励磁系统阳极电缆品字型敷设方式应用实例分析

陈 冲，王月灿，贾红兵，颜文辞

(中国长江电力股份有限公司乌东德水力发电厂，云南 禄劝 651512)

随着水电站装机容量越来越大，励磁阳极电缆所承载的交流电流也逐渐升高，单芯交流电缆电磁涡流发热的现象正成为励磁系统亟待解决的重要难题。某在建大型水电站共装设12台850 MW容量机组，额定转子励磁电流为4 111 A，励磁阳极电缆在额定负载下将会承载约3 300 A电流。单芯电缆在如此大电流、强磁场工况下极易产生电磁涡流而导致电缆发热。考虑到国内多个水电站曾出现励磁阳极电缆涡流过热而造成励磁事故的情况[1]，因此，在电站建设阶段通过对电缆发热问题进行理论分析，并通过合理的方法解决励磁阳极电缆发热问题，对于提高励磁系统运行的可靠性，保证电厂安全稳定运行具有重要意义。

1 励磁阳极电缆敷设方式原理分析

互感现象是指两个相邻线圈中，一个线圈的电流随时间变化时导致穿过另一线圈的磁通量发生变化，而在该线圈中出现感应电动势的现象[2]。由于互感现象的存在，通有交流电流的长直导线会在相邻导线中产生感应电流，感应电流大小由感应电动势决定。这种感应电流又叫电磁涡流，电磁涡流会增加励磁阳极电缆的热量累积，导致阳极电缆过热，严重者使电缆绝缘损坏甚至烧毁[3]。互感磁场强度计算示意图见图1。

图1 互感磁场强度计算示意图

由于趋肤效应的存在，导致高频交变的电流集中在导体表面[4]，所以长直导线的自感磁场强度可近似为

导线AB在导线CD上的互感磁场强度为

式中：u0为磁导率；I1为AB导线的电流；r为导体半径；a为导线间距。

对于三相交流电缆，在A相合成磁场的磁场强度为自感磁场和互感磁场三个磁场的矢量和：

同理，

式中：Ia、Ib、Ic为三相电流向量；Lab、Lac为AB、AC相电缆之间距离。

因Ia、Ib、Ic的矢量和为零，为了降低阳极电缆的电磁涡流，尽量减小合成磁场强度Ba、Bb、Bc，须将三相电缆间距尽量设置相等，即Lab+Lac+Lbc，由此可以抵消三相电缆间互感磁场强度和部分自感磁场强度。由上可知，三相励磁阳极电缆应采用品字型布置，从而使三相电缆间距离相等。品字型布置后的三相阳极电缆总合成磁场为

式中，L=Lab=Lac=Lbc。

因此，将励磁阳极电缆按品字形排列后，其所产生的电磁涡流将大幅减小，从而从根本上解决了电缆因涡流发热引起的温度升高[3]。

2 在水电站中的应用实例分析

该水电站发电机组励磁变与功率柜在厂房内采用分层布置方式，其间共设计36根185 mm2的单芯励磁阳极电缆，电缆从励磁变低压侧出线后经金属支撑结构分别进入三层电缆桥架，每层桥架布置12根电缆，从桥架上穿楼板后送至功率柜接线铜排。在励磁阳极电缆安装敷设阶段主要从以下三个方面对敷设方式进行优化。

2.1 更换励磁变出线顶板及金属支撑架

励磁阳极电缆经由励磁变顶板出线孔从励磁变低压侧引出后穿越金属支撑架进入电缆桥架。当交流电流流经环状金属时，将会在环状金属内部产生感应涡流，励磁变顶板及金属支撑架原设计为铁磁材料，感应涡流将会大幅增强[4]。为了避免因感应涡流导致金属发热，在励磁变安装阶段便将励磁变出线顶板更换为非导磁材料，将金属支撑架更换为环氧树脂板支撑结构，从而大幅减小涡流带来的发热影响。

2.2 励磁阳极电缆在电缆桥架上按品字型敷设

励磁阳极电缆分相引出，三相各取1根，按照图2、图3所示的品字型方式进行敷设，先敷设下层电缆，下层电缆依次按照B相、C相、A相、B相、C相、A相的顺序敷设，为了考虑电缆的通风散热问题，在下层电缆敷设完成后，每间隔0.6 m安装一个圆形环氧电缆支撑架，同时在下层电缆之间用与环氧电缆支撑架等厚的支撑板分隔[5]，最后用扎带把下层电缆固定在支撑架上。上层电缆依次按照A相、B相、C相、A相、B相、C相顺序敷设在下层2根电缆中间，每敷设1根电缆后用扎带把电缆固定成品字形。36根励磁阳极电缆按照图3所示经3层桥架接至励磁功率柜，每层桥架各布置12根电缆。

图2 励磁电缆品字型敷设示意图

图3 电缆桥架品字型敷设示意图

2.3 励磁阳极电缆穿层上送至功率柜敷设方式

按照图4所示，励磁阳极电缆从桥架上面分相引出，每个功率柜按A、B、C三相各取4根电缆上穿楼板接至功率柜三相接线铜排，在穿线路径中注意使用环氧树脂板进行绑扎固定。

图4 励磁电缆上穿楼板接至功率柜示意图

2.4 运行情况

发电机组投运后，在额定励磁电流稳定运行工况下，环境温度25℃，使用红外测温仪分别对励磁阳极电缆全路径温度进行测量，各部位励磁阳极电缆温度值均在40℃以内，如表1所示，温升情况十分理想，涡流发热现象得到了很好的消除，从而验证了励磁阳极电缆品字型敷设的方式对于电缆涡流发热现象起到了很好的抑制效果。

表1 励磁阳极电缆各部位温度情况表 ℃

3 结 语

综上所述，多根励磁阳极电缆集中敷设极易产生电磁涡流发热，为了更好地帮助相关从业人员分析和解决相关问题，我们结合水电站实际案例进行了分析，指出了电缆发热的原因，并提出了消除交流电缆发热的整改措施。在励磁阳极电缆敷设路径中应避免形成金属环路或提前将金属环路更换为非导磁材料；将电缆按品字型排列进行敷设，并尽量保证三相电缆轴心间距相等；为了电缆有更好的散热空间，建议在电缆之间增加等距的绝缘隔片。