励磁系统线缆和母排的设计方法

陈杰凤

(哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨 150040)

励磁系统线缆和母排的设计方法

陈杰凤

(哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨 150040)

介绍了励磁系统的线缆和母排的设计方法，指出了正确选择线缆、母排的规格型号，为励磁系统的设计提供必要的依据，不但可加快设计进度，降低成本，还可指导励磁系统的制造和调试。

励磁系统； 线缆； 母排

0 引言

大中型同步发电机励磁系统是否能够稳定运行，是否能够满足发电机组和电力系统的运行要求，很大程度上取决于励磁系统的设计水平。根据多年的设计经验,总结了励磁系统的线缆和母排的设计方法，目的是指导励磁系统设计人员正确地选择线缆、母排的规格型号，保证他们确定正确的设计方案，为励磁系统的设计提供必要的依据，加快设计进度，降低设计成本，同时指导励磁系统的制造和调试。

1 励磁系统的线缆设计方法

1.1 在励磁线缆设计和生产过程中经常出现的问题

1) 线缆型号、规格的选择

线缆型号选择错误的例子很多。譬如,在300 MW汽轮发电机组励磁系统的设计过程中,设计院往往要求励磁电压直采信号接到励磁设备的对外端子上,用于接至发电机保护设备中的转子接地保护装置中。由于额定励磁电压为365 VDC,该段电缆的电压等级至少应为3 kV,而设计院往往只采用普通的500 V电缆,为机组的运行留下了极大的隐患。再比如，励磁系统元器件的外壳通常要通过黄绿相间的专用接地电缆引至专用的接地端子上，而有的设计人员采用了同等规格的普通的黑色绝缘电缆来代替，这也是一种设计错误。而线缆规格的选择错误也比比皆是。例如，印度某台600 MW汽轮发电机组的起励电源为415 VAC，起励电流为40 A/5 s。在ABB公司设计的UN6000励磁系统配线图中，起励回路的电缆规格为2.5 mm2。如果线缆布置在封闭的走线槽内，按照每mm2线缆的载流量为12 A计算的话，该规格的线缆额定载流量应为30 A,远小于40 A的起励电流设计值,造成了线缆过载。因此，励磁生产厂家在设计UN6000散件组装的励磁系统中，为保证励磁设备的安全运行，选择了6 mm2聚氯乙烯绝缘软电缆BVR6.0，满足了设计要求。

2) 线缆的布线

错误的固定线缆方法如图1所示。错误为线缆与导电铜排的距离见图2。错误布线见图3。正确布线见图4。

在励磁设备的生产过程中，也会出现各种各样的错误而影响励磁系统的运行安全。譬如，在图1中，用不干胶夹固定线缆是不可取的。因为，不干胶干燥后电缆就脱离了束缚，易造成电缆与带电铜排长期接触，而导致电缆绝缘的损坏进而短路。再譬如，在图2中，线缆距离导电铜排太近。时间一长，温度较高的铜排会损坏线缆绝缘。再看图3和图4，图3是又一例典型的布线错误。错误在于不同电压等级的线缆混合布线，从而产生电磁干扰问题。正确的布线如图4所示，强弱电信号线缆分开布线。

