供电系统低压母线的联络电缆的短路故障的分析与处理方案

1 基本情况

1.1 供电系统概况

某企业的供电系统电源电压为10 kV，有4 台1 600 kVA的主变，正常用电负荷约为6 000 kW，最大负荷可达8 000 kW;有自备柴油发电机组6套，总装机容量为12 550 kW，6套发电机组全部并联到380 V母线上，再用48根单心电缆通过4个联络开关与供电系统低压母线连接，如图1所示，每个联络开关的每一相母线连接4根300 mm2的单心电缆，自备发电机组到供电系统低压母线间的联络电缆平均长度约50 m，电缆采用钢桥架敷设，电缆在桥架中的以无规律随机的方式布置.

1.2 联络电缆短路事故调查

自备发电机到供电系统低压母线之间的联络电缆线路工程是在短路事故发生的三个多月前安装完成的，在工程验收检查时，对电缆接头.电缆中间的敷设质量等项目进行了检查，电缆接头与铜排连接的安装工艺.接头接触面积等都符合设计要求，桥架中间的电缆无急弯.被挤压等缺陷，对各电缆的绝缘进行检测，结果各项指标均正常.接着启动自备发电机组并按全厂30%负荷进行带负载试运行，时间保持10 min左右，未发现任何异常.此后将自备发电机组及联电缆络线路处于自动备用状态.

事发当天中午，自备发电机组启动并首次实际并网发电，到傍晚根据供电部门的调峰要求，切除市电后由自备发电机组带全厂的负荷运行，4个联络开关及其所连接的48 根电缆全部投入运行.大约运行了20 min,配电值班人员曾检查各联络开关.电缆接头等均未发现异常，用红外测温仪测量电缆温度即发现部分电缆表面温度高达95°，大约过了10 min,在电缆桥架中间处发生了爆炸.现场勘察发现只有1处发生爆炸，共有8根电缆被烧断，核对后发现A相烧断3根，B相烧断2根，C相烧断3根.经核查，事发时供电系统（低压侧）的总负荷电流约为11 kA,电缆平均电流密度为2.3 A/mm2,属于接近经济电流密度值，如果各电缆中的电流分布均匀，电缆表面的温度应该小于90 ℃，不至于会发生短路爆炸事故，究竟什么原因引发了电缆短路爆炸事故.

2 事故原因分析

在对联络电缆短路爆炸事故进行调查分析后认为，引发事故的直接原因主要有以下三个方面：

（1）受集肤效应影响导致部分电缆过载.桥架内部空间的狭小增加了电缆规则敷设的难度.低压联络电缆线路的电流很大，采用了数根单心电缆并联的敷设方式，当同相的数根电缆相互靠近时可以把它们看成为一整根截面很大的导体（如图2所示，其是每相12根单心电缆并联集中敷设的案例）.

下面以图2 的案例分析集肤效应对多根并联分相集中敷设电缆线路的影响.

集肤效应的实质是衰减电磁波向导体内传播磁场通量ψ引起的效应，定量描述通常引用集肤深度的概念，用d 代表从导体表面算起的深度，则电流密度j 随深度d 的增加而按指数函数衰减，即：

式中：j0 代表导体表面的电流密度；ds是一个具有长度量纲的量，是电流密度j 减少到j0 的1 e =37%时的深度，称集肤深度.

从上式关系式可以看出：图2中处于表面分布圆Φ3上的1,4,9,12等号电缆的电流密度最大，其次是处于分布圆Φ2 上的2,3,5,8,10,11等号电缆的电流密度中等，处于分布圆Φ1上的6,7等号电缆的电流密度最小.

如果大电流电缆线路按照类似于图2的方式敷设，其中的1,4,9,12号电缆极易发生过载，甚至造成过热和短路等事故的发生.该企业的联络电缆线路中，桥架中的48 根300 mm2 的单心电缆分别经4 个联络开关后与供电系统低压母线连接，一般情况下每个联络开关每相的4根并联电缆在敷设时是集中在一起的，属于如图2所示的同相数根并联集中敷设的方式，由于桥架电缆敷设时没有特别的要求，因此，桥架中的电缆分布会出现个别或局部交叉等现象，当某个交叉部位同时出现各相中电流密度最大或者比较大的数根电缆聚集时，在供电系统满负荷运行的情况下，很容易同时发生过热而使电缆绝缘融化失效，引发异相间短路和电缆爆炸事故.

（2）桥架钢构件使电缆阻抗变化引起电缆电流分配不均.该联络电缆线路采用桥架敷设，桥架使用钢板和角钢制造，属于磁导率很高的材料，由于电缆的感抗X与导线周围介质的磁导率μ成正比（即X∝L∝μ），敷设在桥架中的单心电缆与桥架的阻抗会比架空敷设时增大，由于桥架中电缆与桥架体的距离各不相同，会导致各电缆的阻抗增加有差异，同时桥架本身结构也有差异也会导致各电缆的阻抗增加有差异（如侧面为钢板，与其紧靠的电缆的阻抗会明显增大）.由于各电缆的阻抗有差异，也在一定程度上影响负荷电流在各电缆中的均衡分配，也可造成电缆的偏载.部分过热和短路.

（3）敷设间隔过小影响散热效果.桥架内部空间狭小，使电缆的敷设距离受限，甚至出现局部堆积的现象，影响电缆的散热效果，在数根过载电缆聚集的部位可引起快速升温，导致短路事故的发生.

从以上分析可知，该企业供电系统的联络电缆采用数根电缆并联方式在桥架中敷设，集肤效应是造成电缆偏载.部分过热的主要原因，钢制桥架敷设使各电缆阻抗出现差异性变化也是造成电缆偏载.部分电缆过热的原因，加上电缆在桥架中敷设间距过小和局部堆积等现象影响散热，从而引发联络电缆短路事故的发生.

3 联络电缆线路敷设的改进措施

根据事故分析的结果，主要采取以下措施对原有联络电缆敷设进行改进：

（1）采用三相单心电缆品字并联分组敷设的方法来减轻集肤效应的影响.根据三相交流电路的特性可知，当三相负荷ZA,ZB,ZC对称时（即ZA=ZB=ZC）时，有：

iA + iB + iC = 0

而该企业供电系统的三相负荷是基本对称的，当三相负荷电流同时通过每三根一组的单心电缆时，每组电缆中的三相（瞬时）负荷电流的和基本为零，各电缆心的瞬时电流方向各不相同，并保持正.反方向的电流相互抵消，避免集肤效应的发生，能使负荷电流能够自动.比较均衡地分配到各并联敷设电缆的中.

（2）增加桥架中电缆敷设的间距，改善散热条件.

（3）增加桥架的通风条件，提高散热能力.

联络电缆敷设改进措施的具体方法为：从供电系统两端母线起，将每三根（A.B.C相各一根）电缆组成一组用尼龙扎带绑扎呈品字形状后置于桥架内，数组并列敷设，电缆在桥架中的布置如图3所示.

桥架中的48根电缆共分16组重新进行了规范的敷设，每两组之间留有10~30 mm通风散热间隙.在电缆与两端母线的连接处，采用了如图4所示的连接方式，尽可能避免两组之间同一相电缆的相互平行靠近，进一步降低集肤效应的影响.

4 结语

该企业的联络电缆线路经过上述改造后，至今已经运行3年多，例行检查各接头及各电缆表面状况一直良好，满负荷运行时各电缆表明温度均在40 ℃左右.事实证明了本文的分析结果.