基于功率损耗原理分析的电气设备发热研究

2013-08-18陈邓伟王长义

电气技术 2013年1期

陈邓伟王长义

（1.河南电力技师学院，郑州 450051 ；2.河南省郑州供电公司，郑州 450051）

电气设备可靠工作需要两个基本条件：①电气回路连接正确、导通完好；②绝缘材料电气强度满足工作要求。而电气设备在工作过程中，其电气回路和绝缘材料都会存在发热现象，发热过大往往又会影响电气设备的安全工作：一方面，设备发热会造成电气设备电气运行特性的改变，甚至烧毁电路；另一方面，发热还会引起绝缘部分电气强度降低，进而引发放电事故。电气设备的发热从本质上讲，是电能有功损耗的一种表现，电气设备的工作条件不同，产生有功损耗的机理就不相同，因此，研究电气设备发热归根到底就是分析电能有功损耗产生的过程。在生产实践中，根据功率损耗产生的机理归类分析，电气设备的发热原因就能清晰可判，从而采取对应的处理措施。

1 电导损耗致热型

1.1 导体电导损耗致热

对通电导体，电导损耗的增加是致热的主要原因。当导体回路在导体连接部位出现松动、接触不良时，其接触电阻就会增大，由于这种电阻的增大不会引起电路电流大的改变，所以，根据电功率的计算公式P=I2R及图1可知，当电阻增加时，在导体连接部位出现的电导损耗就会增加，使损耗产生的热量和散出的热量不再平衡，从而引起导体局部温度的升高，严重时会烧熔或烧断导体。

图1 导体电导简化等值电路

在电力生产中，隔离刀闸动静触头之间的发热和变压器出线连接板的发热等，就是由于触头氧化、接触不良等原因引起电阻增大，从而使电导损耗增大致热的典型实例。因此，电气试验中规程就要求测量此类设备的直流电阻，以判断导电回路电阻是否符合发热要求；针对外露的导体连接部位，生产中还可以通过红外测温仪直接进行测温判断。

1.2 绝缘介质电导损耗致热

绝缘介质在电场中产生损耗的途径有多种，绝缘介质发热是多种损耗共同作用的结果，每一种类型的损耗在一定的条件下，都有可能成为致热的主要损耗。根据绝缘介质的简化等值电路（如图2所示）可知，电导损耗P =IR2R是绝缘介质总损耗中的其中之一。

图2 绝缘材料简化等值电路

电力生产实践中，在变压器绝缘整体严重受潮、避雷器和绝缘子表面严重污秽、受潮情况下，此时电导损耗是造成绝缘介质发热的主要因素，其电导损耗可由公式P =U2/R进行解释：绝缘下降引起绝缘电阻R减小，而电压不变，此时损耗自然增加。若在绝缘介质干燥、洁净情况下发热，由于电导电流很小，此时影响发热的主要因素就不是电导损耗。

2 极化损耗致热型

绝缘介质在交变电场中会发生极化现象，即绝缘介质两端对外表现出一定的正负电极性，常见的极化形式有畸变极化、位移极化和转向极化。在完成极化的过程中，介质分子在外界电场作用下，要克服分子间作用力和转动时的摩擦力而消耗电能，这些消耗的电能就是极化损耗，对外表现为绝缘介质出现发热。极化损耗致热只存在于绝缘介质中，金属导体发热损耗中不存在极化损耗。

绝缘介质的极化损耗与电源的频率有关，频率越高，单位时间内完成的极化次数越多，极化损耗就越大，发热就越明显。电力生产中，绝缘介质多处在工频 50Hz的低频电场中，绝缘良好情况下，尽管绝缘介质的主要损耗是极化损耗，但是，单一形式的极化损耗致热不会超过设备工作允许的温度范围。极化损耗是致热的损耗之一，绝大多数情况下不是主要致热因素，生产中，只有绝缘介质在洁净、干燥且严重老化情况下的发热，极化损耗致热才是主要因素。

