郑微波
华电贵港发电有限公司，广西 贵港 537138
摘要：本文介绍了贵港电厂2×630MW机组输煤系统斗轮机的电源系统组成、主要用途及其重要性。对该厂斗轮机多次发生的卷盘6kV电缆变形击穿故障进行分析，查找出根本原因，采取有效措施彻底解决了电缆的变形击穿问题，并对设备初始设计、安装、调试过程的管理提出了一些建议。
关键词：电缆；变形；击穿；导缆架支撑；滚轮；卷盘
Analysis and treatment of deformation and breakdown of 6kV cable for bucket wheel machine reel
Zheng Weibo
Huadian Guigang Power Generation Co., Ltd Guigang, Guangxi537138
Abstract: This paper introduces the power supply system composition, main use and importance of bucket wheel machine in coal handling system of 2 × 630MW unit in Guigang power plant. This paper analyzes the deformation and breakdown faults of 6kV cable in the bucket wheel machine, finds out the root cause, takes effective measures to completely solve the problem of cable deformation and breakdown, and puts forward some suggestions on the management of the initial design, installation and commissioning of the equipment.
Key words: cable; deformation; breakdown; fairlead support; roller; reel
0 引言
贵港电厂2×630MW机组输煤系统平行布置有4座煤场，分别编号#1～#4。每两座煤场之间共用一台额定出力为取料2000t/h、堆料1500t/h的悬臂式斗轮堆取料机（以下简称：斗轮机），即#1、#2煤场之间和#3、#4煤场之间各有一台斗轮机，分别编号为#1、#2。其主要用途有三个方面：一是将火车来煤通过输煤皮带转运至煤场指定位置堆放。二是将锅炉掺配掺烧所需煤种从煤场取出，通过输煤皮带运送到原煤仓供锅炉燃烧使用。三是可以通过#1斗轮机将#1、#2号煤场的存煤转运至#3、#4煤场进行堆放，但#2斗轮机不能将#3、#4煤场的存煤转运至#1、#2煤场堆放。这两台斗轮机作为输煤系统三大重要设备之一，如果出现故障长时间不能恢复，将对输煤系统的安全稳定运行造成严重影响。
1 斗轮机电源供电系统组成
斗轮机的供电电源为6kV、50Hz的三相四线交流电。电源电缆从输煤6kV配电室内斗轮机6kV开关柜引出至斗轮机地面分接箱，从分接箱引出后经过斗轮机尾车电缆卷盘接入尾车电缆卷筒的滑环上，从滑环引出至斗轮机配电室内的高压开关柜，再从高压开关柜引出后经主、辅助变压器至400V低压配电柜，为斗轮机提供动力、控制、照明、暖通、通讯等交流380V、220V及直流24V电源。其中斗轮机地面分接箱至尾车电缆卷盘采用的电缆为6kV的扁电缆，长度约170m，该段电缆会随着斗轮机行走而被卷盘收拢或放出，是最容易发生电气故障的电缆。
2 卷盘6kV电缆变形击穿故障的现象及影响
2.1 故障现象
该厂输煤系统的两台斗轮机投运后不久，#1斗轮机首先发生了卷盘6kV扁电缆变形击穿故障。开始并没有进行过多的分析，简单认为可能是电缆在施工过程中受了损伤引起，直接对扁电缆进行了更换。几个月后#2斗轮机也发生了同样的问题，并且#1斗轮机新更换的扁电缆又再次开始出现类似的变形，这时才觉得应该不是电缆施工中受了损伤的问题，而是有客观原因造成扁电缆变形。每次都是扁电缆边缘某处先发生变形，运行一段时间后就在该变形位置发生击穿，击穿故障一般为单相接地故障。由于扁电缆为进口高压电缆，购买周期长且每次更换整根的费用较高，给企业造成了不小的经济损失。
