一起因敷设方式造成的电缆发热故障分析

摘要：电力电缆在工程建设和改造中大量使用，是供配电系统的重要组成部分。能否提高电力电缆设计施工质量，电缆的检修、新设、更换尤为重要。合理选择及设计电缆敷设方式是保障整个供电系统安全、可靠运行的重要因素之一。现针对某厂低压动力电缆经地下电缆排管敷设，在一段时间的高负荷运行状态下，该部分动力电缆发热受损的案例，分析了电缆受损原因，提出了解决方案。

关键词：电力电缆;地下排管;发热受损

0    引言

地下电缆排管敷设方式，大多情況下应用在需要承重较大的生产区域或城市功能区。该厂在某生产区域选择地下电缆排管敷设方式，也是考虑到远期检修作业时可能会经过重型吊车。排管设计平面图如图1所示。设计人员在论证当中的确满足了生产功能需要，却在满足电缆散热性要求方面未考虑详尽，最终导致部分动力电缆发热受损事故发生。

现场单侧设计实况如图2所示。

该管沟共分布120根排管，有少量预留管，其中动力电缆（3×185 mm2以上）有84根，是主要热源;同时，在装置区一侧的排管伸出端电缆沟内充满沙土。

排管口充沙情况如图3所示，这满足了《电力工程电缆设计规范》（GB 50217—2007）[1]5.2.5第4条“有防爆防火要求的电缆沟，应采用埋沙敷设”的规定，但却因为充沙，给地下排管的自然对流散热造成了更大阻碍，而该次事故的爆发点正是埋沙点。本文分析了发热原因，并根据相关分析及计算结果提出设计变更方案，最后进行了设计拓展分析。

1    原因分析

1.1    埋沙影响

在电缆因自身载流量发热及散热过程中，排管内空气应自然流通，但是设计因考虑防爆要求，将装置区侧的排管出口全部用沙土封盖，导致空气不能自然流通，热量全部集聚在地下排管当中。电缆埋沙后，电缆载流量受到沙土热阻系数的影响，而且热阻值随着沙中水分的迁移逐渐增大，所以，管口埋沙处电缆发热受损最为严重。在开挖沙土检查时发现，管口电缆处沙土存在水分迁移现象，其他区域的沙土中含水量相对较多，沙土中水分的迁移以故障点区域最为严重，即位于电缆敷设较密集部位及管口处，在电缆敷设最密集部位，越靠近故障侧水分迁移越厉害。因此，水分迁移更应该是结果，而不是电缆绝缘过热的主要原因。

1.2    电缆自身发热量

通过公式Q=ρ·I·I/A计算单根电缆发热量（W/m）。其中，ρ指铜的电导率，取0.02 Ω/mm2;I指电缆长期运行通过的最大电流，根据电缆发现故障时的电缆运行电流I约为200 A;A为电缆线径，该计算式中取排管当中截面最大的电缆，为3×300 mm2。根据计算取电缆每米发热量约30 W，该段排管单根电缆长度为65 m，即相当于一台约2 kW设备工作于地下管沟当中。同时120根排管集中布置，排管之间上下左右分布距离仅为5 cm，不同规格的电缆发热量交叉辐射，且顶管距离地表距离为0.8 m，不利于散热。通过热成像仪监测，排管中心温度最高，符合电缆温度场分布，即越靠近中心处电缆温度越高，边界温度较低。温度场分布如图4所示。

1.3    受涡流影响

设计人员在设计电缆排管基础时，排管四周表面配?12@200 mm×200 mm钢筋网片。钢筋网片分布如图5所示。

该钢筋网片属于导电材料，通常情况下钢筋混凝土排管中由于电缆三相电流对称，总和为零，故在钢筋结构上产生的磁场叠加后相互抵消，相对值较小。但实际运行工况并非如此，该区域地下排管当中有80根规格为3×300 mm2及3×240 mm2的电缆，其电流控制方式为可控硅两相调功。回路控制方式如图6所示。

采用该类过零触发晶闸管导通角的控制方式，在DCS输入较小调功信号的状态下，三相不平衡尤为严重。捕捉到某一时刻不平衡电流如表1所示，电流受导通角影响存在动态变化的过程。

越趋近于满负荷状态，三相电流不平衡度越小，即相当于导通角全开状态。根据该公司生产负荷需求，可控硅始终处于不完全导通状态，所以三相电流不平衡，就会在钢筋网片当中产生环流，造成电缆发热。该排管中同时存在大量三相电流平衡运行电缆，但考虑到电缆滴水效应，其长期效应也不可忽略。

总结以上三点原因，80根可控硅控制下的动力电缆受钢筋网片环流影响，是电缆排管内主要发热源;再加上其他电缆正常运行温度的滴水效应、交叉辐射，造成了热量集聚;而装置区侧管沟内充沙，造成内部空气不能流通，给电缆运行环境造成了更严重的影响，最终导致电缆长期工作于最大允许运行温度，造成内绝缘损坏，外绝缘碳化破损。

2    解决方案

故障发生前期，该厂运行人员采用氮气吹扫降温，事先做好措施避免发生氮气窒息事故。但电缆排管分布密集，管距较长，通风散热设施效果不佳，仅能作为临时辅助措施。若采用电缆沟敷设方式，则受制于周围运营环境及成本。所以，最终决定变更敷设方式，采用管廊桥架。

3    设计拓展分析

（1）依据国标《建筑电气工程施工质量验收规范》（GB 50303—2015）[2]15.1.1规定，为防止产生涡流效应，“三相或单相的交流单芯电缆，不得单独穿于管内”。而可控硅控制方式下运行的电缆，存在三相电流不平衡，类似于单芯电缆穿管运行。

（2）电缆排管敷设方式对散热要求较高，而防爆区域采用充沙的方式将管口封死，二者相互矛盾。

（3）采用GFRP筋代替钢筋，该类材料具有非磁性特点，且满足并优于钢筋的物化特性。

（4）地下电缆排管敷设方式要充分考虑管内稳态温度场分布，不能仅简单满足电缆的排布要求，否则会给电缆运行环境埋下隐患。

4    结语

目前电缆敷设方式的选择可以根据环境条件多样化，但在满足相关设计规范标准要求的前提下，还要考虑电缆温度场分布、排水、防爆防火及成本等因素，方可给电缆及各类生产单元提供可靠的运行环境，从而保障生产运营的正常进行。

[参考文献]

[1] 电力工程电缆设计规范：GB 50217—2007[S].

[2] 建筑电气工程施工质量验收规范：GB 50303—2015[S].

收稿日期：2020-08-03

作者简介：李海鹏（1989—），男，陕西榆林人，工程师，从事工厂供配电运维工作。