陳 沖，王月燦，賈紅兵，顏文辭

(中國長江電力股份有限公司烏東德水力發(fā)電廠，云南 祿勸 651512)

隨著水電站裝機容量越來越大，勵磁陽極電纜所承載的交流電流也逐漸升高，單芯交流電纜電磁渦流發(fā)熱的現(xiàn)象正成為勵磁系統(tǒng)亟待解決的重要難題。某在建大型水電站共裝設(shè)12臺850 MW容量機組，額定轉(zhuǎn)子勵磁電流為4 111 A，勵磁陽極電纜在額定負載下將會承載約3 300 A電流。單芯電纜在如此大電流、強磁場工況下極易產(chǎn)生電磁渦流而導致電纜發(fā)熱?？紤]到國內(nèi)多個水電站曾出現(xiàn)勵磁陽極電纜渦流過熱而造成勵磁事故的情況[1]，因此，在電站建設(shè)階段通過對電纜發(fā)熱問題進行理論分析，并通過合理的方法解決勵磁陽極電纜發(fā)熱問題，對于提高勵磁系統(tǒng)運行的可靠性，保證電廠安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 勵磁陽極電纜敷設(shè)方式原理分析

互感現(xiàn)象是指兩個相鄰線圈中，一個線圈的電流隨時間變化時導致穿過另一線圈的磁通量發(fā)生變化，而在該線圈中出現(xiàn)感應電動勢的現(xiàn)象[2]。由于互感現(xiàn)象的存在，通有交流電流的長直導線會在相鄰導線中產(chǎn)生感應電流，感應電流大小由感應電動勢決定。這種感應電流又叫電磁渦流，電磁渦流會增加勵磁陽極電纜的熱量累積，導致陽極電纜過熱，嚴重者使電纜絕緣損壞甚至燒毀[3]。互感磁場強度計算示意圖見圖1。

圖1 互感磁場強度計算示意圖

由于趨膚效應的存在，導致高頻交變的電流集中在導體表面[4]，所以長直導線的自感磁場強度可近似為

導線AB在導線CD上的互感磁場強度為

式中：u0為磁導率；I1為AB導線的電流；r為導體半徑；a為導線間距。

對于三相交流電纜，在A相合成磁場的磁場強度為自感磁場和互感磁場三個磁場的矢量和：

同理，

式中：Ia、Ib、Ic為三相電流向量；Lab、Lac為AB、AC相電纜之間距離。

因Ia、Ib、Ic的矢量和為零，為了降低陽極電纜的電磁渦流，盡量減小合成磁場強度Ba、Bb、Bc，須將三相電纜間距盡量設(shè)置相等，即Lab+Lac+Lbc，由此可以抵消三相電纜間互感磁場強度和部分自感磁場強度。由上可知，三相勵磁陽極電纜應采用品字型布置，從而使三相電纜間距離相等。品字型布置后的三相陽極電纜總合成磁場為

式中，L=Lab=Lac=Lbc。

因此，將勵磁陽極電纜按品字形排列后，其所產(chǎn)生的電磁渦流將大幅減小，從而從根本上解決了電纜因渦流發(fā)熱引起的溫度升高[3]。

2 在水電站中的應用實例分析

該水電站發(fā)電機組勵磁變與功率柜在廠房內(nèi)采用分層布置方式，其間共設(shè)計36根185 mm2的單芯勵磁陽極電纜，電纜從勵磁變低壓側(cè)出線后經(jīng)金屬支撐結(jié)構(gòu)分別進入三層電纜橋架，每層橋架布置12根電纜，從橋架上穿樓板后送至功率柜接線銅排。在勵磁陽極電纜安裝敷設(shè)階段主要從以下三個方面對敷設(shè)方式進行優(yōu)化。

2.1 更換勵磁變出線頂板及金屬支撐架

勵磁陽極電纜經(jīng)由勵磁變頂板出線孔從勵磁變低壓側(cè)引出后穿越金屬支撐架進入電纜橋架。當交流電流流經(jīng)環(huán)狀金屬時，將會在環(huán)狀金屬內(nèi)部產(chǎn)生感應渦流，勵磁變頂板及金屬支撐架原設(shè)計為鐵磁材料，感應渦流將會大幅增強[4]。為了避免因感應渦流導致金屬發(fā)熱，在勵磁變安裝階段便將勵磁變出線頂板更換為非導磁材料，將金屬支撐架更換為環(huán)氧樹脂板支撐結(jié)構(gòu)，從而大幅減小渦流帶來的發(fā)熱影響。

2.2 勵磁陽極電纜在電纜橋架上按品字型敷設(shè)

勵磁陽極電纜分相引出，三相各取1根，按照圖2、圖3所示的品字型方式進行敷設(shè)，先敷設(shè)下層電纜，下層電纜依次按照B相、C相、A相、B相、C相、A相的順序敷設(shè)，為了考慮電纜的通風散熱問題，在下層電纜敷設(shè)完成后，每間隔0.6 m安裝一個圓形環(huán)氧電纜支撐架，同時在下層電纜之間用與環(huán)氧電纜支撐架等厚的支撐板分隔[5]，最后用扎帶把下層電纜固定在支撐架上。上層電纜依次按照A相、B相、C相、A相、B相、C相順序敷設(shè)在下層2根電纜中間，每敷設(shè)1根電纜后用扎帶把電纜固定成品字形。36根勵磁陽極電纜按照圖3所示經(jīng)3層橋架接至勵磁功率柜，每層橋架各布置12根電纜。

圖2 勵磁電纜品字型敷設(shè)示意圖

圖3 電纜橋架品字型敷設(shè)示意圖

2.3 勵磁陽極電纜穿層上送至功率柜敷設(shè)方式

按照圖4所示，勵磁陽極電纜從橋架上面分相引出，每個功率柜按A、B、C三相各取4根電纜上穿樓板接至功率柜三相接線銅排，在穿線路徑中注意使用環(huán)氧樹脂板進行綁扎固定。

圖4 勵磁電纜上穿樓板接至功率柜示意圖

2.4 運行情況

發(fā)電機組投運后，在額定勵磁電流穩(wěn)定運行工況下，環(huán)境溫度25℃，使用紅外測溫儀分別對勵磁陽極電纜全路徑溫度進行測量，各部位勵磁陽極電纜溫度值均在40℃以內(nèi)，如表1所示，溫升情況十分理想，渦流發(fā)熱現(xiàn)象得到了很好的消除，從而驗證了勵磁陽極電纜品字型敷設(shè)的方式對于電纜渦流發(fā)熱現(xiàn)象起到了很好的抑制效果。

表1 勵磁陽極電纜各部位溫度情況表 ℃

3 結(jié) 語

綜上所述，多根勵磁陽極電纜集中敷設(shè)極易產(chǎn)生電磁渦流發(fā)熱，為了更好地幫助相關(guān)從業(yè)人員分析和解決相關(guān)問題，我們結(jié)合水電站實際案例進行了分析，指出了電纜發(fā)熱的原因，并提出了消除交流電纜發(fā)熱的整改措施。在勵磁陽極電纜敷設(shè)路徑中應避免形成金屬環(huán)路或提前將金屬環(huán)路更換為非導磁材料；將電纜按品字型排列進行敷設(shè)，并盡量保證三相電纜軸心間距相等；為了電纜有更好的散熱空間，建議在電纜之間增加等距的絕緣隔片。