通信機樓供配電系統中渦流問題案例分析與解決方法

蔡一鴻，劉圣慶，姚玉蘊

（中國聯合網絡通信有限公司廣東省分公司，廣東 廣州 510600）

0 引 言

隨著通信機房單機柜負荷越來越大，相應的供配電設備和線纜的載流量越來越大，由于在設計、安裝過程中存在缺陷導致形成電渦流，在運行過程中常常出現發熱燒毀現象，嚴重時造成網絡故障。

1 電渦流產生原理

根據電磁感應定律和麥克斯韋電磁場理論得知，在閉合回路當中，磁通量的變化將會產生感應電勢，從而產生電渦流。從理論上來說，電渦流的大小與感應電勢有關聯，感應電勢與穿過橫截面的磁通量之間是正比例關系。也就是說，閉合電路中，在某一橫截面中，如果磁通量發生變化時，就會產生電渦流。但是在實際應用中，不可能存在完全平衡的三相平衡，失衡情況不明顯時，產生的電渦流比較小，沒有太大的危害。失衡的情況比較明顯時，產生的電渦流比較大，使得總的電流矢量之和不為零，在閉合電路中，會導致失衡電流產生磁場，從而產生電渦流。

2 通信機樓供配電系統常見電渦流問題

2.1 通信機樓配電柜渦流發熱案例

案例1：某機樓變壓器容量為2 500 kVA的低壓配電柜，母線框結構如圖1所示，母線銅排的通過電流為2 400 A，發現在母線槽緊固螺栓處發熱嚴重，最高達125 ℃，紅外成像如圖2所示，發現緊固螺栓周圍的絕緣介質脆化燒毀。從母線框的燒毀部位可以看出，母線槽為絕緣材質，沒有導電回路，燒毀是由于螺栓過熱引起的，停電檢查發現母線槽緊固螺栓為普通鋼質螺栓。由于普通鋼質螺栓為導磁性金屬材料且形成閉環，當母排通過大電流時，渦流現象就特別嚴重，從而造成母線框螺栓產生了異常溫升。將母線框螺栓更換為非導磁性材料后對螺栓進行紅外測溫，測得溫度已經低于60 ℃，問題得以解決,紅外成像如圖3所示。該機樓其他幾套低壓系統配電柜存在類似問題。

圖1 母線結構框圖

圖2 母線整改前

圖3 母線整改后

案例2：某機樓低壓系統整改，在柜尾增加一個油機轉換柜，銅排穿過一塊鐵板（見圖4（a）），通電后此柜異常振動并有“嗡嗡”聲音發出。對鐵板開槽改造后現象消失（見圖4（b））。

圖4 鐵板改造前、后

2.2 單芯電纜產生渦流問題

案例3：某機樓變壓器額定容量2 500 kVA額定電流4 000 A，變壓器至斷路器段電纜采用三相電源每相由7根240 mm2電纜并連,長約23 m，輸入斷路器實際運行電流達3 400 A且三相平衡。該變壓器和斷路器在穩定負荷下運行超過48 h,發現變壓器溫度高達91 ℃，變壓器中性點接地電流達22 A，但變壓器高壓側和低壓側接線抽頭均連接良好,溫度正常。電纜平均溫度在84 ℃以上，局部溫度高達127 ℃。同相電纜分流不均, 最低相電流僅為150 A，最高相電流達950 A。斷路器觸頭溫度最高達118 ℃,斷路器外殼溫度最高達79 ℃。在變壓器連接側和斷路器連接側電纜敷設間隙較大,而橋架敷設的中間段電纜間隙較為緊湊,如圖5所示。重新如圖6所示排布后,同相多根電纜電流分配均勻,最大值與最小值相差在20 A以內,電纜運行溫度降低,平均為55 ℃,變壓器中性點接地電流也降低至3 A。

圖5 電纜整改前排布

圖6 電纜整改后排布

案例4：某機樓1臺1 800 kW發電機組帶載時發生主變低壓側接單相地保護動作跳閘，經排查發現電纜與支架支撐位置擊穿對地短路，擊穿處電纜明顯過熱碳化。該機組采用每相6根300 mm2單芯電纜連接到低壓配電柜，電纜連接機組段使用走線架約15 m，再將電纜敷設在封閉金屬線槽內，約50 m接入低壓配電柜，電纜鋪設方式為A、B、C分相平鋪，如圖7所示。修復后進行發電機組帶載，每相電流為950 A，對電纜進行紅外測溫檢查，發現電纜支架普遍出現高溫，并且支架具有很強的磁性，部分電纜溫度高出其他電纜，且聽到電纜在金屬線槽發出“嗖嗖嗖”的異常聲音。按照ABC三相品字形對稱排列敷設方式整改后，異常聲音明顯減少，支架和電纜溫度不再明顯。初步判斷是單芯多回路并聯電纜敷設方式錯誤，在封閉橋架中會感生出大的渦流。

圖7 分相平鋪

案例5：某機樓進行市電擴容割接方案演練，臨時敷設2×4根240 mm2單芯電纜將油機接線割接到其他系統，其中一根電纜較長進行了盤圈，油機帶載通電時，該根電纜盤圈處產生的電渦流比較大，造成配電柜異常振動、線纜異常發熱、輸出電壓低，機房損壞多臺空調。對臨時敷設電纜采用放直并相相纏繞方式后現象消失。

