基于功率損耗原理分析的電氣設(shè)備發(fā)熱研究

陳鄧偉 王長義

（1.河南電力技師學(xué)院，鄭州 450051 ；2.河南省鄭州供電公司，鄭州 450051）

電氣設(shè)備可靠工作需要兩個(gè)基本條件：①電氣回路連接正確、導(dǎo)通完好；②絕緣材料電氣強(qiáng)度滿足工作要求。而電氣設(shè)備在工作過程中，其電氣回路和絕緣材料都會存在發(fā)熱現(xiàn)象，發(fā)熱過大往往又會影響電氣設(shè)備的安全工作：一方面，設(shè)備發(fā)熱會造成電氣設(shè)備電氣運(yùn)行特性的改變，甚至燒毀電路；另一方面，發(fā)熱還會引起絕緣部分電氣強(qiáng)度降低，進(jìn)而引發(fā)放電事故。電氣設(shè)備的發(fā)熱從本質(zhì)上講，是電能有功損耗的一種表現(xiàn)，電氣設(shè)備的工作條件不同，產(chǎn)生有功損耗的機(jī)理就不相同，因此，研究電氣設(shè)備發(fā)熱歸根到底就是分析電能有功損耗產(chǎn)生的過程。在生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)功率損耗產(chǎn)生的機(jī)理歸類分析，電氣設(shè)備的發(fā)熱原因就能清晰可判，從而采取對應(yīng)的處理措施。

1 電導(dǎo)損耗致熱型

1.1 導(dǎo)體電導(dǎo)損耗致熱

對通電導(dǎo)體，電導(dǎo)損耗的增加是致熱的主要原因。當(dāng)導(dǎo)體回路在導(dǎo)體連接部位出現(xiàn)松動(dòng)、接觸不良時(shí)，其接觸電阻就會增大，由于這種電阻的增大不會引起電路電流大的改變，所以，根據(jù)電功率的計(jì)算公式P=I2R及圖1可知，當(dāng)電阻增加時(shí)，在導(dǎo)體連接部位出現(xiàn)的電導(dǎo)損耗就會增加，使損耗產(chǎn)生的熱量和散出的熱量不再平衡，從而引起導(dǎo)體局部溫度的升高，嚴(yán)重時(shí)會燒熔或燒斷導(dǎo)體。

圖1 導(dǎo)體電導(dǎo)簡化等值電路

在電力生產(chǎn)中，隔離刀閘動(dòng)靜觸頭之間的發(fā)熱和變壓器出線連接板的發(fā)熱等，就是由于觸頭氧化、接觸不良等原因引起電阻增大，從而使電導(dǎo)損耗增大致熱的典型實(shí)例。因此，電氣試驗(yàn)中規(guī)程就要求測量此類設(shè)備的直流電阻，以判斷導(dǎo)電回路電阻是否符合發(fā)熱要求；針對外露的導(dǎo)體連接部位，生產(chǎn)中還可以通過紅外測溫儀直接進(jìn)行測溫判斷。

1.2 絕緣介質(zhì)電導(dǎo)損耗致熱

絕緣介質(zhì)在電場中產(chǎn)生損耗的途徑有多種，絕緣介質(zhì)發(fā)熱是多種損耗共同作用的結(jié)果，每一種類型的損耗在一定的條件下，都有可能成為致熱的主要損耗。根據(jù)絕緣介質(zhì)的簡化等值電路（如圖2所示）可知，電導(dǎo)損耗P =IR2R是絕緣介質(zhì)總損耗中的其中之一。

圖2 絕緣材料簡化等值電路

電力生產(chǎn)實(shí)踐中，在變壓器絕緣整體嚴(yán)重受潮、避雷器和絕緣子表面嚴(yán)重污穢、受潮情況下，此時(shí)電導(dǎo)損耗是造成絕緣介質(zhì)發(fā)熱的主要因素，其電導(dǎo)損耗可由公式P =U2/R進(jìn)行解釋：絕緣下降引起絕緣電阻R減小，而電壓不變，此時(shí)損耗自然增加。若在絕緣介質(zhì)干燥、潔凈情況下發(fā)熱，由于電導(dǎo)電流很小，此時(shí)影響發(fā)熱的主要因素就不是電導(dǎo)損耗。

2 極化損耗致熱型

絕緣介質(zhì)在交變電場中會發(fā)生極化現(xiàn)象，即絕緣介質(zhì)兩端對外表現(xiàn)出一定的正負(fù)電極性，常見的極化形式有畸變極化、位移極化和轉(zhuǎn)向極化。在完成極化的過程中，介質(zhì)分子在外界電場作用下，要克服分子間作用力和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力而消耗電能，這些消耗的電能就是極化損耗，對外表現(xiàn)為絕緣介質(zhì)出現(xiàn)發(fā)熱。極化損耗致熱只存在于絕緣介質(zhì)中，金屬導(dǎo)體發(fā)熱損耗中不存在極化損耗。