1.2 励磁系统的线缆设计方法

针对上述线缆设计问题，提出了以下线缆设计方法和计算方法，并给出了相应的计算公式，提出了设计注意事项。

1) 概述

励磁系统使用的线缆主要包括光缆、扁平电缆，同轴电缆、网线、聚氯乙烯绝缘多股铜芯软电缆、高压电缆、屏蔽双绞线等。励磁系统的线缆设计主要包括配线图、对外端子图(含对外电缆技术要求)、屏间配线图的设计。既要在装配图中提出配线材料,如端子型号、线缆型号与规格、终端固定件的型号等，还要在装配图中体现出走线槽的具体布置情况等工作。配线图分配线图和配线表两种形式，各有优势。配线图按照元器件在各个视图中所在的位置布线，形象直观，便于设计改版。配线表是最近的流行趋势，在同一张配线表中包含每根线缆的起点和终点位置、元件的型号，线脚，线缆标号、线号等信息。这种配线表规范，整洁，但不利于改版。在励磁系统的对外端子图的设计过程中，应完成以下设计：主要包括励磁系统所需要的外部交/直流辅助电源、起励电源、风机电源、励磁系统的对外I/O信号、励磁电压/电流4～20 mA输出、发电机PT和CT等采样信号的接入的设计等等,最重要的是,应提出各电源的电负荷要求。通常,在调节柜底板留有控制电缆、电力电缆和信号电缆的输入开孔，一般为下进线方式。

图1 错误的固定线缆方法(用不干胶夹固定电缆)

图2 线缆与导电铜排的距离

图3 错误布线(捆在一起)

图4 正确布线(分开布线)

2) 线缆额定电压的选择

线缆的额定电压应适合于线缆系统的运行状况，用Uo/U(Um)表示。线缆的额定电压应大于线路的工作电压；导线的绝缘应符合线路的安装方式和布线的环境条件。

Uo——电缆设计用的导体对地或金属屏蔽之间的额定工频电压；

U——电缆设计用的导体间的额定工频电压；

Um——设备可承受的“最高系统电压”的最大值。

3) 线缆载流量的选择

线缆载流量，即线缆承载的电流强度的数值，单位为安培(A)。在励磁系统的设计中，导线载流量是按照导线材料、导线截面积(单位平方毫米，简称方)和导线敷设条件三个因素决定的。一般来说，单根导线比多根并行导线可取较高的载流量；明线敷设导线比穿管敷设的导线可取较高的载流量；铜质导线可以比铝制导线取较高的载流量。同时，还要考虑导线的散热问题，在封闭式布线(比如穿管和多线穿管等)情况下，在导线的载流量选择时要适当加大，以提高导线在狭小空间的散热能力，降低因散热问题引发火灾发生的概率。励磁系统的线缆设计分为明线布线(即开启式布线)，和暗布线(即封闭式布线)两种，如走线槽布线就视为暗布线。

在励磁系统配线图设计过程中,考虑线缆在长期运行环境中不会过热的原则，塑料铜芯线缆载流量(A)如表1所示：

表1 塑料铜芯线缆载流量

励磁系统线缆设计建议按照封闭式载流量考虑。

综上，导线的载流量与导线截面有关，也与导线的材料、型号、敷设方法以及环境温度等有关，影响的因素较多，计算也较复杂，可参考表一来选择。

4) 铜导线截面积的计算

导线的截面积应能满足供电和机械强度的要求。

利用铜导线的安全载流量的推荐值，如上表，计算出所选取铜导线截面积S，则：

S=负载电流I/封闭式载流量(A)

其中，S为铜导线截面积(mm2)，I为负载电流(A)。

5) 线缆颜色的选择

在GB标准中，根据线缆的用途，对线缆的颜色有具体的规定。对励磁系统的线缆设计过程中常用的线缆颜色，进行了以下归纳。绒缆颜色对照表如表2所示。

表2 线缆颜色对照表

6) 线缆规格的选择

励磁柜内部的配线大多采用BVR0.75 mm2多芯聚氯乙烯绝缘软电缆，电缆的额定电压U0/U通常采用300/500 V。电缆的长期允许工作温度应不超过70℃。电缆的允许弯曲半径为：电缆外径(D)小于25 mm2者，应不小于4D；电缆外径(D)为25 mm2及以上者，应不小于6D。

