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摘要：在核电站建设中，钢制电缆支架使用极为广泛，单芯中压电缆也被大量的使用。在核电站机组运行过程中，三相单芯中压电缆运载的交变电流作用于金属支架产生的涡流损耗是不可忽略的。若电缆敷设方式不当，在涡流损耗的作用下，金属支架本体温度升高，损害电缆外护套，加速电缆老化。本文结合电缆支架涡流损耗的产生原理，通过对电缆支架过热产生原因进行分析，排除电缆金属屏蔽层与支架接触形成回路等原因，找出导致电缆支架过热的根本原因，是电缆支架周围存在交变磁场，产生涡流损耗。通过广泛查阅相关资料，结合相关数据，制定降低涡流损耗的措施。根据分析出的原因，采取改进措施，最终达到解决问题的目的。本案例的分析及处理，不仅解决了现场的实际问题，也指导了核电站其他机组的电缆敷设施工，可以避免了因此问题导致的电缆敷设返工，消除了电缆漏电的安全隐患，确保了核电站的安全可靠运行，也为电缆涡流损耗的进一步研究提供了参考。
关键词：中压电缆；电缆支架；涡流损耗
1.引言
在核电站的建设过程中，电力电缆得到了广泛的使用，电缆的敷设方式也是多种多样的，其中电缆在电缆支架上敷设最为常见。电缆支架材料类型以钢质材料为主，其具有机械强度高、安装成本低等优点。但是由于电缆支架为钢质材料，在运载着时变交流电流的三相单芯中压电缆的作用下，会在电缆支架内产生感生电流，进而形成涡流损耗，导致电缆支架温度升高，与电缆支架接触的电缆加速老化，缩减电缆的使用寿命。
核电站内的中压电缆主要为三相单芯电缆，若采用的敷设方式不正确，电缆支架内就会产生较大的涡流损耗，电缆支架本体温度随之升高，达到损害电缆性能的程度。在核电站建设中，三相单芯中压电缆的敷设量大，敷设环境复杂，施工人员对涡流损耗的认识不深刻，因涡流损耗导致电缆支架温度升高的现象时常发生。所以，根据涡流损耗的产生原理及时查明现场电缆支架温度过高的原因，制定合理的方案，提出改进措施，是避免电缆支架因涡流损耗导致温度过高的关键所在。
2.基本情况
某核电站6kV厂用电源系统主要设备由主变压器、高厂变、6kV开关柜等设备组成，具体接线路径由主变压器BAT10出线引至高厂变BBT01、BBT02，在经BBE\F\G\H开关柜引至BBA\B\C\D中压开关柜。6kV开关柜进出线电缆为三相单芯中压电缆。进出线电缆通过梯架式电缆桥架敷设，敷设路径根据设备之间的距离和设备所在位置确定。
在电缆的敷设过程中，可能会出现多种敷设形式，如三根单芯中压电缆品字形敷设，三根电缆并排在同一层敷设，三根电缆在上中下三层分别敷设。敷设完成后，通过绑扎带对电缆进行固定，确保电缆平稳牢固可靠进行电力传输。
3.问题现象
BBA段母线送电完成后，现场人员通过红外成像探测仪巡检时发现，BBA段母线下方的电缆间内，BBA柜进线电缆敷设所用的支架温度较高，最高处温度达114.4℃。与该处电缆支架接触的电缆护套层发生胀裂，露出绕包带层。
《发电厂、变电所电缆选择与敷设设计规程》SDJ26-1989和《电力工程电缆设计规范》GB 50217-2007中规定：6kV电缆导体运行时温度不应大于90℃。虽然在相关标准中并未对电缆支架温度限值进行说明，但若电缆支架与电缆相接触，且温度超过电缆允许限值温度较多，长期运行将会加速电缆老化。
4.原因分析
根据问题现象，结合涡流损耗原理，依次从电缆支架接地接触不良，电缆金属屏蔽层与支架接触形成回路，电缆支架周围存在交变磁场等三方面进行分析。
4.1涡流损耗原理
导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内的感生电流导致的能量损耗，叫做涡流损耗。在导体内部形成的一圈圈闭合的电流线，称为涡流（又称傅科电流）。导体的几何形状、导体的位置、导体的运动轨迹、导体的电、磁导率等因素决定了涡流损耗的大小。例如变压器的铁心，其中有随时间变化的磁通，它在副边产生感应电动势，同时也在铁心中产生感应电动势，从而产生涡流。这些涡流使铁心发热，消耗电能。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当薄片铁心中通过正弦交变磁通时，单位体积铁心内的涡流损耗可按下式近似计算：
