單芯并聯(lián)電纜布置方式的分析

董啟明

摘? 要：電纜布置方式的規(guī)范性對電纜運行可靠性和壽命產(chǎn)生巨大影響。特別在大電流多根單芯并聯(lián)電纜中，不同的布置方式對電纜感抗、并聯(lián)回路電流分配的均勻性、電纜金屬鎧裝的感應(yīng)電壓以及電纜金屬支架的渦流都有一定程度的作用。文章通過對一起因電纜敷設(shè)問題造成電纜絕緣受損接地的事故分析，提出臨時彌補措施，闡述了電纜正確的布置方式。

關(guān)鍵詞：單芯并聯(lián)電纜;電纜敷設(shè)方式;電流分配;渦流

中圖分類號：TM732? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0008-04

Abstract： The standardization of cable layout has a great impact on the reliability and service life of cable operation. Especially in the high-current multiple single-core parallel cables， different arrangements have a certain effect on the cable inductance， the uniformity of current distribution in the parallel circuit， the induced voltage of the metal-armored cable， and the eddy current of the cable metal bracket. Based on the analysis of an accident of damaged grounding of cable insulation caused by cable laying problems， this paper puts forward temporary remedial measures and expounds the correct arrangement of cables.

Keywords： single-core parallel cable; cable laying mode; current distribution; eddy current

引言

工業(yè)發(fā)展和居民生活提高，用電負(fù)荷和用電密度逐漸增大，發(fā)電、供電容量需求越來越大。單芯并聯(lián)運行方式越來越多的被使用。單芯并聯(lián)運行方式可以提高線路容量，增強輸電能力，相比于三芯電纜，具有較強的散熱能力，可以使用較小的截面積。相比母排，敷設(shè)更方便，可以降低建筑占用空間，提高經(jīng)濟效益。在10～35kV輸電線路中，單芯并聯(lián)方式已較為普遍，因敷設(shè)方式缺乏認(rèn)識而產(chǎn)生的問題也隨之增多。

多回路并聯(lián)電纜錯誤的敷設(shè)方式，會導(dǎo)致并聯(lián)回路各電纜上的電流分配不均勻，某些支路超負(fù)荷運行，造成電纜絕緣不同程度老化，壽命差異化。錯誤的敷設(shè)也可能在金屬護(hù)套上產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，金屬電纜支架中產(chǎn)生渦流效應(yīng)，造成發(fā)熱擊穿事故。因此從改善電纜布置敷設(shè)方式，提高輸電容量，在保障輸電可靠性上具有很重要的作用。

1 電纜故障原因分析

1.1 事故現(xiàn)象

2016年某公司#2發(fā)電機組發(fā)生主變低壓側(cè)接單相地保護(hù)動作，機組跳閘發(fā)電機解列，檢查故障錄波器電壓曲線，判斷電纜C相發(fā)生單相接地。通過加壓尋找低壓側(cè)C相接地點，發(fā)現(xiàn)擊穿處為電纜與支架接觸位置，擊穿處電纜外護(hù)套有嚴(yán)重過熱碳化現(xiàn)象。在對整條線路排查過程中，發(fā)現(xiàn)多處電纜外護(hù)套被高溫?zé)龘p碳化。隨后對運行中的#1、#3發(fā)電機組電纜進(jìn)行紅外測溫檢查，發(fā)現(xiàn)電纜支架普遍出現(xiàn)高溫，普遍達(dá)到60℃-70℃，最高達(dá)到80℃以上，并且支架具有很強的磁性，部分電纜溫度高出其它電纜。部分支架溫度如表1所示。

1.2 采取的措施

電纜型號為ZRC-YJV-8.7/15 1*300的單芯電纜;#2機主變低壓側(cè)為18根，每相6根每根長度約100米，機組額定電流為2128A，電纜鋪設(shè)方式為A、B、C分相平鋪。電纜溝為650*1000（W*H），電纜支架安裝圖如圖1所示。

現(xiàn)場電纜鋪設(shè)方式如圖2所示。

可以看出造成電纜外護(hù)套損壞擊穿的原因為：（1）電纜敷設(shè)方式錯誤。單芯電纜周圍會產(chǎn)生磁場，單芯多回路并聯(lián)電纜如果按照ABC三相品字形對稱排列，綜合磁場可以互相抵消。這里單相單列平鋪無法抵消磁場，而且可能會加強。（2）電纜支架采用鐵磁材料。因敷設(shè)方式錯誤產(chǎn)生的感應(yīng)磁場可以在鐵磁材料中產(chǎn)生渦流。置于變化磁場中的鐵磁材料內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流以磁通的軸線為中心的渦流，將使角鋼支架產(chǎn)生熱損耗發(fā)熱。過高的溫度因電纜的密集排列無法散發(fā)，導(dǎo)致電纜損壞。

