电气设备中涡流产生的原因及预防措施

672013.11/12电力系统装备Ⅰ□ 阳光电源股份有限公司　罗宣国　魏世民　时晓蕾电气设备中涡流产生的原因及预防措施本文针对电子电气设备中大电流铜排穿板引起涡流从而导致柜体产生温升的原因、危害及预防措施进行了分析，并结合工程中的实例探讨了此类问题的解决办法，为结构设计中避免涡流现象的产生提供了参考。1 涡流产生的原因及危害1.1 涡流产生的原因a.电磁感应现象。穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中就有电流产生，这种现象称为电磁感应现象，这种电流称为感应电流，感应电流产生的磁场阻碍原磁通量发生变化。产生感应电流的条件：导体构成回路，穿过回路所包围面积的磁通量发生变化。b.电磁感应定律。当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势，且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。穿过回路所包围面积的磁通量发生变化有两种方式：稳恒磁场中的导体运动，或者回路面积变化、取向变化等，这种方式会产生动生电动势；导体不动，磁场变化，这种方式会产生感生电动势。由以上两种方式导致回路磁通量变化的直接结果是产生了电动势，这种电动势称为感应电动势。如果没有构成回路，则没有感应电流，但有感应电动势存在。磁通量变化是电磁感应的根本原因，产生感应电动势是电磁感应现象的本质。c.麦克斯韦电磁场理论。麦克斯韦电磁场理论引入了场的概念，其核心思想有两点：第一，变化的磁场产生电场，均匀变化的磁场产生稳定的电场，非均匀变化的磁场产生变化的电场，周期性变化的磁场产生周期性变化的电场；第二，变化的电场产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，周期性变化的电场产生周期性变化的磁场。由上述理论可总结出电和磁的相互关系，即电能生磁，磁也能生电，如图1所示。由电磁感应定律可知，当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势，进而会产生感应电流。事实上，当大块导体或块状金属放在变化着的磁场中或相对于磁场运动时，在大块导体或块状金属中也会出现感应电流，这是由于大块导体或块状金属导体内部处处可以构成回路。因此，在交变磁场中，任意回路所包围面积的磁通量都在变化，其内部会感应出电流，这些电流在大块导体或块状金属中自成闭合回路，呈涡旋状流动，故称涡旋电流，简称涡流。通常，由于大块导体或块状金属的电阻非常小，因此涡流会非常强，会使大块导体或块状金属大量发热，浪费大量的电磁能量。在大功率电子电气设备中都存在大块导体或块状金属（如柜体框架、面板、盖板等），这些大块导体或块状金属处在变化的磁场中时其内部也会产生涡流，而变化的磁场往往是由于另一个回路中的电流变化引起的，如当大块导体或块状金属邻近一载流回路通以交变电流时，就会在大块导体或块状金属附近产生一交变磁场，会引起穿过大块导体或块状金属闭合回路磁通量的变化，大块导体或块状金属内部就会产生涡流。受集肤效应影响，涡流常分布于导体的表面，工程中根据右手定则判定电流生成磁场的方向，根据楞次定律判定磁场感应出涡流的方向。通常情况下，载流回路通以交变电流时，其建立的并不是均匀磁场，且磁力线穿越大块图1　电和磁的相互关系变化的电流变化的磁场直接联系感生电动势68Ⅰ电力系统装备2013.11/12echnology技术研讨导体或块状金属的角度是逐渐变化的，但是感应的电流方向必然处于与磁力线垂直的平面中，且成环状。1.2 涡流的危害大功率电子电气设备由于柜体中存在大电流铜排，由其引起的涡流会导致柜体发热，不仅造成电子电气设备额外的功率损耗，而且还影响电子电气设备的整体温度，造成柜体的温升加剧和局部温度过高，对绝缘件的性能和设备寿命造成很大影响。电子电气设备长期在高温情况下运行容易加速绝缘件的老化，形成绝缘隐患，最终导致放电等事故的发生。