励磁交流单芯电缆并联运行温度异常分析与处理

杜 丰，杜才明，彭家红

（1.国网抚州供电公司，江西 抚州 344100；2.中国水利电力对外有限公司，北京 101100）

0 引言

电力系统利用电缆的大电流传输环节，受单根电缆容量限制和交流电流集肤效应影响，采用多根电缆并联接线是提高单位载流量和输送容量的有效措施。受弯曲半径和缆排转接等条件限制，通常不采用三相电缆并联，而是采用多根单芯电缆。按敷设工艺要求，对于三相电路，应按ABC完整相序，每3根一组，以正三角型、或一字型排列，间隔布置。但工程实际施工中，受电缆敷设路径的条件限制，或设计深度、重视程度不够，将电缆随意、无间距敷设引发的异常发热问题比较普遍。由此被迫返工改造，不但造成人力、物力浪费，影响施工进度，甚至构成严重安全隐患，可能引发设备火灾事故。文中通过某境外电站发电机励磁变低压侧交流电缆异常发热的查找处理，提出了具体的原因分析和施工方法，取得了立竿见影的效果，丰富了同类型问题分析处理的工程实例。

1 概述

苏阿皮蒂电站位于“西非水塔”几内亚孔库雷河中游，为流域梯级开发中的第二级，距首都科纳克里135 km，为“一带一路”沿线国家能源重点工程，被誉为几内亚的“三峡工程”。电站总装机容量450 MW，四台机组于2020年11月-2021年3月陆续投产发电。发电机励磁采用机端励磁变自并励方式，励磁变型号ZLDCB10-3×800/15.75/0.75，低压侧额定电压0.75 kV、电流1 848 A。发电机额定励磁电压259 V、电流1 626 A，对应三相可控硅输入端的交流电流为0.816×1 626=1 327 A。

励磁变低压侧电缆设计每相由4根单相交联聚乙烯电缆并联接线，型号为YJV-185 mm2，三相共12根，允许极限最高运行温度90℃。每根电缆计算载流量370 A，4×370 A=1 480 A＞1.1×1 327 A=1 460 A，设计计算考虑有一定的安全裕度。励磁控制屏与励磁变分别处于EL119.9-114.00 m相邻的发电机层和出线层上下游。励磁变采用下出线，低压侧电缆先下穿到水轮机层，再上穿到出线层、发电机层，三次穿过两层楼面，平均长度约100 m。每台励磁变的12根电缆，水平段随机布置于水轮机层一路电缆槽盒内；楼层间垂直段与其它动力、控制电缆一起，无间距、共3-4层紧密布置于一个电缆梯架内（如图1所示）。

图1 初始垂直梯架内电缆敷设情况

2 电缆过热现象

2020年11月08日首台机（1号机）正式并网发电，11月09日晚运维人员对电气设备例行巡检中，发现EL114.00 m出线层下游侧垂直电缆梯架中部分电缆温度很高，尼龙捆扎带已融化开脱，手不能触摸停留，红外成像仪显示温度极不均匀，最低38℃，最高已达到91.40℃（如图2所示）；全程检测水平段电缆桥架槽盒内电缆，也是温度极不均匀，最高约85℃。查计算机监控系统运行记录，期间无功功率约为38-40 MVar，远未达到额定值70 MVar。为防止电缆过热损坏，立即采取了用轴流风机对垂直段吹风降温的临时措施。

图2 红外测温仪显示温度

11月28日2号机进入72 h发电试运行，亦出现同样的缺陷问题。显然该发热现象完全不正常，无法满足机组在额定工况下的连续安全运行，需尽快查明原因予以消除。

3 原因排查分析

3.1 励磁系统计算书复核

有关计算参数和电缆截面、根数选择如前述，看似没有问题。但其计算方法未考虑电缆桥架内多层多根、无间距敷设条件的校正系数，即校正系数直接取1。根据《电力工程电缆设计标准》（GB/T 50217—2018）附表D.0.5，仅单层、3倍外径间距、3根并列敷设，校正系数最大才能取1。而本工程实际为电缆桥架（水平为托盘、垂直为梯架，这也是电力工程室内电缆敷设的基本方式），多部位为多层、多根、无间距敷设。特别是出线层的电缆竖井梯架，下游副厂房每台机只有2路，原励磁电缆敷设路径只能跟其它动力、控制电缆一起，多层、多根、无间距，随机紧密地布置于一个梯架内。上述规范中附表D.0.6电缆桥架上无间距配置多层并列电缆载流量的校正系数如表1。

表1 电缆桥架上无间距配置并列电缆载流量校正系数

显然原电缆敷设路径条件下，计算书校正系数应取0.50左右，即每根电缆实际安全载流量仅185 A，每相电缆根数应增加到9根。试运行期实际无功约为额定值的54～58%，若每根电缆的电流分配均匀，每相4根电缆也是能基本满足该运行工况、敷设方式的，不至于温升如此悬殊，部分电缆温度超90℃。

3.2 电流、直阻不平衡检测

为了检测每根电缆的实际电流，将每相电缆分别按A1-A4、B1-B4、C1-C4进行编号，当1号机P=100 MW、Q=40 MVar，在励磁屏交流进线柜下侧用钳型电流表分别测量，每一根电缆电流值如表2：