2.2对输煤系统运行的影响
该段6kV扁电缆作为斗轮机电源供电系统的重要组成部分， 一旦发生击穿故障将造成输煤6kV配电室内的斗轮机6kV开关跳闸，斗轮机整体失电而瘫痪。对击穿电缆进行紧急处理恢复有两种方案，如果是将击穿点切除重新做电缆对接，晴天时一般需要7个小时，雷雨天气时因为周围空气潮湿处理时间更长。这种紧急处理恢复后，由于该扁电缆的击穿部位经绝缘处理后变宽变厚，在斗轮机行走过程中该处扁电缆不易从电缆卷盘收进和放出，易被卷盘卡住造成电缆二次拉伤问题，因此只能将处理好的电缆接头至卷筒滑环部分的电缆固定在卷盘内，造成斗轮机实际行走距离缩短，斗轮机在煤场堆、取料的作业范围也相应缩小，给输煤系统的安全生产工作造成被动局面。如果是将击穿电缆进行整根更换，所需时间一般需要12小时，天气潮湿的情况下加上处理电缆绝缘的问题，时间可能需要15小时以上。无论采用哪种方案进行处理，斗轮机都需要长时间停运，这对来煤的接卸、转运存放及锅炉用煤的掺配掺烧都会造成较大影响，双机高负荷时还有可能造成因燃煤供给不上，迫使机组降出力或停机的风险。因此该段扁电缆运行情况的好坏对于斗轮机的稳定运行甚至输煤系统的稳定运行都有着举足轻重的影响。
3 卷盘6kV电缆变形击穿的原因分析
3.1 电缆击穿的原因分析
扁电缆发生击穿接地故障后，在做好停电安全措施的情况下对扁电缆变形击穿部位剥开外护套进行检查，发现电缆击穿位置都位于扁电缆边缘的线芯扭曲变形处，该处电缆线芯呈S形状，击穿形成一个小孔，如图1所示。从剥开的内部电缆线芯击穿位置所形成的不规则S形状分析，电缆击穿处因电缆线芯扭曲变形，长时间运行绝缘逐渐下降，直至发生瞬时击穿接地故障，瞬间强大的过电流冲击电缆成孔。
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3.2电缆线芯扭曲变形的原因分析
电缆线芯扭曲变形有三种可能情况：一是电缆本身存在质量缺陷。二是电缆选型与电缆卷盘不匹配。三是电缆受巨大外力因素导致其扭曲变形。下面对三种情况逐一分析确认。
3.2.1 电缆本身存在电性能或机械性能方面的质量缺陷
电性能质量缺陷主要是导体直流电阻及绝缘电阻不合格、交/直流耐压试验不合格、绝缘层厚度不达标等。机械性能质量缺陷主要是电缆的抗张强度及耐弯曲力不合格等。每次电缆到货验收时有厂家提供的出厂相关试验合格报告及检验合格证。在电缆更换时检修人员也对新电缆进行了相关的高压性能试验，试验结果也均合格。另外每次购买的电缆，时间上都间隔了至少8个月以上，不可能是同一批次的产品。不同批次的产品存在同样质量缺陷的几率很小，因此电缆本身存在质量缺陷可以排除。
3.2.2 电缆选型与电缆卷盘不匹配
电缆卷盘是长期堵转力矩电动机式，在供电情况下电动机可根据斗轮机行走速度在0～±n（n为异步转速）中的任意转速下正常工作，使卷盘在收放电缆时的速度与斗轮机行走速度始终保持最佳同步状态。电缆卷盘工作时，卷盘始终向收缆方向旋转，电动机输出机械功率，即收缆工作是靠电机带动卷盘转动进行的。放缆时斗轮机行走牵引电缆，使电缆对卷盘产生大于电动机正向转矩的反向转矩，电动机处于电磁制动堵转状态，即放缆是属于被动的，是由于斗轮机行走的牵引力迫使卷盘向收拢方向的反方向转动而放缆。扁电缆线芯为4×35mm2，按厂家提供的扁电缆抗拉力约为2800N。电缆卷盘堵转电机为恒力矩式，堵转力矩为1000N.m,卷盘外径R约2m，内径r约0.8m，如图2所示。按力矩M=F.L(M表示力矩；F表示力值；L表示从转动轴到着力点的距离）粗略计算，卷盘在収放缆过程中电缆受到卷盘的拉力约在500N～1250N，均远小于电缆的抗拉力2800N，说明电缆卷盘无论是放缆或收缆时的力都不会对电缆性能质量产生影响，排除电缆选型与电缆卷盘不匹配的情况。
3.2.3 电缆受巨大外力作用
