1 基本情況

1.1 供電系統(tǒng)概況

某企業(yè)的供電系統(tǒng)電源電壓為10 kV，有4 臺(tái)1 600 kVA的主變，正常用電負(fù)荷約為6 000 kW，最大負(fù)荷可達(dá)8 000 kW;有自備柴油發(fā)電機(jī)組6套，總裝機(jī)容量為12 550 kW，6套發(fā)電機(jī)組全部并聯(lián)到380 V母線上，再用48根單心電纜通過4個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)與供電系統(tǒng)低壓母線連接，如圖1所示，每個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的每一相母線連接4根300 mm2的單心電纜，自備發(fā)電機(jī)組到供電系統(tǒng)低壓母線間的聯(lián)絡(luò)電纜平均長(zhǎng)度約50 m，電纜采用鋼橋架敷設(shè)，電纜在橋架中的以無規(guī)律隨機(jī)的方式布置.

1.2 聯(lián)絡(luò)電纜短路事故調(diào)查

自備發(fā)電機(jī)到供電系統(tǒng)低壓母線之間的聯(lián)絡(luò)電纜線路工程是在短路事故發(fā)生的三個(gè)多月前安裝完成的，在工程驗(yàn)收檢查時(shí)，對(duì)電纜接頭.電纜中間的敷設(shè)質(zhì)量等項(xiàng)目進(jìn)行了檢查，電纜接頭與銅排連接的安裝工藝.接頭接觸面積等都符合設(shè)計(jì)要求，橋架中間的電纜無急彎.被擠壓等缺陷，對(duì)各電纜的絕緣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均正常.接著啟動(dòng)自備發(fā)電機(jī)組并按全廠30%負(fù)荷進(jìn)行帶負(fù)載試運(yùn)行，時(shí)間保持10 min左右，未發(fā)現(xiàn)任何異常.此后將自備發(fā)電機(jī)組及聯(lián)電纜絡(luò)線路處于自動(dòng)備用狀態(tài).

事發(fā)當(dāng)天中午，自備發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)并首次實(shí)際并網(wǎng)發(fā)電，到傍晚根據(jù)供電部門的調(diào)峰要求，切除市電后由自備發(fā)電機(jī)組帶全廠的負(fù)荷運(yùn)行，4個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)及其所連接的48 根電纜全部投入運(yùn)行.大約運(yùn)行了20 min,配電值班人員曾檢查各聯(lián)絡(luò)開關(guān).電纜接頭等均未發(fā)現(xiàn)異常，用紅外測(cè)溫儀測(cè)量電纜溫度即發(fā)現(xiàn)部分電纜表面溫度高達(dá)95°，大約過了10 min,在電纜橋架中間處發(fā)生了爆炸.現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)只有1處發(fā)生爆炸，共有8根電纜被燒斷，核對(duì)后發(fā)現(xiàn)A相燒斷3根，B相燒斷2根，C相燒斷3根.經(jīng)核查，事發(fā)時(shí)供電系統(tǒng)（低壓側(cè)）的總負(fù)荷電流約為11 kA,電纜平均電流密度為2.3 A/mm2,屬于接近經(jīng)濟(jì)電流密度值，如果各電纜中的電流分布均勻，電纜表面的溫度應(yīng)該小于90 ℃，不至于會(huì)發(fā)生短路爆炸事故，究竟什么原因引發(fā)了電纜短路爆炸事故.

2 事故原因分析

在對(duì)聯(lián)絡(luò)電纜短路爆炸事故進(jìn)行調(diào)查分析后認(rèn)為，引發(fā)事故的直接原因主要有以下三個(gè)方面：

（1）受集膚效應(yīng)影響導(dǎo)致部分電纜過載.橋架內(nèi)部空間的狹小增加了電纜規(guī)則敷設(shè)的難度.低壓聯(lián)絡(luò)電纜線路的電流很大，采用了數(shù)根單心電纜并聯(lián)的敷設(shè)方式，當(dāng)同相的數(shù)根電纜相互靠近時(shí)可以把它們看成為一整根截面很大的導(dǎo)體（如圖2所示，其是每相12根單心電纜并聯(lián)集中敷設(shè)的案例）.

下面以圖2 的案例分析集膚效應(yīng)對(duì)多根并聯(lián)分相集中敷設(shè)電纜線路的影響.

集膚效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是衰減電磁波向?qū)w內(nèi)傳播磁場(chǎng)通量ψ引起的效應(yīng)，定量描述通常引用集膚深度的概念，用d 代表從導(dǎo)體表面算起的深度，則電流密度j 隨深度d 的增加而按指數(shù)函數(shù)衰減，即：

式中：j0 代表導(dǎo)體表面的電流密度；ds是一個(gè)具有長(zhǎng)度量綱的量，是電流密度j 減少到j(luò)0 的1 e =37%時(shí)的深度，稱集膚深度.

從上式關(guān)系式可以看出：圖2中處于表面分布圓Φ3上的1,4,9,12等號(hào)電纜的電流密度最大，其次是處于分布圓Φ2 上的2,3,5,8,10,11等號(hào)電纜的電流密度中等，處于分布圓Φ1上的6,7等號(hào)電纜的電流密度最小.

