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(lián)合有限責(zé)任公司煉鐵作業(yè)部,河北唐山 063299)
高爐TRT系統(tǒng)10 kV配電柜渦流發(fā)熱問(wèn)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(lián)合有限責(zé)任公司煉鐵作業(yè)部,河北唐山 063299)
針對(duì)在某鋼鐵廠高爐區(qū)域TRT高壓配電室出現(xiàn)的高壓柜穿線套管異常發(fā)熱問(wèn)題來(lái)探討配電柜渦流發(fā)熱現(xiàn)象,并運(yùn)用電磁學(xué)基本原理與微積分進(jìn)行簡(jiǎn)單的定量分析,發(fā)現(xiàn)影響渦流發(fā)熱的因素有:導(dǎo)磁體的厚度、導(dǎo)磁率、電流頻率、最大電流及套管寬度等,并據(jù)此解決了TRT發(fā)電機(jī)配電柜體發(fā)熱問(wèn)題。
渦流發(fā)熱;導(dǎo)磁率;磁場(chǎng)強(qiáng)度;套管
10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.27
隨著電氣技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的大容量設(shè)備被投入工業(yè)生產(chǎn)中。因大電流漏磁通產(chǎn)生的渦流發(fā)熱問(wèn)題應(yīng)引起設(shè)計(jì)、電氣供配電部門(mén)的重視。某鋼鐵廠高爐區(qū)域設(shè)有2臺(tái)36 500 kW TRT 發(fā)電機(jī)(Top gas pressure Recovery Turbine,TRT,高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置),單臺(tái)負(fù)荷電流一般在1700 A。其中1#TRT發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行后,發(fā)現(xiàn)配電室內(nèi)發(fā)電機(jī)斷路器柜與發(fā)電機(jī)計(jì)量柜間穿線套筒附近出現(xiàn)90℃左右的高溫,發(fā)電機(jī)被迫停機(jī),停電檢查。
發(fā)熱處在配電室內(nèi)發(fā)電機(jī)斷路器柜與發(fā)電機(jī)計(jì)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(cè)得94℃,而環(huán)境溫度僅25℃,溫升已到達(dá)69 K,超過(guò)40 K的規(guī)定值。分析配電柜體發(fā)熱的原因:①動(dòng)靜觸頭接觸不良或虛接,導(dǎo)致接觸電阻大,接觸面發(fā)熱;②靜觸頭與母線或母線連接點(diǎn)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(biāo);④輔助通風(fēng)冷卻方式不合理或不妥善;⑤渦流效應(yīng)引起局部發(fā)熱;⑥母線選用規(guī)格偏小,在大電流情況下引起導(dǎo)線發(fā)熱;⑦母線材料不符合要求。停電后打開(kāi)母線室對(duì)熱源區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)檢查,發(fā)現(xiàn)在發(fā)熱點(diǎn)附近沒(méi)有受熱灼燒痕跡。對(duì)母排所有螺栓緊固情況進(jìn)行了檢查未發(fā)現(xiàn)異常。動(dòng)靜觸頭接觸良好,動(dòng)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(guò)多次測(cè)量發(fā)熱區(qū)域約3.2 m的回路電阻,三相測(cè)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(jì)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(guī)定的TMY型母排最大電阻率為0.017 77 Ωmm2/m的規(guī)定,電阻合格。但發(fā)電機(jī)計(jì)量柜在設(shè)備安裝時(shí)為裝配外方電流互感器,對(duì)原廠柜體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)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?;谝陨戏治?,技術(shù)人員初步推斷發(fā)熱現(xiàn)象可能與渦流效應(yīng)有關(guān),并進(jìn)行了針對(duì)性的檢驗(yàn)。
渦流即交變電流會(huì)在導(dǎo)體四周產(chǎn)生變化的感應(yīng)磁場(chǎng),由此會(huì)造成磁力線與導(dǎo)體間相互切割,從而產(chǎn)生路徑如水中漩渦的電流。一般情況下,渦流在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生熱量,所消耗的能量來(lái)源于建立變電磁場(chǎng)的能源。
正常情況時(shí),三相母排通過(guò)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(shí)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(huì)在導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向遵守右手螺旋定則,各相周?chē)艌?chǎng)方向也不全相同,各相周?chē)艌?chǎng)可矢量疊加。在發(fā)熱套管區(qū)域外圍由于磁場(chǎng)的正負(fù)疊加,基本相互抵消。而A,B,C 相間部分總是會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)電流方向出現(xiàn)圖3所示情況時(shí),根據(jù)右手螺旋定則,三相電流在B相與A,C相之間都產(chǎn)生由左向右的感應(yīng)磁場(chǎng),此時(shí)三相的磁場(chǎng)疊加,發(fā)熱處磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)。
