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电气设备发热的原因有哪些

作者:快乐28 发布时间:2020-12-08 06:35 点击数:

  电气设备的发热不仅会影响设备的电气特性,同时还会危及设备绝缘的安全,生产中的许多电气事故都是由发热引起的,因此,解决此类问题的关键就是研究设备产生发热的机理。

  目前,在电气设备的红外测温研究中,对发热故障的诊断,是基于电流型故障致热和电压型故障致热原理进行归类分析的,但电力生产实践中,设备故障致热的原因有很多、产生情况又比较复杂,若把设备发热仅仅归为某一类型致热进行分析,往往不能从根本上解释清楚。

  作者从功率损耗致热的角度,针对生产中的各种发热问题进行归纳分析,可以彻底解释不同类型设备发热的内在原因,从而为生产人员处理设备发热提出参考的理论基础。

  电气设备可靠工作需要两个基本条件:一是电气回路连接正确、导通完好;二是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。

  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1-1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。

  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。

  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1-2可知,电导损耗P=IR2R是绝缘介质总损耗中的其中之一。

  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。

  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。

  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:电场强度;U:电压;d: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。

  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,变压器铁芯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,变压器铁芯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芯的涡流损耗。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。

  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。

  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。

  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。

  通过上述对设备发热机理的探析与研究,利用能量损耗的原理可对生产中设备发热原因总结出以下几点判断原则:

  (1)对于金属连接部位的发热,如开关、刀闸和绕组类的接头部位,均可用电导损耗致热原理进行分析。

  (2))对于绝缘材料老化类的发热,由于其绝缘性能、电气性能和物理性能均发生劣化,因此可以用极化损耗致热原理进行分析。

  (3)对于钢构、硅钢片等磁性材料的发热,可以用磁导体复合损耗致热原理进行分析,如变压器铁芯的发热。

  (4)对于纯金属屏蔽外壳类发热,可以用涡流损耗致热原理进行分析,如变压器金属外壳的漏磁发热。

  (5)对于由强电场引起的绝缘材料发热,可以用电离损耗致热原理进行分析,如多股导线散股后的发热现象,就是由于导线变细、电场畸变后造成导线周围电晕放电、引起电离损耗增加的缘故。

  (6)对于由多种损耗引起的绝缘复合致热,应结合发热具体情况进行分析:高电压下以电离损耗致热为主,低电压下以电导损耗致热为主;绝缘干燥情况下,电离损耗致热为主,绝缘潮污下,电导损耗致热为主。

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