高爐TRT系統10 kV配電柜渦流發熱問題處理

劉 洋，杜建華，張少偉，余 斌，范旭庚，李昕洋，安慶龍

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司煉鐵作業部，河北唐山 063299）

高爐TRT系統10 kV配電柜渦流發熱問題處理

劉 洋，杜建華，張少偉，余 斌，范旭庚，李昕洋，安慶龍

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司煉鐵作業部，河北唐山 063299）

針對在某鋼鐵廠高爐區域TRT高壓配電室出現的高壓柜穿線套管異常發熱問題來探討配電柜渦流發熱現象，并運用電磁學基本原理與微積分進行簡單的定量分析，發現影響渦流發熱的因素有：導磁體的厚度、導磁率、電流頻率、最大電流及套管寬度等，并據此解決了TRT發電機配電柜體發熱問題。

渦流發熱；導磁率；磁場強度；套管

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.27

0 前言

隨著電氣技術的發展，越來越多的大容量設備被投入工業生產中。因大電流漏磁通產生的渦流發熱問題應引起設計、電氣供配電部門的重視。某鋼鐵廠高爐區域設有2臺36 500 kW TRT 發電機（Top gas pressure Recovery Turbine，TRT，高爐煤氣余壓透平發電裝置），單臺負荷電流一般在1700 A。其中1#TRT發電機投入運行后，發現配電室內發電機斷路器柜與發電機計量柜間穿線套筒附近出現90℃左右的高溫，發電機被迫停機，停電檢查。

1 問題分析

發熱處在配電室內發電機斷路器柜與發電機計量柜間穿線套B相母排與A、C相母排之間（圖1），最高溫度測得94℃，而環境溫度僅25℃，溫升已到達69 K，超過40 K的規定值。分析配電柜體發熱的原因：①動靜觸頭接觸不良或虛接，導致接觸電阻大，接觸面發熱；②靜觸頭與母線或母線連接點螺栓緊固不到位，致使接觸壓力不足，接觸電阻大；③斷路器回路電阻超標；④輔助通風冷卻方式不合理或不妥善；⑤渦流效應引起局部發熱；⑥母線選用規格偏小，在大電流情況下引起導線發熱；⑦母線材料不符合要求。停電后打開母線室對熱源區進行了詳細檢查，發現在發熱點附近沒有受熱灼燒痕跡。對母排所有螺栓緊固情況進行了檢查未發現異常。動靜觸頭接觸良好，動觸頭固定彈簧拉力正常。載流母排為雙排TMY-100×10，滿足載流要求。通過多次測量發熱區域約3.2 m的回路電阻，三相測得的最大電阻分別為 A 相 26.0 μΩ，B 相 22.6 μΩ，C 相 19.4 μΩ。計算得到平均電阻率為 0.016 25 Ωmm2/m，小于 GB 5585.2—1985《電工用銅、鋁及合金母線》中規定的TMY型母排最大電阻率為0.017 77 Ωmm2/m的規定，電阻合格。但發電機計量柜在設備安裝時為裝配外方電流互感器，對原廠柜體進行了結構改造，將自上而下A，B，C相排列順序改為B，A，C相，且三相母排間距不相同。基于以上分析，技術人員初步推斷發熱現象可能與渦流效應有關，并進行了針對性的檢驗。

渦流即交變電流會在導體四周產生變化的感應磁場，由此會造成磁力線與導體間相互切割，從而產生路徑如水中漩渦的電流。一般情況下，渦流在導體中會產生熱量，所消耗的能量來源于建立變電磁場的能源。

正常情況時，三相母排通過的電流波形如圖2所 示 ，ia=Imsinωt，ib=Imsin（ωt-120°），ic=Imsin （ωt+120°）。由圖 2 可看出，在任意時刻，A，B，C 三相的電流的方向總是不完全相同的，而三相電流會在導體周圍產生磁場，磁場方向遵守右手螺旋定則，各相周圍磁場方向也不全相同，各相周圍磁場可矢量疊加。在發熱套管區域外圍由于磁場的正負疊加，基本相互抵消。而A，B，C 相間部分總是會出現較強的磁場強度。當電流方向出現圖3所示情況時，根據右手螺旋定則，三相電流在B相與A，C相之間都產生由左向右的感應磁場，此時三相的磁場疊加，發熱處磁場強度最強。