如果大電流電纜線路按照類似于圖2的方式敷設(shè)，其中的1,4,9,12號(hào)電纜極易發(fā)生過載，甚至造成過熱和短路等事故的發(fā)生.該企業(yè)的聯(lián)絡(luò)電纜線路中，橋架中的48 根300 mm2 的單心電纜分別經(jīng)4 個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)后與供電系統(tǒng)低壓母線連接，一般情況下每個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)每相的4根并聯(lián)電纜在敷設(shè)時(shí)是集中在一起的，屬于如圖2所示的同相數(shù)根并聯(lián)集中敷設(shè)的方式，由于橋架電纜敷設(shè)時(shí)沒有特別的要求，因此，橋架中的電纜分布會(huì)出現(xiàn)個(gè)別或局部交叉等現(xiàn)象，當(dāng)某個(gè)交叉部位同時(shí)出現(xiàn)各相中電流密度最大或者比較大的數(shù)根電纜聚集時(shí)，在供電系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，很容易同時(shí)發(fā)生過熱而使電纜絕緣融化失效，引發(fā)異相間短路和電纜爆炸事故.

（2）橋架鋼構(gòu)件使電纜阻抗變化引起電纜電流分配不均.該聯(lián)絡(luò)電纜線路采用橋架敷設(shè)，橋架使用鋼板和角鋼制造，屬于磁導(dǎo)率很高的材料，由于電纜的感抗X與導(dǎo)線周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ成正比（即X∝L∝μ），敷設(shè)在橋架中的單心電纜與橋架的阻抗會(huì)比架空敷設(shè)時(shí)增大，由于橋架中電纜與橋架體的距離各不相同，會(huì)導(dǎo)致各電纜的阻抗增加有差異，同時(shí)橋架本身結(jié)構(gòu)也有差異也會(huì)導(dǎo)致各電纜的阻抗增加有差異（如側(cè)面為鋼板，與其緊靠的電纜的阻抗會(huì)明顯增大）.由于各電纜的阻抗有差異，也在一定程度上影響負(fù)荷電流在各電纜中的均衡分配，也可造成電纜的偏載.部分過熱和短路.

（3）敷設(shè)間隔過小影響散熱效果.橋架內(nèi)部空間狹小，使電纜的敷設(shè)距離受限，甚至出現(xiàn)局部堆積的現(xiàn)象，影響電纜的散熱效果，在數(shù)根過載電纜聚集的部位可引起快速升溫，導(dǎo)致短路事故的發(fā)生.

從以上分析可知，該企業(yè)供電系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)電纜采用數(shù)根電纜并聯(lián)方式在橋架中敷設(shè)，集膚效應(yīng)是造成電纜偏載.部分過熱的主要原因，鋼制橋架敷設(shè)使各電纜阻抗出現(xiàn)差異性變化也是造成電纜偏載.部分電纜過熱的原因，加上電纜在橋架中敷設(shè)間距過小和局部堆積等現(xiàn)象影響散熱，從而引發(fā)聯(lián)絡(luò)電纜短路事故的發(fā)生.

3 聯(lián)絡(luò)電纜線路敷設(shè)的改進(jìn)措施

根據(jù)事故分析的結(jié)果，主要采取以下措施對(duì)原有聯(lián)絡(luò)電纜敷設(shè)進(jìn)行改進(jìn)：

（1）采用三相單心電纜品字并聯(lián)分組敷設(shè)的方法來減輕集膚效應(yīng)的影響.根據(jù)三相交流電路的特性可知，當(dāng)三相負(fù)荷ZA,ZB,ZC對(duì)稱時(shí)（即ZA=ZB=ZC）時(shí)，有：

iA + iB + iC = 0

而該企業(yè)供電系統(tǒng)的三相負(fù)荷是基本對(duì)稱的，當(dāng)三相負(fù)荷電流同時(shí)通過每三根一組的單心電纜時(shí)，每組電纜中的三相（瞬時(shí)）負(fù)荷電流的和基本為零，各電纜心的瞬時(shí)電流方向各不相同，并保持正.反方向的電流相互抵消，避免集膚效應(yīng)的發(fā)生，能使負(fù)荷電流能夠自動(dòng).比較均衡地分配到各并聯(lián)敷設(shè)電纜的中.

（2）增加橋架中電纜敷設(shè)的間距，改善散熱條件.

（3）增加橋架的通風(fēng)條件，提高散熱能力.

聯(lián)絡(luò)電纜敷設(shè)改進(jìn)措施的具體方法為：從供電系統(tǒng)兩端母線起，將每三根（A.B.C相各一根）電纜組成一組用尼龍?jiān)鷰Ы壴势纷中螤詈笾糜跇蚣軆?nèi)，數(shù)組并列敷設(shè)，電纜在橋架中的布置如圖3所示.

橋架中的48根電纜共分16組重新進(jìn)行了規(guī)范的敷設(shè)，每?jī)山M之間留有10~30 mm通風(fēng)散熱間隙.在電纜與兩端母線的連接處，采用了如圖4所示的連接方式，盡可能避免兩組之間同一相電纜的相互平行靠近，進(jìn)一步降低集膚效應(yīng)的影響.

4 結(jié)語

該企業(yè)的聯(lián)絡(luò)電纜線路經(jīng)過上述改造后，至今已經(jīng)運(yùn)行3年多，例行檢查各接頭及各電纜表面狀況一直良好，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各電纜表明溫度均在40 ℃左右.事實(shí)證明了本文的分析結(jié)果.