电缆的收放是通过电缆卷盘实现的。电缆卷盘由转动机构、卷盘及导缆架支撑组成，卷盘与导缆架支撑的安装位置及电缆在卷盘与导缆架支撑上的缠绕方式如图2所示。电缆通过导缆架支撑上的三个滚轮后，反向从卷盘另一侧逆时针缠绕卷起。由于导缆架支撑安装在卷盘的后方（以斗轮机前进方向为基准方向）且支撑上的最高点滚轮与卷盘最低点距离较短，扁电缆在从导缆架支撑滚轮缠绕到卷盘上时，扁电缆在滚轮处的弯曲半径远远小于其允许的最小弯曲半径（该滚轮横截面的半径约25mm，扁电缆厚度约26～27mm，厂家提供的该电缆最小弯曲半径应为电缆厚度的12倍即312mm～324mm），最大弯曲点是在导缆架支撑上最高点的滚轮处，造成扁电缆与滚轮之间产生相当大的摩擦阻力，最高点滚轮与电缆的接触面是摩擦阻力最大的地方。另外在现场检查还发现导缆架支撑与卷盘的安装未在同一中心线上，存在约40mm的偏差，这种偏差使卷盘在收缆和放缆时，扁电缆与滚轮的摩擦阻力进一步增大，并且使扁电缆在滚轮上所受的摩擦阻力两侧大小不同，造成扁电缆边缘总是一侧变形。这两方面同时长期作用，导致扁电缆投用一段时间后就开始逐渐发生变形引起绝缘受损。
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通过上述分析，确定电缆变形击穿的原因为：电缆卷盘与导缆架支撑之间的安装位置不当且安装质量不高，导致电缆在支撑滚轮位置尤其是最高点滚轮处发生严重弯曲，使电缆受到滚轮巨大的摩擦阻力。电缆长期在小于其允许的最小弯曲半径工况下，克服堵转电机力矩、斗轮机行走牵引力及滚轮与电缆之间摩擦力进行收放缆，这三种力共同作用，超过了电缆可以承受的最大抗拉力，造成电缆内部边缘线芯开始挤压扭曲变形，受损电缆线芯的绝缘逐渐下降，当某位置的绝缘下降到不能承受6kV电压时，该位置就会发生击穿接地故障。
4 解决措施及效果验证
确定了电缆变形击穿的原因后，就需要制定相应的解决措施，避免电缆再出现同样的问题，延长电缆的使用寿命。
（1）调整电缆卷盘与导缆架支撑之间的安装位置，使电缆在大于其允许的最小弯曲半径下工作，避免电缆过度弯曲，减小电缆与滚轮之间的摩擦阻力。将原导缆架支撑割除，重新定位安装在卷盘的前方（以斗轮机前进方向为基准方向），这样就可以使电缆在通过支撑上的滚轮时发生的弯曲半径大于其最小弯曲半径，电缆与滚轮之间的摩擦力大幅减小，确保电缆线芯绝缘不受损伤。
（2）加强安装质量管控，确保安装的导缆架支撑与卷盘的中心线在同一水平面，避免扁电缆两边受力不均变形，在一定程度下进一步减少电缆与滚轮的摩擦阻力。以卷盘的中心线为基准，来校对调整导缆架支撑左右的安装位置，使导缆架支撑的中心线与卷盘中心线水平。同时将原导缆架支撑由单侧支撑改为双侧支撑固定在尾车上，防止其长时间单侧受力而产生形变。改造后卷盘与导缆架支撑的位置及缠绕方式如图3所示。
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（3）确保每组滚轮的中心线与导缆架支撑的中心线垂直。对每组滚轮两端的安装孔进行水平测量，确保孔在同一直线上。将导缆架支撑上滚轮的固定双头螺栓由原来M10的普通双头螺栓更换为M14的高强度双头螺栓，同时重新加工相应的滚轮安装，使滚轮的轴孔与螺栓相匹配，让滚轮固定螺栓的强度能够更好的承受电缆与滚轮之间的摩擦阻力，防止发生挤压弯曲。
（4）由于导缆架支撑及滚轮在电缆収放过程中始终要受力，长时间受力导缆架支撑及滚轮轴会出现疲劳变形的问题。因此对卷盘、导缆架支撑及滚轮进行上述改进后，还需将斗轮机电缆卷盘装置列入斗轮机重点巡视检查项目，要求运行、检修人员每周对该装置检查两次，运行人员重点检查扁电缆变形情况，检修人员重点检查导缆架支撑及滚轮是否发生偏斜，发生偏斜及时进行处理，避免因偏斜原因引起扁电缆变形。
通过上面这些措施，新更换的扁电缆再未发生过严重变形击穿的故障，电缆寿命由原来最短几个月延长到最长约8年时间，大大增强了扁电缆的运行可靠性，减少了维护成本，为企业带来了可观的经济效益。
5 结束语
通过对斗轮机6kV扁电缆变形击穿故障的分析处理，可以发现这是一起因初始设计不合理及安装质量不高造成的设备故障，具有很强的典型性。特别是在设备初始设计、安装、调试、试运阶段，这类问题更是频繁显现，给设备维护及运行人员带来严重困扰。因此在设备的初始设计、安装、调试及试运阶段，应该要加强这些过程的监督管控，及早安排运行、维护人员介入这些过程，参与整个设备的设计、安装、调试。这样一方面可以快速提高运行、维护人员的工作技能，也可以及时发现存在的问题隐患，将其消灭在萌芽状态，为将来设备投用后的安全稳定运行打下良好的基础。
参考文献：
[1]吴建生.工程力学[M]. 北京：机械工业出版社，2003.
作者简介：郑微波（1983-），男，四川攀枝花人，本科学历，工程师，从事电厂输煤设备管理方面的工作。