3 電渦流發熱問題的原因及預防措施

3.1 通信機樓低壓成套柜渦流發熱問題的原因

在案例1、2中，假如配電柜母排電流為I，距母排a點的金屬體磁導率為μ0，金屬體面積為S，總阻抗為R，磁感應強度為B，磁通量為φ，感應總電動勢為ε感應，則在時間dt內該金屬體因渦流損耗熱量為 dQ=（ε/R）2Rdt=（ε2/R）dt，其中ε=ε感應=-dφ/dt，φ=BS。根據畢奧-薩法爾定律，距該母排a點處的磁感應強度B=μ0I/（2πa）[1]。

由此可見，案例1中由于電磁感應造成螺栓上形成渦流，母排電流越大，螺栓上感應產生的熱量越大，從而導致螺栓異常高溫[2]。案例2中鐵板開槽使得鐵磁金屬板不構成回路，磁阻明顯增大，使得同樣磁場強度產生的磁通量顯著下降，渦流隨之下降[3]。

3.2 通信機樓低壓成套柜渦流現象的預防措施

由于電流流過能導磁的金屬板時會引起渦流，渦流導致金屬板件異常發熱，因此在主母排通過的金屬隔板最好采用非導磁的不銹鋼隔板，母線室的頂蓋板、支撐母線的安裝梁均采用不銹鋼制作。

實際應用中，當額定電流大于1 400 A以上時，須采用不銹鋼或鎂鋁合金等非導磁材料、加大通電導體和金屬板之間的距離以及在能構成回路的側板或者橫梁處增加絕緣墊等措施防止渦流。當額定電流小于600 A時，采用固定板開2 mm寬度以上空氣槽的方法防止渦流現象。當三相電流大于600 A時，三相電流穿鐵磁金屬板應從同一孔中穿過，以呈品字型排列最好。當單相銅排穿過鐵磁金屬板，可采取金屬板開空氣槽的方式，或增大銅排穿出金屬板的過孔面積。在不影響機械強度的情況下，金屬板的厚度盡可能減小[4]。

3.3 電纜渦流現象的分析

案例3、4中電纜的敷設方式為兩層相序相同一字型排列，單芯電纜電流分配不均勻也會產生渦流。電纜電流分配不均受電纜阻抗影響，其大小與其阻抗Z（Z=R+jX=R+2fL）成反比[5]。其中：

電阻R由電纜內阻和接觸電阻組成，同工藝下相同長度的電纜電阻R值基本相等；

電感L由電纜內感Li和電纜互感Le組成，同一廠家同規格電纜內感一樣。同一水平面上同相電纜并聯排列時，設S為導體軸間距離，Dc為電纜外徑，計算得到。

由此可見，不同的電纜間距使得不同電纜的電抗X=2f（Li+Le）產生差異，在內感互感的作用下使得三相阻抗不相等，導致各回路電流不均衡，產生感應電磁場。電纜間的電流量差別越大，感應電磁場也越強，感應電磁場能在鐵磁材料中產生渦流[6]。

3.4 電纜敷設產生渦流的解決辦法

3.4.1 優化電纜排列方式

通過優化敷設排列，使得并聯布置的電纜間距離基本相等，可避免因電纜間距不相等導致的同相并聯電纜的電流不均衡，有效降低電纜線路感應電壓。對于單芯并聯電纜線路，如圖3、圖4所示品字形排列3根電纜互相對稱，各相之間的距離相等，互感基本相等，各回路電纜之間阻抗的差異小，從而使得同相并聯電纜電流分布更均衡[7]。GB50303—2015《建筑電氣工程施工質量驗收規范》第12.3.2條明確交流單芯電纜或分相后的每相電纜宜品字型（三葉型）敷設，且不得形成閉合鐵磁回路。交流單相或三相單芯電纜如果并排敷設或用鐵制卡箍固定會形成鐵磁回路，造成電纜發熱，增加損耗并形成安全隱患。規范第13.1.5條明確交流單芯電纜或分相后的每相電纜不得單根獨穿于鋼導管內，固定用的夾具和支架不應形成閉合磁路[8]。

3.4.2 要杜絕因電纜敷設造成的三相阻抗嚴重不平衡現象

國標GB50052《供配電設計規范》、《變壓器運行規程》等規范要求變壓器低壓側中性線電流應小于額定電流的25%，負荷電流不平衡度應小于10%。如三相負荷嚴重不對稱，中性點電位會發生偏移，線路壓降增大，接在重負荷相的單相設備電壓偏低，造成用電設備效能降低，甚至無法使用；接在輕負荷相的單相設備電壓偏高，會導致用電設備壽命降低。線損率與三相最大不平衡度定量關系如表1所示。

表1 線損率與三相最大不平衡度定量關系

4 結 論

隨著通信機樓的電流越來越大，原來隱性的問題逐漸暴露，但整改的難度非常大，因此在設計和建設階段務必要注意配電柜的選型、設備安裝和電纜敷設，避免產生渦流影響設備運行和電纜載流量，甚至發生重大安全事件。