每个励磁柜中都配置集中的对外端子，在现场连接至DCS或保护设备等其他接口设备。两个运输单元之间的连接通过过渡端子。将线缆一侧接好，另一侧甩在那里,在现场按照设备的随机屏间配线图连接。考虑到设计院对励磁系统的工作原理理解得不是很深，在对外端子图中，励磁设计人员应以技术要求的形式给出每个端子的配线规格的建议和要求。如直流220 V，110 V电源负荷按照10 A考虑，采用2.5 mm2电缆。交流220 V电源负荷按照6A考虑，采用1.5 mm2电缆。当定子CT二次电流端子至调节器的距离小于150 m时，建议采用4 mm2电缆，与调节器之间的距离在150～300 m之间，建议采用6 mm2电缆。特殊功能，如300 MW级以上的汽轮发电机组的励磁系统直采电压输出建议采用额定工作电压为3 000 V以上的高压电缆。励磁电压/电流变送器的4～20 mA输出应以双绞屏蔽线接出。屏蔽层以一端接地，以防止电磁干扰。其他配线均采用1.0或1.5 mm2额定电压为500 V的电缆。屏间及对外的DI/DO控制信号，如起励、灭磁开关合闸/跳闸指令等，必须采用屏蔽线，防止电磁干扰。脉冲电缆尤其应注意考虑抗干扰，目前主要采用扁平电缆加屏蔽层、光缆和特殊的双绞屏蔽电缆，光缆的抗干扰效果最好。

7) 线缆的连接、固定和布置

励磁系统的配线不仅要求安全可靠，而且要使线路布置合理、整齐、安装牢固。具体的配线原则如下：

•配线时应尽量避免导线有接头。如一定需要用接头的，其接头必须采用压线或焊接，导线连接和分支处不应受机械力的作用。必要时，尽可能将接头放在接线盒接线柱上。

•励磁柜内的配线要保持水平或垂直，有时配线应加套管保护，但应注意美观。

•线缆布置应防止产生电磁干扰和噪声。不同电压等级的线缆的电气噪声可能会对基于微处理器的调节器产生干扰，从而引起调节器运行异常。因此，科学布线非常重要。譬如，信号线、控制线、大功率电力线不能平行布线。最好是以90°交叉布线，更不能布置在同一走线槽内。如因励磁柜内空间所限必须平行走线，则要远离50 cm以上。例如，380 V/220 V交流电源线应单独布线，不能与信号线和低压直流电源线布置在同一个走线槽内。再如，脉冲电缆不可以用扎带与强电信号，如CUS电缆捆在一起布置。PSI板的扁平的信号电缆不允许与高压侧电缆接触，这两种电缆应分别布置在PSI板两侧。

•走线槽布置应横平竖直，整齐美观，布置合理。走线槽的选择，其内部走线总量的截面积不超过70%走线槽内部截面积为准。

•线缆绝不允许接触柜内带电部分，如带电铜排，否则由于带电部分温度过高而引起线缆变形及绝缘破坏。

•线缆在布置过程中用专用扎带固定，但不可以过紧，否则容易损坏线缆绝缘。不可以使用不干胶夹固定线缆，因为用不了多少时间就会发生不干胶因干燥而使不干胶夹会脱落，线缆脱离束缚的情况。

•应避免在锋利的物体上面拖拽线缆，不应过度弯折、拉伸线缆。

2 励磁系统的母排设计方法

2.1 励磁系统母排设计经常出现的问题

1) 输出铜排和汇流母排没有完全平行或垂直

由于铜排开孔定位不准确，各整流柜的正负极输出铜排在接入汇流母排时受力，使输出铜排和汇流母排不完全平行或垂直。在运输、吊装和运行过程中，可能会由于振动，额外受力而导致铜排变形或铜排支撑绝缘子损坏，从而影响励磁系统的安全运行。汇流母排和整流柜的输出铜排之间不完全平行，如图5所示。