不仅如此，柜体的环境温度升高时会导致铜排表面氧化加剧，影响铜排的载流量，需要对铜排的载流量重新进行校正。2 涡流现象的预防2.1 影响涡流的因素大功率电子电气设备中经常有通过大的交变电流的导体，在这些导体周围就会引起交变磁场，处于交变磁场中的块状金属就会产生涡流现象，尤以导体穿金属板时，在金属板中引起的涡流现象最为明显。因为涡流场属于三维空间电磁场，求解涡流损耗的计算公式均比较复杂，基本都是利用有限元的方法求解麦克斯韦方程。也有利用经典公式分析影响涡流损耗的因素，虽然不能准确计算出涡流损耗的大小，但是能从总体上把握影响涡流损耗大小的因素。涡流本质上也是电流，闭合回路中的电流将会产生焦耳热。设闭合回路中的总电动势为ε，总阻抗为R，则该回路在时间dt内因涡流损耗放出的焦耳热为dQ=I2Rdt=(ε/R)2Rdt=(ε2/R)dt。设闭合回路的磁通量为φ，则ε=ε感应=-dφ/dt。设闭合回路中磁感应强度为B，回路面积为S，则φ=BS。设通过直导体的交变电流为I，处于该通电导体产生的交变磁场中的金属板的磁导率为μ0，位于距该通电导体a点处的磁场强度为H，则由毕奥-萨法尔定律可得，距该通电导体a点处的磁感应强度B=μ0H=μ0I/(2πa)。由上述内容可知涡流与通电导体距金属板的距离、金属板的电阻率、金属板的磁导率等因素有关。通电导体距离金属板的距离越大，磁感应强度越小，涡流损耗越小；金属板的电阻率越大，涡流损耗越小；金属板的磁导率越大，磁感应强度越大，涡流损耗越大；通电导体中的电流越小，涡流损耗越小。此外，涡流损耗与交变磁场的变化频率或交流电的频率有关，交变磁场的变化频率或交流电的频率越高，感生电动势越大，涡流损耗越大。2.2 涡流现象的预防措施在电子电气设备设计初期应极力避免涡流现象的发生，若无法避免也应采取措施消弱涡流的影响。涡流现象的预防可从两个方面采取措施：一是从影响涡流大小的因素上着手预防，二是从涡流产生的条件上着手预防。从影响涡流大小的因素上预防主要包括以下几个方面：一是适当加大通电导体与金属板的距离，使穿过金属板的磁场强度减弱，从而减小涡流损耗，降低金属板的发热；二是金属板选用电阻率比较大的材料，增大回路电阻，削弱回路电流，有效减小涡流损耗；三是选择磁导率较小、磁阻较高的材料，或者不导磁材料，这些材料包括不锈钢、铜、铝、铝合金以及绝缘材料，实验表明这些材料的导磁性与空气接近。从涡流产生的条件上预防主要是切断涡流产生的铁磁回路，这种方法主要用于铁磁材料，就是磁导率较高的材料，包括冷轧钢板、铁板以及敷铝锌板等。工程上常用的切断回路的方法是在铁磁回路中开槽，在铁磁回路中开空气槽能有效避免涡流现象的发生。有的文献将该槽称为隔磁槽，并将其目的描述为切断磁路，这种描述是不正确的，磁路是切不断的，只要电流存在，磁场就存在，而且磁路是闭合的。开空气槽的目的是切断铁磁回路，即使铁磁金属板不构成回路。其原理是：由于有空气间隙存在，空气磁导率非常低，磁阻就非常高，串联后整个磁路的磁阻非常高，这就使同样的磁场强度产生的磁感应强度大幅降低，磁通量也大幅下降，在导磁体内产生的涡流也随之下降，涡流损耗就减少，温度随之降低。开空气槽的缺点是降低了原金属板的强度，工程上经常使用的方法是在开槽处补焊非导磁材料（如铜、不锈钢或者铝等）或者在开槽处加非导磁材料金属板并用螺栓将开槽两侧连接，因为这些非导磁材料的磁导率接近空气，磁阻也非常大。涡流损耗会随着开槽宽度的增加迅速降低，在不影响强度和IP防护要求的情况下，开槽宽度应尽量大。工程应用中有的柜子开槽宽度10mm，有的柜子60mm。也有实验指出，通过实验表明槽口宽度与隔磁效果成正比，但大于一定宽度后曲线出现拐点，有饱和现象，因此没必要将槽宽开太大，一般2mm以上就能有效防止涡流。电子电气设备中单相铜排穿金属板时引出铜排在箱盖上的开孔越大，涡流损耗越小，但是考虑到机械强度等各种因素，开孔不易过大。2.3 相关规范中的防涡流规定相关资料对额定电流达到多少时692013.11/12电力系统装备Ⅰ需要进行防涡流设计没有具体规定，工程实际中，当额定电流小于600A时，一般采用固定板开缺口的方式防止涡流现象；当额定电流达到1500A以上时，就必须采用不锈钢或镁铝合金等非导磁材料防止涡流现象。