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摘要：涡流损耗在很多电气设备中都存在，这对电力系统设备的安全稳定运行危害极大，它不仅会引起该设备额外的功率损耗，还会使设备的温度升高，降低设备的使用寿命。更严重的是毁坏设备的绝缘，容易造成相关联设备损坏，引发严重的故障，造成大规模停电等恶性事故。对涡流造成的串联电抗器接地极发热故障进行了研究，并提出了避免电气设备出现涡流的方法。
关键词：涡流；电磁场；发热；系统故障
作者简介：何峰（1973-），男，山东济南人，山东济南供电公司变电运行工区，高级技师；韦良（1984-），男，山东曲阜人，山东济南供电公司变电运行工区。（山东 济南 250001）
中图分类号：TM47 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）03- 0137-02
为了减小短路电流提高短路时的母线残压，济南供电公司（以下简称“我公司”）某110kV变电站的3台主变10kV进线均采用了串入限流电抗器的相同设计，该设计还包含为三相的电抗器表面加装环形接地极。然而，在2010年该变电站所属负荷增大较多的情况下，发生了影响系统正常运行的环形接地极发热故障，其中负荷较重的1号主变的接地极三相温度达到了200度，其他几台电抗器接地极的温度也较高，严重地危害了电网的安全稳定运行，三台主变被迫轮流停电，对电抗器接地极进行消缺。分析该故障的特点得知，该故障是由于电气设备涡流造成的电抗器接地极发热，在变电检修工区将接地极截断成多段并送电后没有再发生此类故障。
一、涡流的原理
如图1所示，在一根长方体导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，那么线圈就产生交变磁场。由于线圈中间的导体在圆周方向可以等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，如图中的椭圆所示，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。导体内部的涡流也会产生热量，如果导体的电阻率小，则涡流很强，产生的热量就很大。
大块的导体在磁场中运动或处在变化的磁场中，都要产生感应电动势，形成涡流，引起较大的涡流损耗。为减少涡流损耗，交流电机、电器中广泛采用表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物的薄硅钢片叠压制成的铁心，这样涡流被限制在狭窄的薄片之内，磁通穿过薄片的狭窄截面时，这些回路中的热电动势较小，回路的长度较大，回路的电阻很大，涡流大为减弱。再者，由于这种薄片材料的电阻率大（硅钢的涡流损失只有只有普通钢的1/5至1/4），从而使涡流损失大大降低。
另一方面，利用涡流作用可以制作成一些感应加热的设备，或用以减少运动部件振荡的阻尼器件等。如常见的电磁炉就是采用涡流感应加热原理，其内部通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当将含铁质锅具底部放在炉面上时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生涡流，使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。
二、涡流引起接地极发热的分析
1.涡流引起的接地极发热计算
涡流损耗在很多电气设备中都存在，这对电力系统设备的安全稳定运行危害极大，它不仅会引起该设备的额外功率损耗，还会使设备的温度升高，降低设备的使用寿命。更严重的是毁坏设备的绝缘，容易损坏相关联设备，引发严重的故障，造成大规模停电等恶性事故，并对电网企业造成不利的社会舆论。该串联电抗器的设计方案如图2所示，在该设计中，串联电抗器呈向下放置，而外表的环形接地极则与地面平行布置。
根据电磁定律分析该电抗器及接地极的磁场，任意时刻，流过该电抗器的电流为I，将该电抗器看做一个螺旋线圈，则由该电流通过电抗器所产生的磁场在螺旋线圈内部分布均匀，设其磁通量为φ，则有：
同时：
φ=LI
由于环形接地极距离电抗器非常近，而且环形接地极形状的大小与电抗器也相同，那么可以近似地认为环形接地极内的磁感应强度和电抗器内部是相同的，且环形接地极钢筋的直径相对环形接地极的直径非常小。假设通过环形接地极的磁通量为φ1，则此磁通量在环行接地极中产生的感应电动势大小为E，则：