根據電磁感應原理，變化的磁場產生變化的電流，在強磁場處感應的渦流最大，渦流通過渦流回路的電阻從而產出熱量。為了弄清這個問題，引入電磁學部分基本公式進行說明。在渦流回路中，渦流熱效應的損耗功率可計算為Pwl=e2/r，式中，e為產生渦流的感應電動勢；r為參考點處的回路電阻。由此得到e與磁場強度的關系：e=dΦ/dt，Φ=BS，B=Hμ，然后由安培環路定理得到H與主回路電流的關系。定量分析時，選取一個參考點（圖4），L為兩母排間的距離，l為參考點距B相母排的距離，h為支撐結構的厚度，dl與dr為參考點的寬、長。

圖1 柜內銅排布置

圖2 三相電流瞬時相位示意

圖3 三相磁場疊加示意

圖4 參考點示意

由安培環路定律，參考點處的疊加磁場強度見（1）式。

參考點處的磁感應強度即得到（2）式。

由于所取參考點厚度為h，長度取微分值dl，則有磁通為（3）式。

與ia=Imsinωt，ib=Imsin（ωt-120°），ic=Imsin（ωt+120°）聯立，即可求得感應電動勢，見（4）式。

由于電流ia，ib均為關于時間t的表達式，對t求導后，上式得出的de是一個以l為微分量的表達式。下面對整個相間導磁體寬度求積分為（5）式。

ω=2πf，在我國電流頻率為 50 Hz，那么ω=314；那么得到（6）式。

由Pwl=e2/r可得（7）式。

式7中，發現渦流的損耗功率與母排穿過導磁體的厚度、導磁率、電流頻率、最大電流成正比；與導磁體的電阻率成反比；套筒寬度D也是會影響渦流損耗功率的。假如式（7）其他值均一定，討論D對dPwl的影響。此時dPwl可以看做以下函數見（8）式。

其中，a是常數，x即為D，y即為 dPwl，設L=2，且 0.15＜x＜0.5時，看y的值是否隨著x的增大而增大，通過MATLAB分析，程序如下：

圖5 分析所得函數圖像

由圖5可知，隨著x的增加，y的值趨于線性增加。由此套筒半徑D對dPwl的影響存在，即D越大，渦流熱功率就越大。

解決現場問題的時，出于發電效益考慮，限制母線最大電流值勢必影響發電量，因此毫無意義；而導磁體即配電柜體的厚度，決定了其配電柜的機械強度，為限制渦流而改用輕薄的柜體勢必會影響電力設備的安全運行；電流頻率是無法改變的；最后將導磁率與套筒半徑作為改善渦流發熱的關鍵因素，降低母線周圍支撐體的磁導率、合理運用小口徑的套筒理論上是可以解決發熱問題的，而且也較容易做到。比如：在大電流通過的套管時，相間可做20 mm左右的隔斷槽并銅焊，來阻斷磁路；或者把支撐構架整體換成非導磁材料。

2 結語

經討論采取整體更換配電柜的柜間隔板的方案，將事故發生前配電柜體采用的導磁材料鍍鋅鋼板，更換為不導磁的不銹鋼板，并更換口徑較小的套管。運行后，發熱位置溫度明顯下降，溫升大約持續在20 K左右，到達改造效果。本次發熱故障提醒我們電氣渦流發熱問題在供配電專業領域里，是一個不容忽視的安全隱患，在日常點巡檢工作中應完善檢查標準，時刻注意尤其是大電流配電設備溫度變化，及時發現隱患并消除其不利影響。

［1］周旭東.電機學［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［2］姚正武.降低變壓器二次側箱蓋的渦流發熱［J］.電氣時代，2005（7）:100-102.

［3］周鶴良.電氣工程師手冊［M］.北京:中國電力出版社，2008.

TF34

B

〔編輯 凌 瑞〕