2) 铜排规格选择不合理

铜排截面过小，铜排会发生过热现象；铜排截面过大，会导致空间布置困难和材料浪费。因此，励磁设计人员应合理选择铜排规格。

3) 铜排相间距过小，爬电距离不够

这种设计错误，常常会导致严重的电力事故。例如，内蒙古丰泰电厂200 MW静止励磁系统就曾发生过类似的故障。其主要原因就是由于整流柜交流侧输入电源的三相铜排之间的爬电距离不够而导致整流柜短路，烧损整流柜并跳机的大型事故。

4) 铜排连接部位的处理不恰当

铜排连接不牢固，会导致局部过热而烧损连接部位的铜排或连接螺钉。铜排螺钉松动烧损事故照片见图6。连接主回路的铜排螺钉松动而引起螺钉烧损及整流柜退出的故障。由于螺钉松动，铜排接触面积变成了一点连接，所有励磁电流全部通过导电螺钉导通，导致螺钉过热发红，最终螺钉和所在部位铜排烧损,整流柜退出运行。

图5 汇流母排与整流柜输出铜排不完全平行

图6 蒲州发电厂铜排螺钉松动烧损事故照片

2.2 励磁系统母排的设计方法

针对上述励磁系统母排设计和生产过程中经常出现的错误，特提出以下母排设计方法。同时，介绍了母排生产过程中的相关注意事项，使励磁系统的母排设计满足励磁系统的设计和运行要求。

1) 概述

励磁系统使用的母排为铜母排，习惯上称为铜排。铜排是由铜材质制作的，截面为矩形或倒角 (圆角)矩形的长导体，在电路中起输送电流和连接电气设备的作用。励磁柜之间连接的铜排称为主母排，或汇流铜排；每个励磁柜内部的铜排为分支铜排。铜排包括软铜排TMR和硬铜排TMY。以硬铜排为主，在铜排连接处有时会用到软铜排。铜排是一种大电流导电产品，具有电阻率低、可折弯度大等优点。下面主要介绍硬铜排的设计方法。

励磁系统的铜排设计主要包括全部励磁柜体的总体铜排连接图、单面柜体的铜排装配图、接地母排的设计和选择、铜排装配材料和辅助材料的单件加工图纸，以及铜排材料和与之配套的绝缘材料的预提等工作。

2) 铜排载流量的计算

励磁系统铜排的选择，首先应考虑铜排载流量的选择和铜排截面积的计算。铜排载流量的选择主要考虑铜排负载电流的大小、铜排厚度、运行环境温度、铜排布置空间等因素。对于硬铜排的选择，建议使用下面的计算公式：

40℃时铜排载流量=排宽×厚度系数

例如，求TMY100×10铜排在40℃时的载流量为：

•单层铜排：100×18.5=1850(A)；

双层铜排[40℃]=(1.56～1.58)×单层铜排载流量[40℃]

3层铜排[40℃]=2×单层铜排载流量[40℃]

40℃ 铜排载流量= 25℃ 铜排载流量×0.85

3) 铜排布置的设计方法

在铜排布置的设计过程中，应考虑铜排相间安全的电气静距离。对于≤1 kV的交流进线柜,交流A,B,C三相铜排的相间距应≥100 mm,对地距离应≥50 mm。对于百万机组,阳极电压高于1 kV,相间距离应更大。直流母排正负极之间的距离应≥150 mm。在温度、湿度、灰尘很大的运行环境中，铜排布置的距离应适当增加。

在交流进线柜内，三相交流铜排在空间内尽量对称布置。否则，会导致交流进线柜背板以及附件横梁在机组大负荷下运行时由于较大的涡流效应而发热 。因此，相关的背板和横梁应该采用不导磁的材料，比如不锈钢。

考虑到母排电阻引起的压降，交流进线柜应布置在几个整流柜中间的位置，可以提高整流柜的均流系数。例如，600 MW励磁系统的整流柜数量是5个。在设计过程中，交流输入柜如果布置在所有整流柜的最右侧，结果出现从左到右励磁电流递增现象。第一柜和第五柜之间的电流值相差100多安培，使均流系数达不到国标要求最低值0.85。如果在交流输入柜左侧布置3个整流柜，右侧布置2个整流柜，均流系数会提高到0.98左右，均流效果大大改善。