3 电离损耗致热型

绝缘介质的原子在电场作用下，部分原子变为电荷时释放原子能量，此能量就是电离损耗，这种能量损耗的实质仍然是消耗外界的电场能，电离损耗作用的结果依然是造成绝缘介质发热。电离损耗是外界强电场作用的结果，根据近似公式E=U/d（E为电场强度；U为电压；d为绝缘间距）可知：只要改变绝缘间距d的大小，无论在高压下或低压下都可能产生强电场。只要在强电场作用下，绝缘介质产生的主要损耗一定是电离损耗。绝缘介质在强电场作用下，原子电离的速度很快，短时间内产生的大量电离损耗就会使绝缘介质温度上升很高，因此，电离损耗致热是各种损耗致热中最危险的一种情况。

电离现象和电导现象本质区别是，当电离现象较强时，电导电流较小；而当电导现象较强时，电离过程就较弱。生产中的电晕现象就是局部畸变强电场产生电离损耗的典型实例：当空气发生电晕现象时，空气电导电流几乎为零，电极附近的空气却局部高温，其原因就是电离损耗致热的缘故。电晕放电发展的最高阶段是绝缘击穿，形成电弧，此时的电离损耗来自正负电荷复合过程中产生的光子能，巨大的光子能量会使绝缘介质温度快速上升，超过绝缘介质极限承受能力，引起设备爆炸。

在生产实践中，只要是绝缘材料处在极不均匀电场中出现的局部发热，往往都是电离损耗致热结果，典型实例：穿墙套管法兰附近电场较强，因此法兰周围的瓷瓶就容易发热；线路绝缘子串两端所处的电场较强，因此发热绝缘子往往也都出现在绝缘子串的两端。

4 涡流损耗致热型

对导体而言，交变的磁场总是能在导体内部产生无数的“同心”环流，这些环流在导体上产生的损耗就是涡流损耗。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。

硅钢片既是良好的导磁材料，同时又是导体，因此，变压器铁心的损耗成分中就包含有涡流损耗，涡流损耗消耗的是电能，表现形式仍为发热。生产实践中，变压器铁心采用减小硅钢片的单个体积、保证硅钢片的片间绝缘都是为了减小变压器铁心的涡流损耗。另外，全连式分相封闭母线的外壳，采用把三相外壳连接在一起的目的，就是让三相磁场在封闭外壳中相互抵消，减少外壳涡流损耗的产生。

5 磁滞损耗致热型

磁滞现象是指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系，经过一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积，这部分能量转化为热能，使设备升温。磁滞损耗就是铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。

磁滞损耗致热只存在于铁磁性物质中，一般情况下，铁磁性物质同时又是导电体，所以，铁磁性物质存在磁滞损耗同时往往还伴随有涡流损耗，单纯的磁滞损耗并不存在，但以磁滞损耗为主的致热现象生产中也并不少见，如变压器上下大盖的紧固螺栓，有时就会因为变压器漏磁而引起发热，其主要原因就是磁滞损耗致热。

6 复合损耗致热型

6.1 绝缘介质复合损耗致热型

生产实践中，绝缘材料的发热往往都是各种损耗共同致热的结果，在不同的发展过程中某种损耗所占的主导位置随时间而改变，所以此类致热称为复合损耗致热，其损耗产生形式可表示为：极化损耗+电导损耗+电离损耗。如绝缘子污闪致热：绝缘良好初期，致热损耗主要是极化损耗；存在绝缘污秽、电导发展初期，致热损耗是极化损耗和电导损耗，但电导损耗较大；污闪开始形成期，致热损耗是极化损耗、电导损耗和电离损耗，但电离损耗较大，三种损耗共同作用造成绝缘表面严重发热。

6.2 磁导体复合损耗致热型

磁导体的发热，其发热损耗形式可表示为：磁滞损耗+涡流损耗。对于强磁性材料的发热，如硅钢片，致热损耗主要以磁滞损耗为自主；对于弱磁性材料的发热，如铸铁，致热损耗主要以涡流损耗为自主。生产中，大型变压器油箱内壁采用磁屏蔽结构，就是为了减少变压器油箱的漏磁发热。由于变压器油箱为整体铸铁金属结构，所以当变压器磁屏蔽破坏后，油箱的涡流损耗和磁滞损耗共同造成变压器油箱局部发热，但涡流损耗为主要致热因素。