吳小淵

(銅陵金威銅業(yè)有限公司, 安徽 銅陵 244000)

電力節(jié)能

無氧銅爐逆變裝置并聯(lián)電纜接地故障分析及改造

吳小淵

(銅陵金威銅業(yè)有限公司, 安徽 銅陵 244000)

無氧銅爐逆變器的進(jìn)線纜，每相采用5根單芯電纜并聯(lián)， 運(yùn)行中逆變器發(fā)生接地故障，其原因是電纜纏繞嚴(yán)重，導(dǎo)致各相并聯(lián)聯(lián)接的5根電纜之間電流嚴(yán)重不平衡，最大電流已超出其電纜的額定截流量。本文從多根電纜并聯(lián)敷設(shè)的要求出發(fā)，提出了并聯(lián)電纜之間鄰近效應(yīng)對(duì)阻抗的影響，找出來解決方案并進(jìn)行改造。改造前后電流分配的平衡度對(duì)比表明，改造效果明顯，滿足了電纜長期安全運(yùn)行要求。

電纜； 故障； 纏繞; 鄰近效應(yīng); 交流阻抗; 電流平衡

0 前言

公司引進(jìn)了德國INDUGA 32T回轉(zhuǎn)式有芯爐生產(chǎn)無氧銅鑄錠，其感應(yīng)器額定功率2×1 200 kW，電源采用ABB 55 Hz/12脈沖逆變器，額定功率2 400 kW。整流變壓器向逆變器提供6相工頻電源，利用交- 直- 交變頻原理，DCU控制單元控制逆變器輸出單相55 Hz交流電，分別向兩只感應(yīng)器供電。整流變壓器、逆變器及電容器架均放置在爐臺(tái)下面的不同電控室內(nèi)，內(nèi)部管道錯(cuò)綜復(fù)雜，整流變壓器與逆變器之間距離約30 m，采用電纜連接，每相用5根YJV240 mm2電纜并聯(lián)，采用橋架敷設(shè)方式，6相30根電纜全部放置在一個(gè)電纜橋架中。逆變器配備了絕緣檢測裝置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視主回路絕緣電阻，并在臨近接地時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，迅速切斷整流變壓器電源以保護(hù)逆變裝置免受損壞。主電源系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 無氧銅爐主電源系統(tǒng)圖

1 故障

1.1 故障現(xiàn)象

某日，點(diǎn)檢人員例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣檢測裝置上的絕緣值與昨日偏差較大，由通常的10 kΩ以上降為5 kΩ，遂停機(jī)檢查了逆變器及感應(yīng)器，未發(fā)現(xiàn)異常，由于生產(chǎn)任務(wù)緊，于是繼續(xù)使用。之后絕緣值逐日遞減，直至某天系統(tǒng)高功率運(yùn)行中突然出現(xiàn)接地故障報(bào)警，逆變器跳閘，于是將感應(yīng)器接入應(yīng)急電源后展開徹底檢查。

1.2 故障檢查及初步處理

按照分級(jí)排查的原則，首先檢查負(fù)載側(cè)。將逆變器輸出側(cè)隔離開關(guān)斷開，檢查感應(yīng)器、電容器及水冷電纜回路，發(fā)現(xiàn)其絕緣值都在正常范圍內(nèi)。接下來檢查逆變器，測量其出口銅排絕緣值僅為0.5 kΩ，說明問題在逆變器側(cè)及以上。繼續(xù)斷開逆變器與整流變壓器之間的連接電纜，再次檢查絕緣值為30 kΩ，逆變器問題被排除。在斷開點(diǎn)處檢查逆變器進(jìn)線電纜及整流變壓器絕緣值僅為0.5 kΩ，繼而將整流變壓器的二次側(cè)聯(lián)接螺栓拆除后檢查電纜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Y側(cè)B相有一根并聯(lián)的連接電纜接地。沿電纜查找最終發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)位于變壓器室外上方電纜橋架的一橫檔處。該單芯電纜的絕緣皮陷入了橫檔脛板中，并且溫度燙手，周圍電纜表皮也不同程度軟化，對(duì)此處絕緣處理后重新連接，絕緣值恢復(fù)了正常。通電繼續(xù)生產(chǎn)后，用鉗形電流表分別測量每根電纜電流，發(fā)現(xiàn)6相中每根并聯(lián)電纜的電流嚴(yán)重不平衡，測量結(jié)果見表1。經(jīng)查單芯YJV240 mm2電纜額定載流量 625 A，運(yùn)行功率為1 800 kW時(shí)B1相V號(hào)電纜電流已達(dá)到767 A，因此導(dǎo)致該電纜絕緣皮過熱而損壞。

表1 改造前各相并聯(lián)電纜電流測量值

2 故障原因分析

從表1中Y側(cè)B1電流相電纜數(shù)據(jù)可以看出，電流不平衡系數(shù)達(dá)524%。

不平衡系數(shù)

K=(Imax-Imin)/Imin×100%

(1)

