刘 洋，杜建华，张少伟，余 斌，范旭庚，李昕洋，安庆龙

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼铁作业部，河北唐山 063299）

高炉TRT系统10 kV配电柜涡流发热问题处理

刘 洋，杜建华，张少伟，余 斌，范旭庚，李昕洋，安庆龙

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼铁作业部，河北唐山 063299）

针对在某钢铁厂高炉区域TRT高压配电室出现的高压柜穿线套管异常发热问题来探讨配电柜涡流发热现象，并运用电磁学基本原理与微积分进行简单的定量分析，发现影响涡流发热的因素有：导磁体的厚度、导磁率、电流频率、最大电流及套管宽度等，并据此解决了TRT发电机配电柜体发热问题。

涡流发热；导磁率；磁场强度；套管

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.27

0 前言

随着电气技术的发展，越来越多的大容量设备被投入工业生产中。因大电流漏磁通产生的涡流发热问题应引起设计、电气供配电部门的重视。某钢铁厂高炉区域设有2台36 500 kW TRT 发电机（Top gas pressure Recovery Turbine，TRT，高炉煤气余压透平发电装置），单台负荷电流一般在1700 A。其中1#TRT发电机投入运行后，发现配电室内发电机断路器柜与发电机计量柜间穿线套筒附近出现90℃左右的高温，发电机被迫停机，停电检查。

1 问题分析

发热处在配电室内发电机断路器柜与发电机计量柜间穿线套B相母排与A、C相母排之间（图1），最高温度测得94℃，而环境温度仅25℃，温升已到达69 K，超过40 K的规定值。分析配电柜体发热的原因：①动静触头接触不良或虚接，导致接触电阻大，接触面发热；②静触头与母线或母线连接点螺栓紧固不到位，致使接触压力不足，接触电阻大；③断路器回路电阻超标；④辅助通风冷却方式不合理或不妥善；⑤涡流效应引起局部发热；⑥母线选用规格偏小，在大电流情况下引起导线发热；⑦母线材料不符合要求。停电后打开母线室对热源区进行了详细检查，发现在发热点附近没有受热灼烧痕迹。对母排所有螺栓紧固情况进行了检查未发现异常。动静触头接触良好，动触头固定弹簧拉力正常。载流母排为双排TMY-100×10，满足载流要求。通过多次测量发热区域约3.2 m的回路电阻，三相测得的最大电阻分别为 A 相 26.0 μΩ，B 相 22.6 μΩ，C 相 19.4 μΩ。计算得到平均电阻率为 0.016 25 Ωmm2/m，小于 GB 5585.2—1985《电工用铜、铝及合金母线》中规定的TMY型母排最大电阻率为0.017 77 Ωmm2/m的规定，电阻合格。但发电机计量柜在设备安装时为装配外方电流互感器，对原厂柜体进行了结构改造，将自上而下A，B，C相排列顺序改为B，A，C相，且三相母排间距不相同。基于以上分析，技术人员初步推断发热现象可能与涡流效应有关，并进行了针对性的检验。

涡流即交变电流会在导体四周产生变化的感应磁场，由此会造成磁力线与导体间相互切割，从而产生路径如水中漩涡的电流。一般情况下，涡流在导体中会产生热量，所消耗的能量来源于建立变电磁场的能源。

正常情况时，三相母排通过的电流波形如图2所 示 ，ia=Imsinωt，ib=Imsin（ωt-120°），ic=Imsin （ωt+120°）。由图 2 可看出，在任意时刻，A，B，C 三相的电流的方向总是不完全相同的，而三相电流会在导体周围产生磁场，磁场方向遵守右手螺旋定则，各相周围磁场方向也不全相同，各相周围磁场可矢量叠加。在发热套管区域外围由于磁场的正负叠加，基本相互抵消。而A，B，C 相间部分总是会出现较强的磁场强度。当电流方向出现图3所示情况时，根据右手螺旋定则，三相电流在B相与A，C相之间都产生由左向右的感应磁场，此时三相的磁场叠加，发热处磁场强度最强。

根据电磁感应原理，变化的磁场产生变化的电流，在强磁场处感应的涡流最大，涡流通过涡流回路的电阻从而产出热量。为了弄清这个问题，引入电磁学部分基本公式进行说明。在涡流回路中，涡流热效应的损耗功率可计算为Pwl=e2/r，式中，e为产生涡流的感应电动势；r为参考点处的回路电阻。由此得到e与磁场强度的关系：e=dΦ/dt，Φ=BS，B=Hμ，然后由安培环路定理得到H与主回路电流的关系。定量分析时，选取一个参考点（图4），L为两母排间的距离，l为参考点距B相母排的距离，h为支撑结构的厚度，dl与dr为参考点的宽、长。

图1 柜内铜排布置

图2 三相电流瞬时相位示意

图3 三相磁场叠加示意

图4 参考点示意

由安培环路定律，参考点处的叠加磁场强度见（1）式。

参考点处的磁感应强度即得到（2）式。

由于所取参考点厚度为h，长度取微分值dl，则有磁通为（3）式。

与ia=Imsinωt，ib=Imsin（ωt-120°），ic=Imsin（ωt+120°）联立，即可求得感应电动势，见（4）式。

由于电流ia，ib均为关于时间t的表达式，对t求导后，上式得出的de是一个以l为微分量的表达式。下面对整个相间导磁体宽度求积分为（5）式。

ω=2πf，在我国电流频率为 50 Hz，那么ω=314；那么得到（6）式。

由Pwl=e2/r可得（7）式。

式7中，发现涡流的损耗功率与母排穿过导磁体的厚度、导磁率、电流频率、最大电流成正比；与导磁体的电阻率成反比；套筒宽度D也是会影响涡流损耗功率的。假如式（7）其他值均一定，讨论D对dPwl的影响。此时dPwl可以看做以下函数见（8）式。

其中，a是常数，x即为D，y即为 dPwl，设L=2，且 0.15＜x＜0.5时，看y的值是否随着x的增大而增大，通过MATLAB分析，程序如下：

图5 分析所得函数图像

由图5可知，随着x的增加，y的值趋于线性增加。由此套筒半径D对dPwl的影响存在，即D越大，涡流热功率就越大。

解决现场问题的时，出于发电效益考虑，限制母线最大电流值势必影响发电量，因此毫无意义；而导磁体即配电柜体的厚度，决定了其配电柜的机械强度，为限制涡流而改用轻薄的柜体势必会影响电力设备的安全运行；电流频率是无法改变的；最后将导磁率与套筒半径作为改善涡流发热的关键因素，降低母线周围支撑体的磁导率、合理运用小口径的套筒理论上是可以解决发热问题的，而且也较容易做到。比如：在大电流通过的套管时，相间可做20 mm左右的隔断槽并铜焊，来阻断磁路；或者把支撑构架整体换成非导磁材料。

2 结语

经讨论采取整体更换配电柜的柜间隔板的方案，将事故发生前配电柜体采用的导磁材料镀锌钢板，更换为不导磁的不锈钢板，并更换口径较小的套管。运行后，发热位置温度明显下降，温升大约持续在20 K左右，到达改造效果。本次发热故障提醒我们电气涡流发热问题在供配电专业领域里，是一个不容忽视的安全隐患，在日常点巡检工作中应完善检查标准，时刻注意尤其是大电流配电设备温度变化，及时发现隐患并消除其不利影响。

［1］周旭东.电机学［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［2］姚正武.降低变压器二次侧箱盖的涡流发热［J］.电气时代，2005（7）:100-102.

［3］周鹤良.电气工程师手册［M］.北京:中国电力出版社，2008.

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〔编辑 凌 瑞〕