，
其中：n为电抗器的匝数，查其数值为20。
据电磁感应定理可知：
电流I为自变量为t的正弦波，它对时间求导之后为一个余弦量，且它的幅值和电流I的幅值相差ω倍，ω为交流电的工频角频率。查阅此电抗器的资料知道：它的电感值L=0.8H，查阅监控记录当日的负荷约为：P=30000W，Q=3000VAR。可以求得该磁场在接地环中形成的感应电动势的有效值为：
查阅资料知道，钢的电阻率约为，截面积S约为6mm2，长度l约为3m，所以此接地极的电阻约为：
此接地极的发热功率为：
代入数值可以计算得出，发热功率约为312W。这个功率还是很大的，尤其是在电抗器室的封闭空间内，热量难以散去，会造成接地钢筋的温度急剧上升。
变化的磁场在封闭的环中形成了交变电流，引发了接地极的发热故障。在将环形接地极切断成几段后，磁场不能在几段不连续的弧形钢筋中形成环形电流，因此接地极的发热故障也就迎刃而解。
从电网系统内运行的情况来看，其他供电公司的设备也不同程度地出现过涡流造成的设备发热现象，例如：低压大电流母线框紧固螺栓的涡流发热问题、[1]穿墙套管发热事故、[2]主变6kV套管涡流发热故障。[3]
2.降低涡流引起的发热方法
在低压大电流流过的导体附近会形成强磁场，处于导体周围的封闭导电材料均会造成不同程度的涡流现象，从分析中可以看出，减小这些涡流影响的方法主要有以下几种。
（1）改变封闭导电材料的形状，将封闭导体变为存在间隙的导体，例如变压器的励磁硅钢片。
（2）改变封闭导电材料的放置位置，使通过封闭导体的磁通量减小，使其不能形成较强的涡流。
（3）更换封闭导电材料，使用较大电阻率的材料，使大电流导体形成的磁场对封闭导电材料的影响减弱。
三、结论
涡流造成的导体发热故障往往会影响设备的正常运行，对电网的稳定安全造成严重影响，电网企业应当在设备的设计、选材、安装、调试、运行中避免此类故障的发生。同时在出现由涡流引起的发热故障后，应尽早正确地处理，保证供电的可靠性。
参考文献：
[1]郑程遥.低压大电流母线框紧固螺栓的涡流发热问题[J].电气传动,2003,(6).
[2]高宝华.大电流电气设备的涡流发热及其防止措施[J].器件与设备,2005,(8).
[3]姜俊丽,等.主变6kV套管涡流发热的处理及分析[J].变压器,2007,(11).
（责任编辑：刘辉）
关键词：涡流；电磁场；发热；系统故障
作者简介：何峰（1973-），男，山东济南人，山东济南供电公司变电运行工区，高级技师；韦良（1984-），男，山东曲阜人，山东济南供电公司变电运行工区。（山东 济南 250001）
中图分类号：TM47 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）03- 0137-02
为了减小短路电流提高短路时的母线残压，济南供电公司（以下简称“我公司”）某110kV变电站的3台主变10kV进线均采用了串入限流电抗器的相同设计，该设计还包含为三相的电抗器表面加装环形接地极。然而，在2010年该变电站所属负荷增大较多的情况下，发生了影响系统正常运行的环形接地极发热故障，其中负荷较重的1号主变的接地极三相温度达到了200度，其他几台电抗器接地极的温度也较高，严重地危害了电网的安全稳定运行，三台主变被迫轮流停电，对电抗器接地极进行消缺。分析该故障的特点得知，该故障是由于电气设备涡流造成的电抗器接地极发热，在变电检修工区将接地极截断成多段并送电后没有再发生此类故障。
一、涡流的原理
如图1所示，在一根长方体导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，那么线圈就产生交变磁场。由于线圈中间的导体在圆周方向可以等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，如图中的椭圆所示，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。导体内部的涡流也会产生热量，如果导体的电阻率小，则涡流很强，产生的热量就很大。
