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电缆正确的布置方式研究分析

2020-11-18 143 上传者：管理员

摘要：电缆布置方式的规范性对电缆运行可靠性和寿命产生巨大影响。特别在大电流多根单芯并联电缆中，不同的布置方式对电缆感抗、并联回路电流分配的均匀性、电缆金属铠装的感应电压以及电缆金属支架的涡流都有一定程度的作用。文章通过对一起因电缆敷设问题造成电缆绝缘受损接地的事故分析，提出临时弥补措施，阐述了电缆正确的布置方式。

关键词：
单芯并联电缆
涡流
电流分配
电缆
电缆敷设方式
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工业发展和居民生活提高，用电负荷和用电密度逐渐增大，发电、供电容量需求越来越大。单芯并联运行方式越来越多的被使用。单芯并联运行方式可以提高线路容量，增强输电能力，相比于三芯电缆，具有较强的散热能力，可以使用较小的截面积。相比母排，敷设更方便，可以降低建筑占用空间，提高经济效益。在10～35kV输电线路中，单芯并联方式已较为普遍，因敷设方式缺乏认识而产生的问题也随之增多。

多回路并联电缆错误的敷设方式，会导致并联回路各电缆上的电流分配不均匀，某些支路超负荷运行，造成电缆绝缘不同程度老化，寿命差异化。错误的敷设也可能在金属护套上产生较高的感应电压，金属电缆支架中产生涡流效应，造成发热击穿事故。因此从改善电缆布置敷设方式，提高输电容量，在保障输电可靠性上具有很重要的作用。

1、电缆故障原因分析

1.1 事故现象

2016年某公司#2发电机组发生主变低压侧接单相地保护动作，机组跳闸发电机解列，检查故障录波器电压曲线，判断电缆C相发生单相接地。通过加压寻找低压侧C相接地点，发现击穿处为电缆与支架接触位置，击穿处电缆外护套有严重过热碳化现象。在对整条线路排查过程中，发现多处电缆外护套被高温烧损碳化。随后对运行中的#1、#3发电机组电缆进行红外测温检查，发现电缆支架普遍出现高温，普遍达到60℃-70℃，最高达到80℃以上，并且支架具有很强的磁性，部分电缆温度高出其它电缆。部分支架温度如表1所示。

表1部分取样支架温度

图1电缆支架安装结构图

图2电缆敷设方式图

表2采取措施后的支架温度

1.2 采取的措施

电缆型号为ZRC-YJV-8.7/151*300的单芯电缆；#2机主变低压侧为18根，每相6根每根长度约100米，机组额定电流为2128A，电缆铺设方式为A、B、C分相平铺。电缆沟为650*1000(W*H），电缆支架安装图如图1所示。

现场电缆铺设方式如图2所示。

可以看出造成电缆外护套损坏击穿的原因为：（1）电缆敷设方式错误。单芯电缆周围会产生磁场，单芯多回路并联电缆如果按照ABC三相品字形对称排列，综合磁场可以互相抵消。这里单相单列平铺无法抵消磁场，而且可能会加强。（2）电缆支架采用铁磁材料。因敷设方式错误产生的感应磁场可以在铁磁材料中产生涡流。置于变化磁场中的铁磁材料内部将产生感应电流，这种电流以磁通的轴线为中心的涡流，将使角钢支架产生热损耗发热。过高的温度因电缆的密集排列无法散发，导致电缆损坏。

因电缆支架上下层之间空间小，无法满足品字形敷设需求，也难以短时间内通过技改彻底更换解决电缆问题。采取的措施为：

(1）移除电缆沟盖板，改在电缆沟上部安装可拆装的两侧通风的防雨不锈钢顶棚，增强电缆沟总体的通风散热能力，同时做到防雨水日晒对电缆外护套的损坏。同时在电缆沟表面铺设铁丝网状板，可防止小动物及其他物体进入电缆沟内部。

(2）在电缆支架外套入环氧树脂管，耐热等级F级[1](155℃）。环氧树脂管将电缆与支架隔离，大大降低了电缆外护套接触温度。管的弧形内壁使得支架扁钢表面留出弧形空间，空气可在环氧树脂管内部流通，增强了支架本身的散热能力，也降低了环氧树脂管表面温度。支架的感应电流大小和电缆距离有关，距离越远感应电流越大，通过弧形管增加他们之间的距离，从而降低支架内的涡流，热损耗发热也相应降低。

(3）在环氧树脂管和电缆之间垫入绝缘橡胶。绝缘橡胶具有一定隔热能力，再次降低了电缆与环氧树脂管接触时表面的温度。电缆放置在环氧树脂管硬性的弧形表面，也会使电缆受力面有所降低而造成一定的损坏。绝缘橡胶可以充当很好的缓冲面，减少电缆所受应力。

采取以上措施后电缆运行环境得到了很大的改善，电缆表面没再出现碳化受损现象，通风散热能力大大加强，电缆支架温度也有所降低。采取措施后电缆支架温度如表2所示。

2、单芯多回路并联线路错误布置的影响

2.1 电流分配不均匀

同相单芯多回路并联回路电缆电流受电缆阻抗影响，其大小与其阻抗Z=R+jX成反比[2]。

(1）电阻R的影响为电缆内阻及接线产生的接触电阻。采用型号同厂家的电缆，材料几乎相同，电缆制造产生的差异非常小，其电缆内阻基本相同。在电缆安装工艺达到要求时候，其接触电阻的影响也很小，因接头差异产生的电阻也可以忽略不计。所以相同长度的电缆，其交流电阻值基本相等，它的阻抗差异基本不受电阻R的影响。