因電纜支架上下層之間空間小，無法滿足品字形敷設(shè)需求，也難以短時間內(nèi)通過技改徹底更換解決電纜問題。采取的措施為：

（1）移除電纜溝蓋板，改在電纜溝上部安裝可拆裝的兩側(cè)通風(fēng)的防雨不銹鋼頂棚，增強電纜溝總體的通風(fēng)散熱能力，同時做到防雨水日曬對電纜外護(hù)套的損壞。同時在電纜溝表面鋪設(shè)鐵絲網(wǎng)狀板，可防止小動物及其他物體進(jìn)入電纜溝內(nèi)部。

（2）在電纜支架外套入環(huán)氧樹脂管，耐熱等級F級[1]

（155℃）。環(huán)氧樹脂管將電纜與支架隔離，大大降低了電纜外護(hù)套接觸溫度。管的弧形內(nèi)壁使得支架扁鋼表面留出弧形空間，空氣可在環(huán)氧樹脂管內(nèi)部流通，增強了支架本身的散熱能力，也降低了環(huán)氧樹脂管表面溫度。支架的感應(yīng)電流大小和電纜距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)感應(yīng)電流越大，通過弧形管增加他們之間的距離，從而降低支架內(nèi)的渦流，熱損耗發(fā)熱也相應(yīng)降低。

（3）在環(huán)氧樹脂管和電纜之間墊入絕緣橡膠。絕緣橡膠具有一定隔熱能力，再次降低了電纜與環(huán)氧樹脂管接觸時表面的溫度。電纜放置在環(huán)氧樹脂管硬性的弧形表面，也會使電纜受力面有所降低而造成一定的損壞。絕緣橡膠可以充當(dāng)很好的緩沖面，減少電纜所受應(yīng)力。

采取以上措施后電纜運行環(huán)境得到了很大的改善，電纜表面沒再出現(xiàn)碳化受損現(xiàn)象，通風(fēng)散熱能力大大加強，電纜支架溫度也有所降低。采取措施后電纜支架溫度如表2所示。

2 單芯多回路并聯(lián)線路錯誤布置的影響

2.1 電流分配不均勻

同相單芯多回路并聯(lián)回路電纜電流受電纜阻抗影響，其大小與其阻抗Z=R+jX成反比[2]。

（1）電阻R的影響為電纜內(nèi)阻及接線產(chǎn)生的接觸電

阻。采用型號同廠家的電纜，材料幾乎相同，電纜制造產(chǎn)生的差異非常小，其電纜內(nèi)阻基本相同。在電纜安裝工藝達(dá)到要求時候，其接觸電阻的影響也很小，因接頭差異產(chǎn)生的電阻也可以忽略不計。所以相同長度的電纜，其交流電阻值基本相等，它的阻抗差異基本不受電阻R的影響。

（2）電抗X=2？仔fL。其中單位長度電纜的電感為L=Li+Le。Li為電纜內(nèi)感，對于相同材料，結(jié)構(gòu)相同的電纜其內(nèi)感是一樣的。Le為電纜互感，同一水平面上同相電纜并聯(lián)排列時，其計算可以近似認(rèn)為是

Le=2ln（）×10-7

S為導(dǎo)體軸間距離，Dc為電纜外徑。容易看出電纜電感的大小取決于電纜之間的排列方式，因為電纜外徑Dc對同型號電纜是相同的，能影響Le大小的只有軸間距離S。同相多回路并聯(lián)回路電纜并列排列時，每根電纜同其它電纜間軸間距離不相等，故而造成電纜的互感Le各不相同。

不同的電纜間距使得不同電纜的電抗X=2？仔f（Li+Le）

產(chǎn)生差異，最終使電抗Z產(chǎn)生差異，內(nèi)感互感的作用使得三相阻抗不相等，影響到同向各并聯(lián)電纜電流，導(dǎo)致各回路電流不均衡。以下表3為上述事故電纜各相電流，其差異很大，也很好的闡述這個現(xiàn)象。

表3 各回路電流

不均衡的載流量可導(dǎo)致部分電纜超負(fù)荷運行，不同電纜壽命差異化，出現(xiàn)不同程度的老化，甚至?xí)闺娎|造成擊穿。

2.2 產(chǎn)生渦流效應(yīng)

