勵(lì)磁交流單芯電纜并聯(lián)運(yùn)行溫度異常分析與處理

杜 豐，杜才明，彭家紅

（1.國網(wǎng)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(tǒng)利用電纜的大電流傳輸環(huán)節(jié)，受單根電纜容量限制和交流電流集膚效應(yīng)影響，采用多根電纜并聯(lián)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(zhuǎn)接等條件限制，通常不采用三相電纜并聯(lián)，而是采用多根單芯電纜。按敷設(shè)工藝要求，對于三相電路，應(yīng)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(shí)際施工中，受電纜敷設(shè)路徑的條件限制，或設(shè)計(jì)深度、重視程度不夠，將電纜隨意、無間距敷設(shè)引發(fā)的異常發(fā)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(fèi)，影響施工進(jìn)度，甚至構(gòu)成嚴(yán)重安全隱患，可能引發(fā)設(shè)備火災(zāi)事故。文中通過某境外電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變低壓側(cè)交流電纜異常發(fā)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(shí)例。

1 概述

蘇阿皮蒂電站位于“西非水塔”幾內(nèi)亞孔庫雷河中游，為流域梯級開發(fā)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(diǎn)工程，被譽(yù)為幾內(nèi)亞的“三峽工程”。電站總裝機(jī)容量450 MW，四臺機(jī)組于2020年11月-2021年3月陸續(xù)投產(chǎn)發(fā)電。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁采用機(jī)端勵(lì)磁變自并勵(lì)方式，勵(lì)磁變型號ZLDCB10-3×800/15.75/0.75，低壓側(cè)額定電壓0.75 kV、電流1 848 A。發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓259 V、電流1 626 A，對應(yīng)三相可控硅輸入端的交流電流為0.816×1 626=1 327 A。

勵(lì)磁變低壓側(cè)電纜設(shè)計(jì)每相由4根單相交聯(lián)聚乙烯電纜并聯(lián)接線，型號為YJV-185 mm2，三相共12根，允許極限最高運(yùn)行溫度90℃。每根電纜計(jì)算載流量370 A，4×370 A=1 480 A＞1.1×1 327 A=1 460 A，設(shè)計(jì)計(jì)算考慮有一定的安全裕度。勵(lì)磁控制屏與勵(lì)磁變分別處于EL119.9-114.00 m相鄰的發(fā)電機(jī)層和出線層上下游。勵(lì)磁變采用下出線，低壓側(cè)電纜先下穿到水輪機(jī)層，再上穿到出線層、發(fā)電機(jī)層，三次穿過兩層樓面，平均長度約100 m。每臺勵(lì)磁變的12根電纜，水平段隨機(jī)布置于水輪機(jī)層一路電纜槽盒內(nèi)；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(gè)電纜梯架內(nèi)（如圖1所示）。

圖1 初始垂直梯架內(nèi)電纜敷設(shè)情況

2 電纜過熱現(xiàn)象

2020年11月08日首臺機(jī)（1號機(jī)）正式并網(wǎng)發(fā)電，11月09日晚運(yùn)維人員對電氣設(shè)備例行巡檢中，發(fā)現(xiàn)EL114.00 m出線層下游側(cè)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(dá)到91.40℃（如圖2所示）；全程檢測水平段電纜橋架槽盒內(nèi)電纜，也是溫度極不均勻，最高約85℃。查計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行記錄，期間無功功率約為38-40 MVar，遠(yuǎn)未達(dá)到額定值70 MVar。為防止電纜過熱損壞，立即采取了用軸流風(fēng)機(jī)對垂直段吹風(fēng)降溫的臨時(shí)措施。

圖2 紅外測溫儀顯示溫度

11月28日2號機(jī)進(jìn)入72 h發(fā)電試運(yùn)行，亦出現(xiàn)同樣的缺陷問題。顯然該發(fā)熱現(xiàn)象完全不正常，無法滿足機(jī)組在額定工況下的連續(xù)安全運(yùn)行，需盡快查明原因予以消除。

3 原因排查分析

3.1 勵(lì)磁系統(tǒng)計(jì)算書復(fù)核

有關(guān)計(jì)算參數(shù)和電纜截面、根數(shù)選擇如前述，看似沒有問題。但其計(jì)算方法未考慮電纜橋架內(nèi)多層多根、無間距敷設(shè)條件的校正系數(shù)，即校正系數(shù)直接取1。根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50217—2018）附表D.0.5，僅單層、3倍外徑間距、3根并列敷設(shè)，校正系數(shù)最大才能取1。而本工程實(shí)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(nèi)電纜敷設(shè)的基本方式），多部位為多層、多根、無間距敷設(shè)。特別是出線層的電纜豎井梯架，下游副廠房每臺機(jī)只有2路，原勵(lì)磁電纜敷設(shè)路徑只能跟其它動力、控制電纜一起，多層、多根、無間距，隨機(jī)緊密地布置于一個(gè)梯架內(nèi)。上述規(guī)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(shù)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(shù)