4) 铜排的颜色选择

在励磁设备生产过程中，交流进线柜内的三相交流母排的U,V,W相上，应分别标有相色字母标志或涂有相色漆，U相铜排涂有“黄”色，V相铜排涂有“绿”色，W相铜排涂有“红”色。

接地铜排应涂有“黄绿相间”双色。

直流母排输出端，正极应加上蓝色标记，负极应加上黑色标记。

5) 铜排的连接

铜排的连接，主要考虑以下几个方面的设计要求：

•带有圆孔的铜排连接依次使用六角螺钉,应力垫圈,铜排,应力垫圈,螺母。

•带有槽孔的铜排连接依次使用六角螺钉、应力垫圈、垫圈、铜排、垫圈、应力垫圈、螺母。连接处的螺钉一定要上紧，否则电流大时会出现烧熔铜排和螺钉的可能，或者在运输、运行过程中，因螺钉松动也会导致螺钉烧损或连接处铜排烧熔的现象。

•根据工艺要求，连接铜排时，应在铜排相互接触的表面涂一层很薄的导电膏以增加铜排接触面的导电面积，防止接触面发热。

•分体运输的两部分运输单元的铜排对接，需要在出厂前进行一次预装，以保证在现场可以顺利安装对接。图7是分体运输单元中灭磁柜的铜排接口，需要在现场与整流柜对接。

图7 分体运输单元中灭磁柜的铜排接口

6) 铜排的质量保证

在励磁系统铜排设计中，既要保证较高的设计水平，也要保证选择优质铜排材料。铜排的质量必须经过严格检查，否则铜排不予使用。铜排的质量必须符合以下标准：

•铜排表面应光滑，无凹凸不平。如果在铜排开孔接触面上有凹槽，该铜排不允许使用。

•铜排接触面必须平整光滑，不允许有毛刺存在。

•铜排不允许二次弯折。

•铜排上面存在直径大于20 mm的黑色或暗褐色氧化点、大于1 mm的起皱或裂口时，不允许使用。

7) 铜排安装前的表面处理

•铜排在安装前，应使用酒精和洁净的软布清洁铜排，以去除污物和油污。注意接触面的两面都应清洁干净。

•带有氧化点的接触面应打磨后安装。

•铜排表面根据使用的场合，有镀锡的，也有裸铜排。铜排连接处一般都要做镀锡处理和压花处理或者加导电膏，以增加导电面积。空余处可以加热缩套管防护，也有些是用绝缘油漆的。低压母排套管，即1 kV的热缩套管，加热收缩套在铜排上，可防止小动物爬上引起短路，也可以防止酸、碱、盐等化学物质腐蚀， 防止凝雾造成短路，对操作和检修人员进行保护。

8) 铜排的接口设计

一般情况下，在灭磁柜和交流输入柜顶部或底部，应预留交流输入铜排和直流输出铜排接口和封母法兰接口，并提供封母法兰开孔尺寸，用于连接励磁变二次侧封母和转子绕组封母，并体现在励磁设备布置图上。

3 结语

励磁系统线缆和母排设计包括线缆和母排的设计要素、设计原则、设计依据、设计流程和选择计算方法，并给出了具体的计算公式。二者的设计在励磁系统总体设计中占有非常重要的地位。这两方面的高水平设计可以保证励磁系统的整体设计水平，确保励磁设计更趋合理、系统和规范，还可用于优化和改进电厂现有运行设备。同时，励磁系统的线缆、母排的设计方法,也适用于低压电气柜等低压电气设备的电气设计。

陈杰凤，女，1970年生，1994年毕业于哈尔滨哈尔滨理工大学工业电气自动化专业，毕业后一直从事同步发电机励磁系统的设计，调试，新产品开发工作，高级工程师。