对涡流现象的预防也写入了国标规范，下面是国标对预防涡流现象的规定。2.3.1 电气装置安装工程母线装置施工及验收规范规定a.贯穿螺栓连接的母线两侧均应有平垫圈，相邻螺栓垫圈间应有3mm以上的净距。在其规范说明中指出，相邻螺栓的垫圈间应有3mm以上间隙，是为避免母线接头紧固螺栓间形成闭合磁路。至于所用平垫圈，以前母线螺栓用特制厚平垫圈，现仍有单位沿用此规定，经有关单位多次反复对比试验及实际工程多年经验证明，采用普通标准垫圈或特制放大厚垫圈，在长期通电运行情况下，对接头电阻和温升的影响差别很小，故母线螺栓采用普通标准平垫圈是合适的。b.母线在支柱绝缘子上固定时应符合下列要求：交流母线的固定金具或其他支持金具不应成闭合磁路。在其规范说明中指出，母线在运行中通过的电流是变化的，发热状况也是变化的，所以母线在支柱绝缘子上的固定既要牢固，又要能使母线自由伸缩，以免使其受到额外应力。为避免交流母线因产生涡流而发热，金具之间不能形成闭合磁路。金具有棱角、毛刺会产生电晕放电，造成损耗和对弱电信号的干扰。c.穿墙套管的安装应符合下列要求：额定电流在1500A及以上的穿墙套管直接固定在钢板上时，套管周围不应成闭合磁路；600A及以上母线穿墙套管端部的金属夹板（紧固件除外）应采用非磁性材料，其与母线之间应有金属相连，接触应稳固，金属夹板厚度不应小于3mm，当母线为两片及以上时，母线本身应予固定。在其规范说明中指出，额定电流为1500A及以上的穿墙套管，为防止涡流造成严重发热，其固定钢板应采用开槽或铜焊，使之不成闭合磁路。2.3.2 建筑电气工程施工质量验收规范规定a.三相或单相交流单芯电缆，不得单独穿于钢导管内。这是防止涡流效应必须遵循的条例。b.同一交流回路的电线应穿于同一金属管内。其目的也是为了防止涡流效应。3 工程中解决涡流损耗的实例工程中有大量解决涡流损耗的实例，尤以大功率电子电气设备中经常会出现单相或三相大电流铜排穿板为多。从实际工程应用来看，三相电流穿铁磁金属板时，应尽量从同一孔中穿过，否则，要进行隔磁处理（相间的金属板开空气槽）；单相电流穿铁磁金属板时应进行隔磁处理（金属板开空气槽）。国标规范规定，若金属板为导磁材料，三相或单相的交流单芯电缆不得单独穿于钢导管内，同一交流回路的电线应穿于同一金属管内。工程中的实际应用也证明了此规定的正确性。假设三相交流电完全平衡，则A、B、C三相电流向量在相位上互差120°，那么三相电流矢量之和为0，因此当三相电流从同一孔中穿过时（如图2所示），由于金属板过孔中三相电流矢量之和为0，三相电流在铁磁金属板中的磁感应强度矢量之和也为0，因此三相磁通矢量之和为0，铁磁金属板中无涡流损耗。三相电流以品字型排列时，三相平衡最好。当三相电流穿铁磁金属板时如果不是从同一过孔中穿过，情况就有了很大的不同。任意时刻三相电流总有一相与其他两相的方向不同，假设某一时刻A相与B相、C相的电流方向不同，A相电流垂直于纸面向外，B相、C相电流垂直于纸面向内，则A相、B相、C相电流及其产生磁场的方向如图3所示。从铁磁金属板的磁场方向（图4）可以看出，在A相与B相之间的金属板上，三相电流产生的磁场方向相同，因此此处的磁感应强度为三相磁感应强度正叠加之和，相对于其他地方此处的磁感应强度图2　三相电流穿过同一过孔ABC铁磁金属板铜排过孔三相交流铜排70Ⅰ电力系统装备2013.11/12echnology技术研讨流的预防。b.预防涡流损耗的最好办法是采用磁阻较高的材料或者非导磁材料，这些材料包括不锈钢、铜、铝、铝合金及绝缘材料（包括环氧树脂、工程高强度塑料等），实验表明这些材料的导磁性与空气接近。c.对于导磁材料（包括冷轧钢板、敷铝锌板等），预防涡流损耗的方法主要是切断涡流产生的铁磁回路，主要措施就是在可能产生涡流损耗的铁磁回路中开空气槽。空气槽的宽度在2mm以上就能有效预防涡流损耗。对一些开槽后影响强度的导磁金属板，可采取在开槽处补焊非导磁材料的方法增加其