剖析渦流損耗引起串聯電抗器接地極發熱

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

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

       一、渦流的原理
      如圖1所示，在一根長方體導體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，那么線圈就產生交變磁場。由于線圈中間的導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生改變，所以在導體的圓周方向會產生感應電動勢和感應電流，電流的方向沿導體的圓周方向轉圈，就像一圈圈的漩渦，如圖中的橢圓所示，所以這種在整塊導體內部發生電磁感應而產生感應電流的現象稱為渦流現象。導體的外周長越長，交變磁場的頻率越高，渦流就越大。導體內部的渦流也會產生熱量，如果導體的電阻率小，則渦流很強，產生的熱量就很大。

      大塊的導體在磁場中運動或處在變化的磁場中，都要產生感應電動勢，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，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加熱的設備，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加熱原理，其內部通過電子線路板組成部分產生交變磁場，當將含鐵質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生渦流，使鍋具鐵分子高速無規則運動，分子互相碰撞、摩擦而產生熱能，用來加熱和烹飪食物，從而達到煮食的目的。
   
      二、渦流引起接地極發熱的分析
      1.渦流引起的接地極發熱計算
      渦流損耗在很多電氣設備中都存在，這對電力系統設備的安全穩定運行危害極大，它不僅會引起該設備的額外功率損耗，還會使設備的溫度升高，降低設備的使用壽命。更嚴重的是毀壞設備的絕緣，容易損壞相關聯設備，引發嚴重的故障，造成大規模停電等惡性事故，并對電網企業造成不利的社會輿論。該串聯電抗器的設計方案如圖2所示，在該設計中，串聯電抗器呈向下放置，而外表的環形接地極則與地面平行布置。

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

      代入數值可以計算得出，發熱功率約為312W。這個功率還是很大的，尤其是在電抗器室的封閉空間內，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中形成了交變電流，引發了接地極的發熱故障。在將環形接地極切斷成幾段后，磁場不能在幾段不連續的弧形鋼筋中形成環形電流，因此接地極的發熱故障也就迎刃而解。從電網系統內運行的情況來看，其他供電公司的設備也不同程度地出現過渦流造成的設備發熱現象，例如：低壓大電流母線框緊固螺栓的渦流發熱問題、[1]穿墻套管發熱事故、[2]主變6kV套管渦流發熱故障。[3]

      2.降低渦流引起的發熱方法
      在低壓大電流流過的導體附近會形成強磁場，處于導體周圍的封閉導電材料均會造成不同程度的渦流現象，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）改變封閉導電材料的形狀，將封閉導體變為存在間隙的導體，例如變壓器的勵磁硅鋼片。
     （2）改變封閉導電材料的放置位置，使通過封閉導體的磁通量減小，使其不能形成較強的渦流。
     （3）更換封閉導電材料，使用較大制動電阻率的材料，使大電流導體形成的磁場對封閉導電材料的影響減弱。

       三、結 論
      渦流造成的導體發熱故障往往會影響設備的正常運行，對電網的穩定安全造成嚴重影響，電網企業應當在設備的設計、選材、安裝、調試、運行中避免此類故障的發生。同時在出現由渦流引起的發熱故障后，應盡早正確地處理，保證供電的可靠性。