交變電場會產(chǎn)生磁場，三相交流電每相電流平衡時，各相電流矢量和為零，所產(chǎn)生的磁場的矢量和為零。在單芯多回路并聯(lián)水平敷設(shè)時，出現(xiàn)各相電流矢量和的不平衡，就會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場。電纜間的電流量差別越大，感應(yīng)電磁場也越強，感應(yīng)電磁場能在鐵磁材料中產(chǎn)生渦流[3]。

大多數(shù)電纜橋架敷設(shè)時，使用的材料多為鐵材質(zhì)，構(gòu)成了磁路的載體，橋架就會在交變磁場作用下出現(xiàn)渦流;特別對于橋架兩端有扁鐵條跨接或用蓋板封閉，以及封閉的電纜金屬護(hù)套中，磁通沿鐵質(zhì)橋架構(gòu)成閉合回路，磁路中的磁阻非常小，磁通密度的增大導(dǎo)致渦流變大。單芯電纜穿金屬護(hù)套敷設(shè)與封閉橋架相同，渦流效應(yīng)使金屬護(hù)套發(fā)熱、橋架發(fā)熱，高溫下容易燒毀電纜。在《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》的15.1.1條中，明確規(guī)定了“三相電纜中的交流單芯電纜，不可以單獨穿于鋼管，三相電纜必須一同穿過鋼管”就是為了防止渦流的危害。

2.3 其他危害

錯誤敷設(shè)的單芯多回路并聯(lián)電纜周圍產(chǎn)生強大磁場，對于在同一電纜溝或電纜橋架內(nèi)同時敷設(shè)了控制電纜時，其強大磁場對低電流控制電纜電流信號造成一定的影響。幾乎所有控制電纜都會使用屏蔽層，且避免交叉敷設(shè)，能很大程度上降低影響。

單芯電纜并聯(lián)使用過程中，錯誤的敷設(shè)方式會影響電纜載流量[4]，其實際載流量不一定能夠滿足負(fù)荷的需要，可能會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。當(dāng)6根電纜無間隙的水平并列敷設(shè)后其載流量只能達(dá)到理論載流量的60%左右，很可能造成電纜在通電過程中處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，造成電纜發(fā)熱現(xiàn)象。造成電纜運行中出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱。電纜敷設(shè)的密集程度影響著電纜的載流量，密集程度越高，載流量越低;在電纜溝中增設(shè)強制對流通風(fēng)設(shè)備將有利于提高電纜的載流量[5]。

3 解決方法

從上面的分析可以得出，影響電纜阻抗大小的是電纜間距離，電纜的排列方式對電流分布以及感應(yīng)電壓的影響較大，通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化排列方式，敷設(shè)過程中使并聯(lián)布置的電纜互相之間的距離基本相等，從而可以避免因電纜間距不相等導(dǎo)致的同相并聯(lián)電纜的電流不均衡，能夠有效降低電纜線路感應(yīng)電壓。

實際應(yīng)用中電纜的典型敷設(shè)方式有三相交叉水平排列、三相獨立水平排列、三相垂直排列、品字型水平排列和品字型垂直排列等，不同的排列方式對不平衡度也有較大影響[6]。對于單芯多回并聯(lián)電纜線路，“品”字形排列方式的對稱性比其它排列方式明顯要好如圖3，圖4所示，品字形排列各相之間的距離相等，三根電纜互相對稱，互感基本相等，能明顯降低各回路電纜之間阻抗的差異，從而使得同相并聯(lián)電纜電流分布更均衡。品字形排列中又以“品”字形垂直排列的對稱性為最好;非“品”字形排列方式中，三相獨立水平排列優(yōu)于三相垂直排列，三相交叉水平排列對稱性最差。

同時按ABC品字形排列各相對稱，交流電矢量和幾乎為0，電纜的綜合磁場互相抵消，減少金屬鎧裝帶及支架的渦流，防止電纜支架或封閉金屬管或護(hù)套發(fā)熱，減少對電纜的損傷，增加電纜運行壽命。降低磁場強度也能減少對外的電磁干擾。

4 結(jié)論

本文從一起因單芯多回路并聯(lián)電纜因單相水平敷設(shè)，造成電纜單相接地故障出發(fā)。闡述了這種錯誤敷設(shè)方式可產(chǎn)生各回路電流不均衡、電纜支架及金屬外護(hù)套產(chǎn)生渦流等影響，影響電纜壽命和輸電線路的安全穩(wěn)定運行。并說明了品字形敷設(shè)方式的重要作用，可以解決上述錯誤敷設(shè)方式造成的影響。

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