无氧铜炉逆变装置并联电缆接地故障分析及改造

吴小渊

(铜陵金威铜业有限公司, 安徽 铜陵 244000)

电力节能

无氧铜炉逆变装置并联电缆接地故障分析及改造

吴小渊

(铜陵金威铜业有限公司, 安徽 铜陵 244000)

无氧铜炉逆变器的进线缆，每相采用5根单芯电缆并联， 运行中逆变器发生接地故障，其原因是电缆缠绕严重，导致各相并联联接的5根电缆之间电流严重不平衡，最大电流已超出其电缆的额定截流量。本文从多根电缆并联敷设的要求出发，提出了并联电缆之间邻近效应对阻抗的影响，找出来解决方案并进行改造。改造前后电流分配的平衡度对比表明，改造效果明显，满足了电缆长期安全运行要求。

电缆； 故障； 缠绕; 邻近效应; 交流阻抗; 电流平衡

0 前言

公司引进了德国INDUGA 32T回转式有芯炉生产无氧铜铸锭，其感应器额定功率2×1 200 kW，电源采用ABB 55 Hz/12脉冲逆变器，额定功率2 400 kW。整流变压器向逆变器提供6相工频电源，利用交- 直- 交变频原理，DCU控制单元控制逆变器输出单相55 Hz交流电，分别向两只感应器供电。整流变压器、逆变器及电容器架均放置在炉台下面的不同电控室内，内部管道错综复杂，整流变压器与逆变器之间距离约30 m，采用电缆连接，每相用5根YJV240 mm2电缆并联，采用桥架敷设方式，6相30根电缆全部放置在一个电缆桥架中。逆变器配备了绝缘检测装置，能够实时监视主回路绝缘电阻，并在临近接地时发出故障报警信号，迅速切断整流变压器电源以保护逆变装置免受损坏。主电源系统如图1所示。

图1 无氧铜炉主电源系统图

1 故障

1.1 故障现象

某日，点检人员例行检查时发现绝缘检测装置上的绝缘值与昨日偏差较大，由通常的10 kΩ以上降为5 kΩ，遂停机检查了逆变器及感应器，未发现异常，由于生产任务紧，于是继续使用。之后绝缘值逐日递减，直至某天系统高功率运行中突然出现接地故障报警，逆变器跳闸，于是将感应器接入应急电源后展开彻底检查。

1.2 故障检查及初步处理

按照分级排查的原则，首先检查负载侧。将逆变器输出侧隔离开关断开，检查感应器、电容器及水冷电缆回路，发现其绝缘值都在正常范围内。接下来检查逆变器，测量其出口铜排绝缘值仅为0.5 kΩ，说明问题在逆变器侧及以上。继续断开逆变器与整流变压器之间的连接电缆，再次检查绝缘值为30 kΩ，逆变器问题被排除。在断开点处检查逆变器进线电缆及整流变压器绝缘值仅为0.5 kΩ，继而将整流变压器的二次侧联接螺栓拆除后检查电缆，结果发现Y侧B相有一根并联的连接电缆接地。沿电缆查找最终发现故障点位于变压器室外上方电缆桥架的一横档处。该单芯电缆的绝缘皮陷入了横档胫板中，并且温度烫手，周围电缆表皮也不同程度软化，对此处绝缘处理后重新连接，绝缘值恢复了正常。通电继续生产后，用钳形电流表分别测量每根电缆电流，发现6相中每根并联电缆的电流严重不平衡，测量结果见表1。经查单芯YJV240 mm2电缆额定载流量 625 A，运行功率为1 800 kW时B1相V号电缆电流已达到767 A，因此导致该电缆绝缘皮过热而损坏。

表1 改造前各相并联电缆电流测量值

2 故障原因分析

从表1中Y侧B1电流相电缆数据可以看出，电流不平衡系数达524%。

不平衡系数

K=(Imax-Imin)/Imin×100%

(1)