表2 1号机运行初期每根电缆的电流分布A

可见每相4根电缆的电流均出现了严重的不平衡，尽管发电机无功仅40 MVar，但单根电缆最大电流已超过500 A，远超设计计算书中的370 A、梯架实际敷设条件下考虑修正系数的185 A。温度最高的也正是电流最大、散热条件最差的电缆。

每相4根电缆首尾并联，电压降完全相同，引起电流不平衡的原因是电缆的阻抗不平衡。低压电路阻抗主要由直阻和电抗构成，直阻检测方便，按照先易后难原则，首先查直阻。直阻由电缆本身的电阻、接线鼻子压接和铜排的螺接接触电阻三部分组成。电缆本身的电阻是主体（mΩ级），主要由电缆长度决定，已紧密布置基本相同，也无法调整。通过对压接线鼻子灌锡、螺接铜排接触面研磨清理并紧固处理，以及连接过渡部位用mV表测压降，没有效果也未发现异常，接触电阻可忽略（μΩ级）。利用停电机会，解开2号机全部励磁电缆，测量直阻（含两端线鼻子压接部位的接触电阻），结果如表3。

表3 每根电缆的直阻

可见每相4根电缆的直阻平衡度非常好，不是影响电流不平衡的主要因素。

3.3 电抗不平衡分析

通过以上检测分析可知，影响电缆电流不平衡的根本原因是电抗不平衡。并联运行的多根电缆，其线路工频参数的计算与典型矩阵排列方式、敷设间距大小等相关，比较复杂，已有电网研究机构的一些建模计算成果[1]。实际布置敷设情形复杂，计算测量比较困难。定性分析表明，当并列段达到一定长度、间距又小，还敷设在金属槽盒内时，必然存在产生足够影响的自感和互感电抗。每一根电缆中通过电流后，都会通过电磁感应在自身和其它电缆中产生感应电压。多根电缆若随意敷设，每根电缆的同相、异相互感电抗就不可能均衡。当感应电压达到与直阻电压降（本工程约300 A×6.1 mΩ=1.8 V）同数量级时，严重电流不平衡就显现出来了。

4 改进方案

4.1 敷设路径的改变

出线层下游侧副厂房电缆竖井中，梯架通道内电缆非常集中，无法对12根电缆重新排序并保持间距，增加电缆总数到24根以上更不合理也不可行。励磁变位于出线层上游副厂房，通过改下出线为上出线方式，经过出线层连接上下游副厂房的空闲电缆槽合、托臂能方便布线，并直接上穿直达励磁屏下方进线端，完全避开竖井电缆梯架。路径的重新选择不但为重新排序和扩大间距提供了可能，而且使每根电缆长度缩短了约16 m，原电缆得以全部利用。

4.2 排序与敷设方式

从每相中各选出一根电缆，由ABC三相按正三角排序，以品字型断面直接捆扎在一起，组成一个完整相序的独立支路[2]。这样布置，正常情况下三相交流电流空间上对称，相位差120°，矢量和为0，不但支路内部电磁感应对称，对相邻支路的电磁感应也达到最小。各个并联支路之间保持一定的间距，直接悬空敷设在桥架托臂上，进一步减少相邻支路互感，也利于散热和方便布置。实际敷设及布置方式见图3、图4。

图3 桥架托臂间隔电缆布置

图4 ABC正三角排序断面图

4.3 增加1根并联支路

在备用电缆有一定富余，并且进出线铜排还有备用连接螺孔的情况下，为提高安全系数和过载能力，每相再增加1根电缆到5根，共构成5个3×185 mm2并联支路。

5 效果检测

该电站1、2号机投产发电出现励磁交流电缆发热问题后，因电网调度需要未能立即停机处理，先检测分析后初步确定了改造方案。期间3、4号机仍在施工期，但已完成了原电缆敷设，按改造方案首先在3号机投产前完成了改造。2021年1月25日3号机正式投产发电，待温升稳定后，1月26日采集了3号机与1、2号机的运行参数对比，详见表4。从表中可以看出，在电气运行参数相近的情况下，1、2号机每相4根电缆电流仍严重不平衡，均流系数（总电流/支路数×最大支路电流）只有0.57～0.65，在外加风扇强行冷却条件下，最高温度仍达到了68～70℃。而改造后的3号机每相5根电缆电流则已基本平衡，均流系数达到了0.93以上，自然冷却下最高温度只有35.1℃，取得了显著的效果。

表4 改造后的3号机与改造前的1、2号机运行参数对比

6 结语

同相多根单芯电缆并联接线，一般均运用在实际负荷率较高的大电流场合，初始设计计算一定要考虑现场的实际敷设条件，载流量需计算校正系数，并明确敷设工艺要求。敷设路径的选择是关键，每三相一组按正三角形、每组之间保持一定间距布置是基本原则。该电站在3号机取得改造成功的基础上，接着陆续推广到另外三台机组及时完成了既定方案的改造。在机组的性能试验过程中，即使在额定无功70 MVar，自然冷却条件下，各并联电缆均流系数均在0.9以上，最高温度未超过60℃，取得了显著效果，运行完全正常，确保了西非几内亚区域主力发电站的运行安全，为保障电网稳定供电发挥了重要作用。