-O3，內(nèi)阻RT=5 mΩ，計(jì)量準(zhǔn)確等級(jí)為0.2級(jí)。

（3）電流表。型號(hào)為SQ-48，內(nèi)阻RM=30 mΩ，計(jì)量準(zhǔn)確等級(jí)為2.5級(jí)。

（4）開關(guān)柜至就地控制箱電流回路電纜。型號(hào)為KVV22-0.5 4×2.5，長(zhǎng)200 m。

電纜直流電阻為

式中：L為電纜長(zhǎng)度，L=2×200 m；s為電纜截面積，s=2.5 mm2；γ為電導(dǎo)系數(shù)，對(duì)于銅芯電纜電導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)取57 m/（Ω·mm2）。則RL=2.8 Ω。

各連接端子處的接觸電阻RC取0.1 Ω，則電機(jī)電流回路總電阻為R=RL+RT+RM+RC=2.935 Ω。

A工業(yè)水泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，CT二次負(fù)荷的功率因數(shù)角為29°，若近似認(rèn)為CT的二次負(fù)載即為電阻負(fù)載，則CT容量S2e=I2max2R，最大二次電流I2max=√S2e/R=0.92A，對(duì)應(yīng)的最大一次電流I1max=55A。

由表1可知，正常運(yùn)行時(shí)各泵電流達(dá)到最大允許值的2倍左右，CT均已嚴(yán)重過載，且飽和程度隨一次負(fù)荷電流的增大而加深。這是導(dǎo)致各電機(jī)電流顯示值與實(shí)測(cè)值有較大差別的原因。要解決此問題需解決CT二次負(fù)載與其額定容量之間的不匹配問題。

1.2 解決方案

暫按運(yùn)行中出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流計(jì)算CT所需最小容量S2min，則S2min=22.7 VA。要求變比為300/5的CT具有如此大容量，制造上存在困難，故只能減小CT二次負(fù)載。CT二次阻抗中電纜阻抗占很大比例，減少CT二次負(fù)載需減少電纜阻抗。

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[8]，控制電纜截面積

式中：K1xzk為阻抗換算系數(shù)，即接線系數(shù)，對(duì)于工業(yè)水泵電動(dòng)機(jī)回路單相CT接單相負(fù)載的情況，應(yīng)取2；L為電纜長(zhǎng)度；Zxu為允許負(fù)荷，即對(duì)應(yīng)額定容量的負(fù)荷阻抗，若最大負(fù)荷電流為167 A，則二次電流為2.8 A，則Zxu=S2e/I2max2=0.32 Ω；Kcjzk為測(cè)量表計(jì)的接線系數(shù)，對(duì)于工業(yè)水泵電動(dòng)機(jī)回路單相負(fù)載的情況，應(yīng)取1；Zcj為表計(jì)阻抗，忽略電抗，則Zcj=RT+RM=0.035 Ω；Zc為接觸電阻，大小為0.05～0.1 Ω；γ為電導(dǎo)系數(shù)，銅取57 m/（Ω·mm2）。則s=50 mm2。

50 mm2控制電纜市場(chǎng)上沒有供應(yīng)，并且二次回路若使用如此大截面電纜，投資較大，同時(shí)也無法安裝接線。

按《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[9]，5 kW以上Ⅱ類負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的電流表在熱控屏或控制屏、動(dòng)力箱或控制箱上任選1處安裝即可。熱控屏或控制屏現(xiàn)已發(fā)展為L(zhǎng)CD，其電流顯示在LCD屏上。動(dòng)力箱或控制箱即就地控制箱，其上的電流表可以監(jiān)視就地啟動(dòng)設(shè)備，但從該廠運(yùn)行記錄可知，機(jī)組投運(yùn)以來從未在就地控制箱上啟動(dòng)過工業(yè)水泵，即使就地啟動(dòng)，也可通過手中對(duì)講機(jī)提醒遠(yuǎn)方監(jiān)盤人員關(guān)注電流變化情況。所以，可將就地控制箱上的電流表取消，相應(yīng)開關(guān)柜至就地控制箱電流回路的200 m電纜也可以取消。改進(jìn)后工業(yè)水泵電機(jī)電流回路總阻抗為Z=R=RT+RM+RC=0.135 Ω。此時(shí)，最大負(fù)荷時(shí)CT的二次負(fù)載功率為S2max=1.05 VA＜S2e。