5根截面积和长度一致的单芯电缆并联使用时，即使每根电缆的直流电阻和接触电阻有细微差别，在其两端电位差相等的情况下，电流不会相差如此之大，其根本原因是交流电阻相差较大。经现场检查，六相电源30根单芯电缆在同一电缆桥架中敷设，当桥架经过另一台熔化炉变压器室上方时，又有30根相同类型电缆叠放其上，所以桥架内的电缆排列极为混乱。

导体最高工作温度下单位长度的交流电阻计算公式为：

R=R′×(1+ys+yp)

(2)

式中：R——最高工作温度下导体的交流电阻，Ω/m;

R′——最高工作温度下导体的直流电阻，Ω/m;

ys——集肤效应因数;

yp——邻近效应因数。

由于通电导体存在集肤效应和邻近效应，因此它们是影响交流电阻的重要因素。 其中，集肤效应与频率相关，电缆连接在相同电源的场合下，集肤效应因数基本一致。排除了集肤效应造成电流分配不平衡的可能。邻近效应与相邻电缆电流的相位和距离关系密切。由于现场桥架中叠放不同电缆太多，无论是相位还是距离都无法确定其合理性，因此会造成每根电缆的邻近效应差异很大，最终导致了各电缆交流电阻的差异，由此导致电流分配不均衡。

3 改造方案

樊友兵等人提出并联电缆不同排列方式会导致电流分配系数较大差异。[1]以下列出的几种排列方案，电缆间交流电阻差异较小，能够减小电缆并联使用时的电流分配差异。方案以3根电缆并联为例，详细列出了其电流分配系数，参见图2和表2。

4 方案实施

每根电缆间的电流分配系数相差如此之大，无法保证电缆长期安全运行，必须进行改造。比较表2中的3种排列方案， b方案效果最佳，稍作调整后易于施工，因此选择了b方案。该方案实施过程如下：

图2 同相3根电缆并联运行的排列方式

表2 不同排列方案的电流分配系数

注：电流分配系数ik=I/In，其中In=(I1+…+In)/n

(1)为避免不同炉组电缆之间相互电磁干扰，两套炉组分开敷设。

(2)将整流变压器D侧电缆与Y侧电缆分桥架单独敷设。

(3)考虑到现场的场地有限，对b方案进行了优化，更有利于施工。现场实际排列方式如图3所示。

图3 改造后30根YJV1×240 mm2电缆分两个桥架的排列方式

5 改造效果

施工严格按照方案对电缆进行排列，每隔500 mm对电缆进行捆绑，使之排列整齐。

改造完成后，通电大功率运行，从测得电流数据显示(表3)各相并联电缆的不平衡系数大幅降低，由之前最高相524%全部降至28%以内，达到了预期改造效果。

表3 改造后各相并联电缆电流测量值

6 结束语

总结本起电缆接地故障案例可知，在涉及并联电缆敷设工程时，一定要遵循科学排列方式，避免随意敷设带来的危害，这对施工和运行尤为重要。

[1] 樊友兵，赵健康，钱康,等. 单芯电力电缆同相多根并联运行方式分析与优化[J]. 电网安全与运行，2010，36(10)：2610-2611.

[2] 柴进爱，梁永春，李彦明. 三相电缆并联导体间电流分布的研究[J]. 电力设备，2007，8(9):16-18.

[3] 马国栋. 电线电缆载流量[M].北京：中国电力出版社，2003：44-45.

Analysis and Modification for Oxygen-free Copper Furnace of Inverter Device Parallel Cable Grounding Fault

WU Xiao-yuan

The feed cable of oxygen-free copper furnace of inverter device employed five parallel single-core cables for each phase, ground fault occurs in the inverter running. The reasons are cable winding seriously which lead to current imbalance among five parallel single-cor cables for each phase.Based on the demand of many parallel laying cables, this paper points out the proximity effect influence on the impedance between parallel cables, and finds the solution. The current balance compared before and after the modification indicates that the problems are improved and it achieves the desired effect which satisfies the requirements of long-term safe operations of the cable.

cable; fault; winding; proximity effect; AC impedance; current balance

2014-10-23

吴小渊(1972—)，男，安徽铜陵人，大学本科，电气工程师，长期从事铜加工设备的电气技术工作。

TM757

B

1008-5122(2015)02-0037-03