根據(jù)電磁感應(yīng)原理,變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電流,在強(qiáng)磁場(chǎng)處感應(yīng)的渦流最大,渦流通過(guò)渦流回路的電阻從而產(chǎn)出熱量。為了弄清這個(gè)問(wèn)題,引入電磁學(xué)部分基本公式進(jìn)行說(shuō)明。在渦流回路中,渦流熱效應(yīng)的損耗功率可計(jì)算為Pwl=e2/r,式中,e為產(chǎn)生渦流的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);r為參考點(diǎn)處的回路電阻。由此得到e與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系:e=dΦ/dt,Φ=BS,B=Hμ,然后由安培環(huán)路定理得到H與主回路電流的關(guān)系。定量分析時(shí),選取一個(gè)參考點(diǎn)(圖4),L為兩母排間的距離,l為參考點(diǎn)距B相母排的距離,h為支撐結(jié)構(gòu)的厚度,dl與dr為參考點(diǎn)的寬、長(zhǎng)。
圖1 柜內(nèi)銅排布置
圖2 三相電流瞬時(shí)相位示意
圖3 三相磁場(chǎng)疊加示意
圖4 參考點(diǎn)示意
由安培環(huán)路定律,參考點(diǎn)處的疊加磁場(chǎng)強(qiáng)度見(jiàn)(1)式。
參考點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度即得到(2)式。
由于所取參考點(diǎn)厚度為h,長(zhǎng)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(lián)立,即可求得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),見(jiàn)(4)式。
由于電流ia,ib均為關(guān)于時(shí)間t的表達(dá)式,對(duì)t求導(dǎo)后,上式得出的de是一個(gè)以l為微分量的表達(dá)式。下面對(duì)整個(gè)相間導(dǎo)磁體寬度求積分為(5)式。
ω=2πf,在我國(guó)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(fā)現(xiàn)渦流的損耗功率與母排穿過(guò)導(dǎo)磁體的厚度、導(dǎo)磁率、電流頻率、最大電流成正比;與導(dǎo)磁體的電阻率成反比;套筒寬度D也是會(huì)影響渦流損耗功率的。假如式(7)其他值均一定,討論D對(duì)dPwl的影響。此時(shí)dPwl可以看做以下函數(shù)見(jiàn)(8)式。
其中,a是常數(shù),x即為D,y即為 dPwl,設(shè)L=2,且 0.15<x<0.5時(shí),看y的值是否隨著x的增大而增大,通過(guò)MATLAB分析,程序如下:
圖5 分析所得函數(shù)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(duì)dPwl的影響存在,即D越大,渦流熱功率就越大。
解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的時(shí),出于發(fā)電效益考慮,限制母線最大電流值勢(shì)必影響發(fā)電量,因此毫無(wú)意義;而導(dǎo)磁體即配電柜體的厚度,決定了其配電柜的機(jī)械強(qiáng)度,為限制渦流而改用輕薄的柜體勢(shì)必會(huì)影響電力設(shè)備的安全運(yùn)行;電流頻率是無(wú)法改變的;最后將導(dǎo)磁率與套筒半徑作為改善渦流發(fā)熱的關(guān)鍵因素,降低母線周?chē)误w的磁導(dǎo)率、合理運(yùn)用小口徑的套筒理論上是可以解決發(fā)熱問(wèn)題的,而且也較容易做到。比如:在大電流通過(guò)的套管時(shí),相間可做20 mm左右的隔斷槽并銅焊,來(lái)阻斷磁路;或者把支撐構(gòu)架整體換成非導(dǎo)磁材料。
經(jīng)討論采取整體更換配電柜的柜間隔板的方案,將事故發(fā)生前配電柜體采用的導(dǎo)磁材料鍍鋅鋼板,更換為不導(dǎo)磁的不銹鋼板,并更換口徑較小的套管。運(yùn)行后,發(fā)熱位置溫度明顯下降,溫升大約持續(xù)在20 K左右,到達(dá)改造效果。本次發(fā)熱故障提醒我們電氣渦流發(fā)熱問(wèn)題在供配電專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域里,是一個(gè)不容忽視的安全隱患,在日常點(diǎn)巡檢工作中應(yīng)完善檢查標(biāo)準(zhǔn),時(shí)刻注意尤其是大電流配電設(shè)備溫度變化,及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并消除其不利影響。
[1]周旭東.電機(jī)學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.
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[3]周鶴良.電氣工程師手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.
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〔編輯 凌 瑞〕