絕緣介質(zhì)的極化損耗與電源的頻率有關(guān)，頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)完成的極化次數(shù)越多，極化損耗就越大，發(fā)熱就越明顯。電力生產(chǎn)中，絕緣介質(zhì)多處在工頻 50Hz的低頻電場中，絕緣良好情況下，盡管絕緣介質(zhì)的主要損耗是極化損耗，但是，單一形式的極化損耗致熱不會超過設(shè)備工作允許的溫度范圍。極化損耗是致熱的損耗之一，絕大多數(shù)情況下不是主要致熱因素，生產(chǎn)中，只有絕緣介質(zhì)在潔凈、干燥且嚴(yán)重老化情況下的發(fā)熱，極化損耗致熱才是主要因素。

3 電離損耗致熱型

絕緣介質(zhì)的原子在電場作用下，部分原子變?yōu)殡姾蓵r(shí)釋放原子能量，此能量就是電離損耗，這種能量損耗的實(shí)質(zhì)仍然是消耗外界的電場能，電離損耗作用的結(jié)果依然是造成絕緣介質(zhì)發(fā)熱。電離損耗是外界強(qiáng)電場作用的結(jié)果，根據(jù)近似公式E=U/d（E為電場強(qiáng)度；U為電壓；d為絕緣間距）可知：只要改變絕緣間距d的大小，無論在高壓下或低壓下都可能產(chǎn)生強(qiáng)電場。只要在強(qiáng)電場作用下，絕緣介質(zhì)產(chǎn)生的主要損耗一定是電離損耗。絕緣介質(zhì)在強(qiáng)電場作用下，原子電離的速度很快，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的大量電離損耗就會使絕緣介質(zhì)溫度上升很高，因此，電離損耗致熱是各種損耗致熱中最危險(xiǎn)的一種情況。

電離現(xiàn)象和電導(dǎo)現(xiàn)象本質(zhì)區(qū)別是，當(dāng)電離現(xiàn)象較強(qiáng)時(shí)，電導(dǎo)電流較小；而當(dāng)電導(dǎo)現(xiàn)象較強(qiáng)時(shí)，電離過程就較弱。生產(chǎn)中的電暈現(xiàn)象就是局部畸變強(qiáng)電場產(chǎn)生電離損耗的典型實(shí)例：當(dāng)空氣發(fā)生電暈現(xiàn)象時(shí)，空氣電導(dǎo)電流幾乎為零，電極附近的空氣卻局部高溫，其原因就是電離損耗致熱的緣故。電暈放電發(fā)展的最高階段是絕緣擊穿，形成電弧，此時(shí)的電離損耗來自正負(fù)電荷復(fù)合過程中產(chǎn)生的光子能，巨大的光子能量會使絕緣介質(zhì)溫度快速上升，超過絕緣介質(zhì)極限承受能力，引起設(shè)備爆炸。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，只要是絕緣材料處在極不均勻電場中出現(xiàn)的局部發(fā)熱，往往都是電離損耗致熱結(jié)果，典型實(shí)例：穿墻套管法蘭附近電場較強(qiáng)，因此法蘭周圍的瓷瓶就容易發(fā)熱；線路絕緣子串兩端所處的電場較強(qiáng)，因此發(fā)熱絕緣子往往也都出現(xiàn)在絕緣子串的兩端。

4 渦流損耗致熱型

對導(dǎo)體而言，交變的磁場總是能在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生無數(shù)的“同心”環(huán)流，這些環(huán)流在導(dǎo)體上產(chǎn)生的損耗就是渦流損耗。渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等因素有關(guān)。

硅鋼片既是良好的導(dǎo)磁材料，同時(shí)又是導(dǎo)體，因此，變壓器鐵心的損耗成分中就包含有渦流損耗，渦流損耗消耗的是電能，表現(xiàn)形式仍為發(fā)熱。生產(chǎn)實(shí)踐中，變壓器鐵心采用減小硅鋼片的單個(gè)體積、保證硅鋼片的片間絕緣都是為了減小變壓器鐵心的渦流損耗。另外，全連式分相封閉母線的外殼，采用把三相外殼連接在一起的目的，就是讓三相磁場在封閉外殼中相互抵消，減少外殼渦流損耗的產(chǎn)生。

5 磁滯損耗致熱型

磁滯現(xiàn)象是指鐵磁材料的磁性狀態(tài)變化時(shí)，磁化強(qiáng)度滯后于磁場強(qiáng)度，它的磁通密度B與磁場強(qiáng)度H之間呈現(xiàn)磁滯回線關(guān)系，經(jīng)過一次循環(huán)，每單位體積鐵心中的磁滯損耗等于磁滯回線的面積，這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使設(shè)備升溫。磁滯損耗就是鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。