因此，改進(jìn)后，正常運(yùn)行時(shí)CT不再飽和，運(yùn)行人員能夠監(jiān)視到各電機(jī)的實(shí)際電流，并據(jù)此可以作出截流調(diào)整，使各泵負(fù)荷分配平均，不會(huì)過載。

1.3 事故小結(jié)

（1）若在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行電纜截面的核算工作，不僅可以避免電機(jī)長(zhǎng)期過載，還可以節(jié)省電流表和電纜投資。

（2）電纜的阻抗在材質(zhì)一定情況下，由截面面積和長(zhǎng)度2個(gè)因素決定，所以減小阻抗時(shí)應(yīng)把2個(gè)因素結(jié)合起來考慮。

2 分合閘回路電纜截面過小導(dǎo)致循環(huán)水泵多次啟停不成功

2.1 事故原因分析

某發(fā)電公司一期工程為2×300 MW機(jī)組，投產(chǎn)后2年內(nèi)4臺(tái)循環(huán)水泵共發(fā)生5次啟停，沒有1次成功，再次或多次試啟后成功。

對(duì)分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）、電氣開關(guān)柜、DCS的DO卡件柜與開關(guān)柜之間電纜回路按順序進(jìn)行排查，并對(duì)4臺(tái)循泵開關(guān)采取預(yù)防性整改措施，使分合閘指令的每個(gè)端子并接2根電纜芯，即除1根ZRC–KVVP–0.5 7×1.5型7芯電纜外，分合指令還借用同通道的另1根電纜的1根備用芯?，F(xiàn)分別計(jì)算不并接和并接時(shí)的回路壓降。

（1）不并接時(shí)回路壓降。已知電纜單程長(zhǎng)600 m，截面積為1.5 mm2，分合閘線圈電阻R1=33 Ω，開關(guān)柜控制電源的額定電壓Ue=110 V。由式（1）知，分合閘回路電纜阻值為R2=14 Ω，分合閘回路壓降為U2=UeR2/（R1+R2）=32 V。

顯然，即使不計(jì)分合閘回路上端子排及各種大小繼電器接點(diǎn)的接觸電阻，循泵開關(guān)的分合閘線圈上最大電壓為U1=110 V-U2=78 V。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[10]可知，要實(shí)現(xiàn)可靠分閘，須保證線圈兩端電壓不低于65%Ue；要實(shí)現(xiàn)可靠合閘，須保證端電壓不低于80%Ue。而此時(shí)，U1/Ue=70.9%，則分閘線圈上的電壓接近于最高允許電壓，合閘線圈上的電壓低于最低允許電壓，再加上直流系統(tǒng)電壓波動(dòng)等因素，便會(huì)造成分合閘尤其合閘時(shí)不成功但未經(jīng)處理又恢復(fù)正常的現(xiàn)象。

（2）并接時(shí)回路壓降。2芯并作1芯后分合閘電纜電阻R2'=R2/2=7 Ω，U1'/Ue=82.7%。滿足開關(guān)的最低分合閘要求，因此在整改后1年內(nèi)未出現(xiàn)此類問題。

2.2 解決方案

采取以上措施后，按設(shè)計(jì)手冊(cè)[8]對(duì)控制及信號(hào)用控制電纜的允許長(zhǎng)度進(jìn)行校核。電纜長(zhǎng)度

式中：ΔUxu%為保證控制線圈正常工作的回路允許電壓降，取10%；Ue為直流額定電壓，取110 V；s為電纜芯截面，取2×1.5 mm2；γ為電導(dǎo)系數(shù)，銅取57 m/（Ω·mm2）；Iqmax為流過控制回路的最大電流，由于分合閘線圈的直阻均為33 Ω，故Iqmax=3.33A。則Lxu=282 m。