顯然原電纜敷設(shè)路徑條件下，計(jì)算書校正系數(shù)應(yīng)取0.50左右，即每根電纜實(shí)際安全載流量僅185 A，每相電纜根數(shù)應(yīng)增加到9根。試運(yùn)行期實(shí)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(yùn)行工況、敷設(shè)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(shí)際電流，將每相電纜分別按A1-A4、B1-B4、C1-C4進(jìn)行編號，當(dāng)1號機(jī)P=100 MW、Q=40 MVar，在勵(lì)磁屏交流進(jìn)線柜下側(cè)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(jī)運(yùn)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(xiàn)了嚴(yán)重的不平衡，盡管發(fā)電機(jī)無功僅40 MVar，但單根電纜最大電流已超過500 A，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)計(jì)算書中的370 A、梯架實(shí)際敷設(shè)條件下考慮修正系數(shù)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(lián)，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(gòu)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(diào)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(fā)現(xiàn)異常，接觸電阻可忽略（μΩ級）。利用停電機(jī)會，解開2號機(jī)全部勵(lì)磁電纜，測量直阻（含兩端線鼻子壓接部位的接觸電阻），結(jié)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(lián)運(yùn)行的多根電纜，其線路工頻參數(shù)的計(jì)算與典型矩陣排列方式、敷設(shè)間距大小等相關(guān)，比較復(fù)雜，已有電網(wǎng)研究機(jī)構(gòu)的一些建模計(jì)算成果[1]。實(shí)際布置敷設(shè)情形復(fù)雜，計(jì)算測量比較困難。定性分析表明，當(dāng)并列段達(dá)到一定長度、間距又小，還敷設(shè)在金屬槽盒內(nèi)時(shí)，必然存在產(chǎn)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(yīng)在自身和其它電纜中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。多根電纜若隨意敷設(shè)，每根電纜的同相、異相互感電抗就不可能均衡。當(dāng)感應(yīng)電壓達(dá)到與直阻電壓降（本工程約300 A×6.1 mΩ=1.8 V）同數(shù)量級時(shí)，嚴(yán)重電流不平衡就顯現(xiàn)出來了。

4 改進(jìn)方案

4.1 敷設(shè)路徑的改變

出線層下游側(cè)副廠房電纜豎井中，梯架通道內(nèi)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(shù)到24根以上更不合理也不可行。勵(lì)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(jīng)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(dá)勵(lì)磁屏下方進(jìn)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(kuò)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(shè)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(gè)完整相序的獨(dú)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(nèi)部電磁感應(yīng)對稱，對相鄰支路的電磁感應(yīng)也達(dá)到最小。各個(gè)并聯(lián)支路之間保持一定的間距，直接懸空敷設(shè)在橋架托臂上，進(jìn)一步減少相鄰支路互感，也利于散熱和方便布置。實(shí)際敷設(shè)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(lián)支路

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

5 效果檢測

該電站1、2號機(jī)投產(chǎn)發(fā)電出現(xiàn)勵(lì)磁交流電纜發(fā)熱問題后，因電網(wǎng)調(diào)度需要未能立即停機(jī)處理，先檢測分析后初步確定了改造方案。期間3、4號機(jī)仍在施工期，但已完成了原電纜敷設(shè)，按改造方案首先在3號機(jī)投產(chǎn)前完成了改造。2021年1月25日3號機(jī)正式投產(chǎn)發(fā)電，待溫升穩(wěn)定后，1月26日采集了3號機(jī)與1、2號機(jī)的運(yùn)行參數(shù)對比，詳見表4。從表中可以看出，在電氣運(yùn)行參數(shù)相近的情況下，1、2號機(jī)每相4根電纜電流仍嚴(yán)重不平衡，均流系數(shù)（總電流/支路數(shù)×最大支路電流）只有0.57～0.65，在外加風(fēng)扇強(qiáng)行冷卻條件下，最高溫度仍達(dá)到了68～70℃。而改造后的3號機(jī)每相5根電纜電流則已基本平衡，均流系數(shù)達(dá)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(jī)與改造前的1、2號機(jī)運(yùn)行參數(shù)對比

6 結(jié)語

同相多根單芯電纜并聯(lián)接線，一般均運(yùn)用在實(shí)際負(fù)荷率較高的大電流場合，初始設(shè)計(jì)計(jì)算一定要考慮現(xiàn)場的實(shí)際敷設(shè)條件，載流量需計(jì)算校正系數(shù)，并明確敷設(shè)工藝要求。敷設(shè)路徑的選擇是關(guān)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(jī)取得改造成功的基礎(chǔ)上，接著陸續(xù)推廣到另外三臺機(jī)組及時(shí)完成了既定方案的改造。在機(jī)組的性能試驗(yàn)過程中，即使在額定無功70 MVar，自然冷卻條件下，各并聯(lián)電纜均流系數(shù)均在0.9以上，最高溫度未超過60℃，取得了顯著效果，運(yùn)行完全正常，確保了西非幾內(nèi)亞區(qū)域主力發(fā)電站的運(yùn)行安全，為保障電網(wǎng)穩(wěn)定供電發(fā)揮了重要作用。