(2）电抗X=2πfL。其中单位长度电缆的电感为L=Li+Le。Li为电缆内感，对于相同材料，结构相同的电缆其内感是一样的。Le为电缆互感，同一水平面上同相电缆并联排列时，其计算可以近似认为是

S为导体轴间距离，Dc为电缆外径。容易看出电缆电感的大小取决于电缆之间的排列方式，因为电缆外径Dc对同型号电缆是相同的，能影响Le大小的只有轴间距离S。同相多回路并联回路电缆并列排列时，每根电缆同其它电缆间轴间距离不相等，故而造成电缆的互感Le各不相同。

不同的电缆间距使得不同电缆的电抗X=2πf(Li+Le）产生差异，最终使电抗Z产生差异，内感互感的作用使得三相阻抗不相等，影响到同向各并联电缆电流，导致各回路电流不均衡。以下表3为上述事故电缆各相电流，其差异很大，也很好的阐述这个现象。

表3各回路电流

不均衡的载流量可导致部分电缆超负荷运行，不同电缆寿命差异化，出现不同程度的老化，甚至会使电缆造成击穿。

2.2 产生涡流效应

交变电场会产生磁场，三相交流电每相电流平衡时，各相电流矢量和为零，所产生的磁场的矢量和为零。在单芯多回路并联水平敷设时，出现各相电流矢量和的不平衡，就会产生感应电磁场。电缆间的电流量差别越大，感应电磁场也越强，感应电磁场能在铁磁材料中产生涡流[3]。

大多数电缆桥架敷设时，使用的材料多为铁材质，构成了磁路的载体，桥架就会在交变磁场作用下出现涡流；特别对于桥架两端有扁铁条跨接或用盖板封闭，以及封闭的电缆金属护套中，磁通沿铁质桥架构成闭合回路，磁路中的磁阻非常小，磁通密度的增大导致涡流变大。单芯电缆穿金属护套敷设与封闭桥架相同，涡流效应使金属护套发热、桥架发热，高温下容易烧毁电缆。在《建筑电气工程施工质量验收规范》的15.1.1条中，明确规定了“三相电缆中的交流单芯电缆，不可以单独穿于钢管，三相电缆必须一同穿过钢管”就是为了防止涡流的危害。

2.3 其他危害

错误敷设的单芯多回路并联电缆周围产生强大磁场，对于在同一电缆沟或电缆桥架内同时敷设了控制电缆时，其强大磁场对低电流控制电缆电流信号造成一定的影响。几乎所有控制电缆都会使用屏蔽层，且避免交叉敷设，能很大程度上降低影响。

单芯电缆并联使用过程中，错误的敷设方式会影响电缆载流量[4]，其实际载流量不一定能够满足负荷的需要，可能会出现过载现象。当6根电缆无间隙的水平并列敷设后其载流量只能达到理论载流量的60%左右，很可能造成电缆在通电过程中处于满负荷运行状态，造成电缆发热现象。造成电缆运行中出现严重发热。电缆敷设的密集程度影响着电缆的载流量，密集程度越高，载流量越低；在电缆沟中增设强制对流通风设备将有利于提高电缆的载流量[5]。

3、解决方法

从上面的分析可以得出，影响电缆阻抗大小的是电缆间距离，电缆的排列方式对电流分布以及感应电压的影响较大，通过适当的优化排列方式，敷设过程中使并联布置的电缆互相之间的距离基本相等，从而可以避免因电缆间距不相等导致的同相并联电缆的电流不均衡，能够有效降低电缆线路感应电压。

实际应用中电缆的典型敷设方式有三相交叉水平排列、三相独立水平排列、三相垂直排列、品字型水平排列和品字型垂直排列等，不同的排列方式对不平衡度也有较大影响[6]。对于单芯多回并联电缆线路，“品”字形排列方式的对称性比其它排列方式明显要好如图3，图4所示，品字形排列各相之间的距离相等，三根电缆互相对称，互感基本相等，能明显降低各回路电缆之间阻抗的差异，从而使得同相并联电缆电流分布更均衡。品字形排列中又以“品”字形垂直排列的对称性为最好；非“品”字形排列方式中，三相独立水平排列优于三相垂直排列，三相交叉水平排列对称性最差。

图3品字形水平排列

图4品字形垂直排列

同时按ABC品字形排列各相对称，交流电矢量和几乎为0，电缆的综合磁场互相抵消，减少金属铠装带及支架的涡流，防止电缆支架或封闭金属管或护套发热，减少对电缆的损伤，增加电缆运行寿命。降低磁场强度也能减少对外的电磁干扰。

4、结论

本文从一起因单芯多回路并联电缆因单相水平敷设，造成电缆单相接地故障出发。阐述了这种错误敷设方式可产生各回路电流不均衡、电缆支架及金属外护套产生涡流等影响，影响电缆寿命和输电线路的安全稳定运行。并说明了品字形敷设方式的重要作用，可以解决上述错误敷设方式造成的影响。

参考文献：

[1]童汉清,陈达明,王勐,等.烷基烷氧基硅烷改性环氧树脂的耐高温性研究[J].当代化工,2018(2):264-267.

[2]吴昊,詹宗东,游世良.220kV高压单芯电缆同相并联输电方案分析[J].电力与能源,2013,34(6):623-625.

[3]聂永峰,王建辉,孟毓.输电电缆支架涡流损耗的计算与分析[J].电网技术,2008(s1):147-150.

[4]钱大治.《建筑电气安装工程施工质量验收规范》GB50303-2002内容简介[J].施工技术,2002,31(2):44-45.

[5]赵健康,雷清泉,王晓兵,等.复杂运行条件下交联电缆载流量研究[J].高电压技术,2009,035(012):3123-3128.

[6]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].高电压技术,2010,36(10):2607-2612.