5根截面積和長度一致的單芯電纜并聯(lián)使用時(shí)，即使每根電纜的直流電阻和接觸電阻有細(xì)微差別，在其兩端電位差相等的情況下，電流不會(huì)相差如此之大，其根本原因是交流電阻相差較大。經(jīng)現(xiàn)場檢查，六相電源30根單芯電纜在同一電纜橋架中敷設(shè)，當(dāng)橋架經(jīng)過另一臺(tái)熔化爐變壓器室上方時(shí)，又有30根相同類型電纜疊放其上，所以橋架內(nèi)的電纜排列極為混亂。

導(dǎo)體最高工作溫度下單位長度的交流電阻計(jì)算公式為：

R=R′×(1+ys+yp)

(2)

式中：R——最高工作溫度下導(dǎo)體的交流電阻，Ω/m;

R′——最高工作溫度下導(dǎo)體的直流電阻，Ω/m;

ys——集膚效應(yīng)因數(shù);

yp——鄰近效應(yīng)因數(shù)。

由于通電導(dǎo)體存在集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，因此它們是影響交流電阻的重要因素。 其中，集膚效應(yīng)與頻率相關(guān)，電纜連接在相同電源的場合下，集膚效應(yīng)因數(shù)基本一致。排除了集膚效應(yīng)造成電流分配不平衡的可能。鄰近效應(yīng)與相鄰電纜電流的相位和距離關(guān)系密切。由于現(xiàn)場橋架中疊放不同電纜太多，無論是相位還是距離都無法確定其合理性，因此會(huì)造成每根電纜的鄰近效應(yīng)差異很大，最終導(dǎo)致了各電纜交流電阻的差異，由此導(dǎo)致電流分配不均衡。

3 改造方案

樊友兵等人提出并聯(lián)電纜不同排列方式會(huì)導(dǎo)致電流分配系數(shù)較大差異。[1]以下列出的幾種排列方案，電纜間交流電阻差異較小，能夠減小電纜并聯(lián)使用時(shí)的電流分配差異。方案以3根電纜并聯(lián)為例，詳細(xì)列出了其電流分配系數(shù)，參見圖2和表2。

4 方案實(shí)施

每根電纜間的電流分配系數(shù)相差如此之大，無法保證電纜長期安全運(yùn)行，必須進(jìn)行改造。比較表2中的3種排列方案， b方案效果最佳，稍作調(diào)整后易于施工，因此選擇了b方案。該方案實(shí)施過程如下：

圖2 同相3根電纜并聯(lián)運(yùn)行的排列方式

表2 不同排列方案的電流分配系數(shù)

注：電流分配系數(shù)ik=I/In，其中In=(I1+…+In)/n

(1)為避免不同爐組電纜之間相互電磁干擾，兩套爐組分開敷設(shè)。

(2)將整流變壓器D側(cè)電纜與Y側(cè)電纜分橋架單獨(dú)敷設(shè)。

(3)考慮到現(xiàn)場的場地有限，對(duì)b方案進(jìn)行了優(yōu)化，更有利于施工?，F(xiàn)場實(shí)際排列方式如圖3所示。

圖3 改造后30根YJV1×240 mm2電纜分兩個(gè)橋架的排列方式

5 改造效果

施工嚴(yán)格按照方案對(duì)電纜進(jìn)行排列，每隔500 mm對(duì)電纜進(jìn)行捆綁，使之排列整齊。

改造完成后，通電大功率運(yùn)行，從測得電流數(shù)據(jù)顯示(表3)各相并聯(lián)電纜的不平衡系數(shù)大幅降低，由之前最高相524%全部降至28%以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期改造效果。

表3 改造后各相并聯(lián)電纜電流測量值

6 結(jié)束語

總結(jié)本起電纜接地故障案例可知，在涉及并聯(lián)電纜敷設(shè)工程時(shí)，一定要遵循科學(xué)排列方式，避免隨意敷設(shè)帶來的危害，這對(duì)施工和運(yùn)行尤為重要。

[1] 樊友兵，趙健康，錢康,等. 單芯電力電纜同相多根并聯(lián)運(yùn)行方式分析與優(yōu)化[J]. 電網(wǎng)安全與運(yùn)行，2010，36(10)：2610-2611.

[2] 柴進(jìn)愛，梁永春，李彥明. 三相電纜并聯(lián)導(dǎo)體間電流分布的研究[J]. 電力設(shè)備，2007，8(9):16-18.

[3] 馬國棟. 電線電纜載流量[M].北京：中國電力出版社，2003：44-45.

Analysis and Modification for Oxygen-free Copper Furnace of Inverter Device Parallel Cable Grounding Fault

WU Xiao-yuan

The feed cable of oxygen-free copper furnace of inverter device employed five parallel single-core cables for each phase, ground fault occurs in the inverter running. The reasons are cable winding seriously which lead to current imbalance among five parallel single-cor cables for each phase.Based on the demand of many parallel laying cables, this paper points out the proximity effect influence on the impedance between parallel cables, and finds the solution. The current balance compared before and after the modification indicates that the problems are improved and it achieves the desired effect which satisfies the requirements of long-term safe operations of the cable.

cable; fault; winding; proximity effect; AC impedance; current balance

2014-10-23

吳小淵(1972—)，男，安徽銅陵人，大學(xué)本科，電氣工程師，長期從事銅加工設(shè)備的電氣技術(shù)工作。

TM757

B

1008-5122(2015)02-0037-03