磁滯損耗致熱只存在于鐵磁性物質(zhì)中，一般情況下，鐵磁性物質(zhì)同時(shí)又是導(dǎo)電體，所以，鐵磁性物質(zhì)存在磁滯損耗同時(shí)往往還伴隨有渦流損耗，單純的磁滯損耗并不存在，但以磁滯損耗為主的致熱現(xiàn)象生產(chǎn)中也并不少見，如變壓器上下大蓋的緊固螺栓，有時(shí)就會因?yàn)樽儔浩髀┐哦鸢l(fā)熱，其主要原因就是磁滯損耗致熱。

6 復(fù)合損耗致熱型

6.1 絕緣介質(zhì)復(fù)合損耗致熱型

生產(chǎn)實(shí)踐中，絕緣材料的發(fā)熱往往都是各種損耗共同致熱的結(jié)果，在不同的發(fā)展過程中某種損耗所占的主導(dǎo)位置隨時(shí)間而改變，所以此類致熱稱為復(fù)合損耗致熱，其損耗產(chǎn)生形式可表示為：極化損耗+電導(dǎo)損耗+電離損耗。如絕緣子污閃致熱：絕緣良好初期，致熱損耗主要是極化損耗；存在絕緣污穢、電導(dǎo)發(fā)展初期，致熱損耗是極化損耗和電導(dǎo)損耗，但電導(dǎo)損耗較大；污閃開始形成期，致熱損耗是極化損耗、電導(dǎo)損耗和電離損耗，但電離損耗較大，三種損耗共同作用造成絕緣表面嚴(yán)重發(fā)熱。

6.2 磁導(dǎo)體復(fù)合損耗致熱型

磁導(dǎo)體的發(fā)熱，其發(fā)熱損耗形式可表示為：磁滯損耗+渦流損耗。對于強(qiáng)磁性材料的發(fā)熱，如硅鋼片，致熱損耗主要以磁滯損耗為自主；對于弱磁性材料的發(fā)熱，如鑄鐵，致熱損耗主要以渦流損耗為自主。生產(chǎn)中，大型變壓器油箱內(nèi)壁采用磁屏蔽結(jié)構(gòu)，就是為了減少變壓器油箱的漏磁發(fā)熱。由于變壓器油箱為整體鑄鐵金屬結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)變壓器磁屏蔽破壞后，油箱的渦流損耗和磁滯損耗共同造成變壓器油箱局部發(fā)熱，但渦流損耗為主要致熱因素。

7 結(jié)論

通過上述對設(shè)備發(fā)熱機(jī)理的探析與研究，利用能量損耗的原理可對生產(chǎn)中設(shè)備發(fā)熱原因總結(jié)出以下幾點(diǎn)判斷原則：

1）對于金屬連接部位的發(fā)熱，如開關(guān)、刀閘和繞組類的接頭部位，均可用電導(dǎo)損耗致熱原理進(jìn)行分析。

2）對于絕緣材料老化類的發(fā)熱，由于其絕緣性能、電氣性能和物理性能均發(fā)生劣化，因此可以用極化損耗致熱原理進(jìn)行分析。

3）對與鋼構(gòu)、硅鋼片等磁性材料的發(fā)熱，可以用磁導(dǎo)體復(fù)合損耗致熱原理進(jìn)行分析，如變壓器鐵心的發(fā)熱。

4）對于純金屬屏蔽外殼類發(fā)熱，可以用渦流損耗致熱原理進(jìn)行分析，如變壓器金屬外殼的漏磁發(fā)熱。

5）對于由強(qiáng)電場引起的絕緣材料發(fā)熱，可以用電離損耗致熱原理進(jìn)行分析，如多股導(dǎo)線散股后的發(fā)熱現(xiàn)象，就是由于導(dǎo)線變細(xì)、電場畸變后造成導(dǎo)線周圍電暈放電、引起電離損耗增加的緣故。

6）對于由多種損耗引起的絕緣復(fù)合致熱，應(yīng)結(jié)合發(fā)熱具體情況進(jìn)行分析：高電壓下以電離損耗致熱為主，低電壓下以電導(dǎo)損耗致熱為主；絕緣干燥情況下，電離損耗致熱為主，絕緣潮污下，電導(dǎo)損耗致熱為主。

[1]陳家斌.電氣設(shè)備故障檢測診斷方法及實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2003.5.

[2]四川省電力試驗(yàn)研究院.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法[M].北京:中國電力出版社,2006.8.

[3]董振亞.電力系統(tǒng)的過電壓保護(hù)[M].北京:中國電力出版社.

[4]陳家斌.電氣設(shè)備故障檢測診斷方法及實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2003.6.