大块的导体在磁场中运动或处在变化的磁场中，都要产生感应电动势，形成涡流，引起较大的涡流损耗。为减少涡流损耗，交流电机、电器中广泛采用表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物的薄硅钢片叠压制成的铁心，这样涡流被限制在狭窄的薄片之内，磁通穿过薄片的狭窄截面时，这些回路中的热电动势较小，回路的长度较大，回路的电阻很大，涡流大为减弱。再者，由于这种薄片材料的电阻率大（硅钢的涡流损失只有只有普通钢的1/5至1/4），从而使涡流损失大大降低。
另一方面，利用涡流作用可以制作成一些感应加热的设备，或用以减少运动部件振荡的阻尼器件等。如常见的电磁炉就是采用涡流感应加热原理，其内部通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当将含铁质锅具底部放在炉面上时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生涡流，使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。
二、涡流引起接地极发热的分析
1.涡流引起的接地极发热计算
涡流损耗在很多电气设备中都存在，这对电力系统设备的安全稳定运行危害极大，它不仅会引起该设备的额外功率损耗，还会使设备的温度升高，降低设备的使用寿命。更严重的是毁坏设备的绝缘，容易损坏相关联设备，引发严重的故障，造成大规模停电等恶性事故，并对电网企业造成不利的社会舆论。该串联电抗器的设计方案如图2所示，在该设计中，串联电抗器呈向下放置，而外表的环形接地极则与地面平行布置。
根据电磁定律分析该电抗器及接地极的磁场，任意时刻，流过该电抗器的电流为I，将该电抗器看做一个螺旋线圈，则由该电流通过电抗器所产生的磁场在螺旋线圈内部分布均匀，设其磁通量为φ，则有：
同时：
φ=LI
由于环形接地极距离电抗器非常近，而且环形接地极形状的大小与电抗器也相同，那么可以近似地认为环形接地极内的磁感应强度和电抗器内部是相同的，且环形接地极钢筋的直径相对环形接地极的直径非常小。假设通过环形接地极的磁通量为φ1，则此磁通量在环行接地极中产生的感应电动势大小为E，则：
，
其中：n为电抗器的匝数，查其数值为20。
据电磁感应定理可知：
电流I为自变量为t的正弦波，它对时间求导之后为一个余弦量，且它的幅值和电流I的幅值相差ω倍，ω为交流电的工频角频率。查阅此电抗器的资料知道：它的电感值L=0.8H，查阅监控记录当日的负荷约为：P=30000W，Q=3000VAR。可以求得该磁场在接地环中形成的感应电动势的有效值为：
查阅资料知道，钢的电阻率约为，截面积S约为6mm2，长度l约为3m，所以此接地极的电阻约为：
此接地极的发热功率为：
代入数值可以计算得出，发热功率约为312W。这个功率还是很大的，尤其是在电抗器室的封闭空间内，热量难以散去，会造成接地钢筋的温度急剧上升。
变化的磁场在封闭的环中形成了交变电流，引发了接地极的发热故障。在将环形接地极切断成几段后，磁场不能在几段不连续的弧形钢筋中形成环形电流，因此接地极的发热故障也就迎刃而解。
从电网系统内运行的情况来看，其他供电公司的设备也不同程度地出现过涡流造成的设备发热现象，例如：低压大电流母线框紧固螺栓的涡流发热问题、[1]穿墙套管发热事故、[2]主变6kV套管涡流发热故障。[3]
2.降低涡流引起的发热方法
在低压大电流流过的导体附近会形成强磁场，处于导体周围的封闭导电材料均会造成不同程度的涡流现象，从分析中可以看出，减小这些涡流影响的方法主要有以下几种。
（1）改变封闭导电材料的形状，将封闭导体变为存在间隙的导体，例如变压器的励磁硅钢片。
（2）改变封闭导电材料的放置位置，使通过封闭导体的磁通量减小，使其不能形成较强的涡流。
（3）更换封闭导电材料，使用较大电阻率的材料，使大电流导体形成的磁场对封闭导电材料的影响减弱。
三、结论
涡流造成的导体发热故障往往会影响设备的正常运行，对电网的稳定安全造成严重影响，电网企业应当在设备的设计、选材、安装、调试、运行中避免此类故障的发生。同时在出现由涡流引起的发热故障后，应尽早正确地处理，保证供电的可靠性。
参考文献：
[1]郑程遥.低压大电流母线框紧固螺栓的涡流发热问题[J].电气传动,2003,(6).
[2]高宝华.大电流电气设备的涡流发热及其防止措施[J].器件与设备,2005,(8).
[3]姜俊丽,等.主变6kV套管涡流发热的处理及分析[J].变压器,2007,(11).
（责任编辑：刘辉）