式中，σ为铁心材料的电导率，f为电源频率，d为叠片厚度，Bm为磁感应强度幅值。
4.2是否因电缆金属屏蔽层与支架接触形成回路引起支架发热
在对电缆外保护套层出现胀裂的部位检查中，发现位于金属屏蔽层外侧的绕包带层并未破损，电缆金属屏蔽层未与支架直接接触。在外保护套层破损的电缆与支架间垫上高压绝缘板和新型隔热材料后，经过2天的观察，电缆支架温度仍高达110℃以上，未发生变化，因此可以排除电缆金属屏蔽层与支架接触形成电流环路发热导致支架温度高的假设。
4.3是否因电缆支架周围存在交变磁场引起支架发热
在检查过程中，将小铁片放在电缆支架端部，电缆支架将小铁片牢牢吸住，说明在电缆支架周围存在较强磁场。另外，在检查BBA柜进线电缆与支架的布置方式时发现，BBA柜进线同相三回路电缆固定在同一支架上，处于相间的两根电缆支架温度高达114.4℃，处于每回路电缆外侧的一根电缆支架温度最高为49℃。
利用向量法，将电缆A相电流和B相电流进行叠加，则得到：
A+B=AB叠
从向量图中可以看出，AB叠电流与C电流大小相等，方向相反。根据右手螺旋定则，A、B相电缆叠加电流AB叠和C相电缆电流C产生的电磁场方向，两者产生电磁场方向相同，说明电缆相间存在较强的交变磁场。
根据涡流损耗的原理可知，若电缆支架处于较强的交变磁场中，交变磁场会渗入支架，在支架内部产生感应电动势，形成一圈圈闭合涡流回路，导致支架发热。
其余温度正常的6kV电缆支架，电缆与支架布置方式均将每回路三相电缆固定在同一支架上，电缆支架不存在于相间，以BBC柜进线电缆与支架布置方式来分析，在这种情况下，A、B、C三相电缆间无支架，形成对称交流电流。对于三相对称交流电流，A+ B+ C=0，在三根电缆电流产生的合成磁场强度为H≈0。说明电缆周围不存在较大的交变磁场，支架受涡流损耗影响小，温度在正常范围内。
综合上述分析，带负荷的三相单芯中压电缆相间存在较强的交变电磁场，导致处于电缆相间的支架在交变电磁场作用下，因涡流损耗影响，造成电缆支架温度过高。
5.改进措施
5.1改变电缆敷设的排列方式
比较BBA柜与其余柜6kV进出线电缆敷设方式得知，采用每回路三相单芯中压电缆固定在同一支架上，确保电缆相间无支架，涡流损耗将降低。若三相单芯中压电缆采用品字形排列，涡流损耗可进一步降低。故在三相单芯中压电缆敷设的过程中更适宜采用同层排列敷设或品字形排列敷设。
5.2选取其他电缆支架材料
根据涡流损耗原理，电缆支架的材质也是影响其损耗大小的因素之一，若采用非导磁材料，如铝、铜、不锈钢，可以降低甚至消除涡流损耗，但是建造费用将提高。
6.结论
通过对某核电站电缆支架因涡流损耗而导致温度过高的现象进行分析，发现三相单芯中压电缆在支架的上中下三层分别敷设，会形成较大的交变磁场，增大涡流损耗，导致支架温度过高。因此在电厂建设阶段，一定要注意三相单芯中压电缆的敷设方式，三相单芯中压电缆应敷设在同层支架上，在条件允许的情况下优先采用品字型敷设。
参考文献
[1] SDJ26-1989，发电厂、变电所电缆选择与敷设设计规程
[2] GB50217-2007，电力工程电缆设计规范
[3] 朱景林，电缆支架涡流损耗的研究，上海电力，2009（5）：400-402
[4] 崔厚坤，220kV电缆支撑系统涡流损耗影响因素研究，电气自动化，2017，39（1）：49-52
论文作者:吴亚光
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年16期
论文发表时间:2019/11/7
标签：电缆论文; 支架论文; 涡流论文; 温度论文; 中压论文; 磁场论文; 电流论文; 《建筑学研究前沿》2019年16期论文;