經(jīng)計(jì)算，電纜實(shí)際長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于允許長(zhǎng)度，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)規(guī)范要考慮設(shè)備在各種不利情況下均能正常運(yùn)行，所以設(shè)備選型時(shí)須保證一定的裕度。例如，在事故放電末期，直流母線電壓低到設(shè)計(jì)手冊(cè)[8]允許的下限值即85%Ue時(shí)，并線處理后分合閘線圈上最大電壓U1'=70.3%Ue，低于可靠合閘電壓。由式（2）可知，Smin=6.4 mm2，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)電纜截面積，只能取10 mm2。如此大截面的控制電纜費(fèi)用高，同時(shí)也無法在現(xiàn)有開關(guān)柜和DCS繼電器柜的端子上接線，因此，還需減小電纜長(zhǎng)度。

該公司循泵是離主廠房最遠(yuǎn)的輔機(jī)，為減少對(duì)其所屬設(shè)備如閥門、沖洗水泵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)等的控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)用計(jì)算機(jī)電纜長(zhǎng)度，為該公司在循泵房設(shè)置了DCS遠(yuǎn)程站。但從循泵房到電氣配電間的過長(zhǎng)電纜造成了啟停不可靠問題。DCS電子設(shè)備間與6 kV電氣配電間同在主廠房，若利用公用系統(tǒng)或單元機(jī)組數(shù)據(jù)處理單元（data processing unit，DPU）對(duì)循泵進(jìn)行控制，則電纜路徑僅長(zhǎng)100 m，在截面積1.5 mm2電纜的允許使用長(zhǎng)度之內(nèi)。現(xiàn)已建議該公司將4臺(tái)循泵的啟停命令改從公用系統(tǒng)DPU發(fā)出，這樣就必須在公用系統(tǒng)DPU與循泵房DPU間進(jìn)行開關(guān)量信號(hào)的互相引用（即在某個(gè)DPU邏輯組態(tài)中調(diào)用另一個(gè)DPU的輸入輸出數(shù)據(jù)），雖然這樣會(huì)影響系統(tǒng)獨(dú)立性，增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，但提高了整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的可靠性和機(jī)組運(yùn)行的安全性。

2.3 事故小結(jié)

必須嚴(yán)格按規(guī)程選擇、校驗(yàn)設(shè)備，還要加強(qiáng)專業(yè)間溝通協(xié)作，布置DCS（或程控）時(shí)應(yīng)考慮周圍電氣設(shè)備的要求。

3 結(jié)論

控制電纜在電力工程中造價(jià)所占比例不高，但若截面選擇不當(dāng)會(huì)帶來很多安全隱患。設(shè)計(jì)人員在布置或選擇設(shè)備時(shí)須考慮其所連接的電氣設(shè)備對(duì)二次回路阻抗的要求，對(duì)電纜截面進(jìn)行嚴(yán)格核算。現(xiàn)場(chǎng)解決控制電纜截面過小引起的問題時(shí)須綜合考慮長(zhǎng)度因素，可以采取縮短電纜長(zhǎng)度的方案，此方案不僅投入小，且實(shí)施簡(jiǎn)便。

[1]郭大營(yíng).電氣安裝時(shí)控制電纜頭的制作及二次接線方法[J].電力建設(shè)，2006，27（1）：12-14.

[2]鐘質(zhì)飛.大亞灣核電站LGC系統(tǒng)中壓電纜的問題及改進(jìn)[J].電力建設(shè)，2007，28（7）：54-56，59.

[3]姜 樸.超長(zhǎng)大截面電纜整體機(jī)械敷設(shè)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2008，29（5）：22-25.

[4]吉啟榮，吳建良，李 喜.電力電纜運(yùn)行過程中的熱機(jī)械性能變化[J].電力建設(shè)，2008，29（4）：46-47.

[5]王曉京，甘 羽.500 kV河姆變電站站用電纜火災(zāi)事故分析及改進(jìn)措施[J].電力建設(shè)，2009，30（3）：41-44.

[6]李 葦，盧 銘.特高壓變電站站用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].電力建設(shè)，2009，30（2）：25-27.

[7]張重仁.交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜的敷設(shè)[J].電力建設(shè)，2009，30（4）：107.

[8]水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1991.

[9]DL/T 5153—2002火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[10]DL/T 596—2005電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2005.