剖析渦流損耗引起串聯(lián)電抗器接地極發(fā)熱

      摘 要：渦流損耗在很多電氣設(shè)備中都存在，這對電力系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行危害極大，它不僅會引起該設(shè)備額外的功率損耗，還會使設(shè)備的溫度升高，降低設(shè)備的使用壽命。更嚴(yán)重的是毀壞設(shè)備的絕緣，容易造成相關(guān)聯(lián)設(shè)備損壞，引發(fā)嚴(yán)重的故障，造成大規(guī)模停電等惡性事故。對渦流造成的串聯(lián)電抗器接地極發(fā)熱故障進(jìn)行了研究，并提出了避免電氣設(shè)備出現(xiàn)渦流的方法。

      為了減小短路電流提高短路時的母線殘壓，濟(jì)南供電公司（以下簡稱“我公司”）某110kV變電站的3臺主變10kV進(jìn)線均采用了串入限流電抗器的相同設(shè)計，該設(shè)計還包含為三相的電抗器表面加裝環(huán)形接地極。然而，在2010年該變電站所屬負(fù)荷增大較多的情況下，發(fā)生了影響系統(tǒng)正常運行的環(huán)形接地極發(fā)熱故障，其中負(fù)荷較重的1號主變的接地極三相溫度達(dá)到了200度，其他幾臺電抗器接地極的溫度也較高，嚴(yán)重地危害了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，三臺主變被迫輪流停電，對電抗器接地極進(jìn)行消缺。分析該故障的特點得知，該故障是由于電氣設(shè)備渦流造成的電抗器接地極發(fā)熱，在變電檢修工區(qū)將接地極截斷成多段并送電后沒有再發(fā)生此類故障。

       一、渦流的原理
      如圖1所示，在一根長方體導(dǎo)體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，那么線圈就產(chǎn)生交變磁場。由于線圈中間的導(dǎo)體在圓周方向可以等效成一圈圈的閉合電路，閉合電路中的磁通量在不斷發(fā)生改變，所以在導(dǎo)體的圓周方向會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，電流的方向沿導(dǎo)體的圓周方向轉(zhuǎn)圈，就像一圈圈的漩渦，如圖中的橢圓所示，所以這種在整塊導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象。導(dǎo)體的外周長越長，交變磁場的頻率越高，渦流就越大。導(dǎo)體內(nèi)部的渦流也會產(chǎn)生熱量，如果導(dǎo)體的電阻率小，則渦流很強，產(chǎn)生的熱量就很大。

      大塊的導(dǎo)體在磁場中運動或處在變化的磁場中，都要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成渦流，引起較大的渦流損耗。為減少渦流損耗，交流電機、電器中廣泛采用表面涂有薄層絕緣漆或絕緣的氧化物的薄硅鋼片疊壓制成的鐵心，這樣渦流被限制在狹窄的薄片之內(nèi)，磁通穿過薄片的狹窄截面時，這些回路中的熱電動勢較小，回路的長度較大，回路的制動電阻很大，渦流大為減弱。再者，由于這種薄片材料的制動電阻率大（硅鋼的渦流損失只有只有普通鋼的1/5至1/4），從而使渦流損失大大降低。

      另一方面，利用渦流作用可以制作成一些感應(yīng)加熱的設(shè)備，或用以減少運動部件振蕩的阻尼器件等。如常見的電磁爐就是采用渦流感應(yīng)加熱原理，其內(nèi)部通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)將含鐵質(zhì)鍋具底部放在爐面上時，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生渦流，使鍋具鐵分子高速無規(guī)則運動，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，用來加熱和烹飪食物，從而達(dá)到煮食的目的。
   
      二、渦流引起接地極發(fā)熱的分析
      1.渦流引起的接地極發(fā)熱計算
      渦流損耗在很多電氣設(shè)備中都存在，這對電力系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行危害極大，它不僅會引起該設(shè)備的額外功率損耗，還會使設(shè)備的溫度升高，降低設(shè)備的使用壽命。更嚴(yán)重的是毀壞設(shè)備的絕緣，容易損壞相關(guān)聯(lián)設(shè)備，引發(fā)嚴(yán)重的故障，造成大規(guī)模停電等惡性事故，并對電網(wǎng)企業(yè)造成不利的社會輿論。該串聯(lián)電抗器的設(shè)計方案如圖2所示，在該設(shè)計中，串聯(lián)電抗器呈向下放置，而外表的環(huán)形接地極則與地面平行布置。

      同時：φ=LI，由于環(huán)形接地極距離電抗器非常近，而且環(huán)形接地極形狀的大小與電抗器也相同，那么可以近似地認(rèn)為環(huán)形接地極內(nèi)的磁感應(yīng)強度和電抗器內(nèi)部是相同的，且環(huán)形接地極鋼筋的直徑相對環(huán)形接地極的直徑非常小。假設(shè)通過環(huán)形接地極的磁通量為φ1，則此磁通量在環(huán)行接地極中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為E，則：

      代入數(shù)值可以計算得出，發(fā)熱功率約為312W。這個功率還是很大的，尤其是在電抗器室的封閉空間內(nèi)，熱量難以散去，會造成接地鋼筋的溫度急劇上升。

      變化的磁場在封閉的環(huán)中形成了交變電流，引發(fā)了接地極的發(fā)熱故障。在將環(huán)形接地極切斷成幾段后，磁場不能在幾段不連續(xù)的弧形鋼筋中形成環(huán)形電流，因此接地極的發(fā)熱故障也就迎刃而解。從電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)運行的情況來看，其他供電公司的設(shè)備也不同程度地出現(xiàn)過渦流造成的設(shè)備發(fā)熱現(xiàn)象，例如：低壓大電流母線框緊固螺栓的渦流發(fā)熱問題、[1]穿墻套管發(fā)熱事故、[2]主變6kV套管渦流發(fā)熱故障。[3]

      2.降低渦流引起的發(fā)熱方法
      在低壓大電流流過的導(dǎo)體附近會形成強磁場，處于導(dǎo)體周圍的封閉導(dǎo)電材料均會造成不同程度的渦流現(xiàn)象，從分析中可以看出，減小這些渦流影響的方法主要有以下幾種。
     （1）改變封閉導(dǎo)電材料的形狀，將封閉導(dǎo)體變?yōu)榇嬖陂g隙的導(dǎo)體，例如變壓器的勵磁硅鋼片。
     （2）改變封閉導(dǎo)電材料的放置位置，使通過封閉導(dǎo)體的磁通量減小，使其不能形成較強的渦流。
     （3）更換封閉導(dǎo)電材料，使用較大制動電阻率的材料，使大電流導(dǎo)體形成的磁場對封閉導(dǎo)電材料的影響減弱。

       三、結(jié) 論
      渦流造成的導(dǎo)體發(fā)熱故障往往會影響設(shè)備的正常運行，對電網(wǎng)的穩(wěn)定安全造成嚴(yán)重影響，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)當(dāng)在設(shè)備的設(shè)計、選材、安裝、調(diào)試、運行中避免此類故障的發(fā)生。同時在出現(xiàn)由渦流引起的發(fā)熱故障后，應(yīng)盡早正確地處理，保證供電的可靠性。