邹聪
广州环投设计研究院 广东广州 510700
摘要：本文分析了低压大电流母线槽紧固螺栓的涡流发热问题，分析了产生的原因和相应的危害，并提出了有关降低危害的具体措施。
关键词：低压大电流 母线槽 紧固螺栓 涡流发热
一、背景
母线槽是由美国开发出来的，称之为“Bus-Way-System”一种新的电路方式，它以铜或铝作为导体，用非烯性绝缘支撑，装到金属槽中而形成的新型导体，如今在发电厂、工矿企业、电力系统上都成了不可缺少的配线方式。
母线槽从空气型发展到现在的复合绝缘型共经历了三代。
1.第一代空气型母线槽（BMC）：
在上世纪50年代中期，将导电排用绝缘衬垫支撑在壳体内，靠空气介质绝缘。
缺点：①由于母线之间接头用铜片软接过渡，在潮湿环境下，接头之间容易产生氧化，易造成与母线接触不良，使触头容易发热等情况，在南方极少应用。
②接头之间体积过大，水平母线段尺寸不一致，外形不够美观。
2.第二代密集型母线槽：
密集型母线槽于上世纪80年代中期开始，将导电排用绝缘材料覆盖后再与两侧紧固在一起，随着工艺的变化，已演变成密集型母线采用密集式插口连接，即整体密集型母线槽。
缺点：高温分解时，绝缘材料会产生有毒有害气体，且不同的绝缘材料质量存在较大差异。
3.第三代复合绝缘型母线槽：
母线槽除了导电排本身具有绝缘层外，各相线之间还有一定的空气介质绝缘。在各种弯头采用硫化绝缘技术，采用四元交联固化，绝缘层与导电排间无间隙，有较好的散热性能、防潮性能、绝缘性能。
缺点：成本较高。
二、异常情况
增城电厂低压PC段母线采用第三代复合绝缘型母线槽，除导电排本身具有绝缘层外，各相线之间通过绝缘支撑件隔开，还有一定的空气介质绝缘。母线槽采取垂直安装方式，用螺栓固定，螺栓采用铁镀彩锌材质。
在日常使用红外成像仪检查时，发现#2锅炉变低压侧出线处母线槽靠近相线的紧固螺栓发热严重，最高点温度达到122℃。
三、异常情况分析
1.验证紧固螺栓发热情况是否真实。
为了验证该处温度高是否真实，首先采用红外测温枪测量紧固螺栓温度，测量结果只有37℃，考虑到被测物体光滑表面会反射红外线，影响测量精度导致测量结果不准。后采用温度试纸测量的方式，实际测量该处温度。在贴上温度试纸后，第一张试纸所测量的部位显示70℃，第二张温度试纸测量部位温度指示达到满量程100℃。
2.验证紧固螺栓发热现象是否为普遍现象
运行人员用红外成像测温仪对#1汽机变、#2汽机变、备用变都进行了红外成像。红外成像结果显示，#1、#2汽机变低压侧出线处母线槽靠近相线的紧固螺栓均有不同程度的发热，温度最高达到85℃，其紧固螺栓螺帽处的绝缘垫片已经因发热而老化变形。备用变暂无发热现象，螺帽处的绝缘垫片完好。由此分析可得，增城电厂低压母线槽的安装方式会引起靠近相线的固定螺栓发热，且发热情况和电流有关，电流越高，温度越高，发热越严重。
3.紧固螺栓发热的原因分析
发热现象仅发生在靠近相线的两根紧固螺栓表面，此处是没有热源的，而唯一的热源只可能是螺栓内部存在涡流。增城电厂所使用的紧固螺栓为铁镀彩锌材质，铁磁材料的磁导率和电导率都比较高，很容易在螺栓内部形成涡流。
通过红外成像可以看出，温度较高的点主要集中在螺栓表面，整个热源未构成一个矩形环，而是两条线。虽然螺栓两端通过绝缘垫片隔离未形成回路，但在大电流母线的邻近区域，交变的强磁场仍然会在螺栓中引起涡流，导致发热。增城电厂锅炉变的额定容量为2000kVA，额定电流为2886A，正常运行电流约为1500A，靠近相线的螺栓在交变磁场的叠加作用下，螺栓内部构成通路在表面形成涡流，导致此处严重发热，随着母线运行电流的降低，其发热情况也会有所好转。
四、紧固螺栓发热的危害
发热是一个不断积累、不断加剧的过程，它不会立即对运行设备产生危害，但不采取防范措施，其必然会出现严重的后果。当前紧固螺栓发热已经造成螺帽处绝缘垫片的老化，当绝缘垫片失去绝缘作用后，紧固螺栓通过螺帽、钢构支架同旁边的另一根螺栓构成一个矩形环。该矩形环内的涡流会更大，发热情况进一步加剧，最终影响支撑母线的绝缘材料，影响其使用寿命，A级绝缘材料在一定温度范围内，每增加8—10K，材料的使用寿命缩短约50%。长此以往，有机绝缘材料会老化变脆，绝缘性能下降，甚至击穿，最终发生相间短路事故，使母线框烧毁。
五、解决措施
1.涡流的产生原因
涡流是由于一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会，由于电磁感应效应，在导体内产生了一个内循环的电流。磁场变化越快，感应电动势越大，涡流也就越强。相线中交变的电流周围会形成交变的磁场，紧固螺栓中的涡流是由于交变的强磁场在螺栓表面由于电磁感应效应，形成了不均匀的感应电动势，通过紧固螺栓内部形成通路，从而产生涡流。
2.发热量的大小
导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，因涡流发热导致的能量损耗称为涡流损耗。因此，涡流损耗的大小即为发热量的大小。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，计算涡流损耗是一个十分复杂的过程。通过查阅相关资料，铁磁材料螺栓，在一个周期内，涡流的平均功率可依据下列公示进行计算：
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式中I为母排电流的有效值、b为母排宽度、d为母排至螺栓的距离、l为螺栓的长度，a为螺栓的半径。
3.降低涡流影响的解决措施
在当前母线槽的安装条件下，涡流的产生是不可避免的。为了减小涡流对生产设备的危害，我们通过采取降低涡流损耗的措施来降低影响。
①从涡流产生的原因来解决。由紧固螺栓发热原因分析可知，母线电流越小，发热温度也越低，母线电流由负载决定，通过调整负载，降低母线运行电流，从而减小涡流。在实际运行过程中，负载往往是一定的，母线运行电流调整空间较小，此种方式可操作性较低。
②从影响涡流损耗大小的因素来解决。由上述推导计算公式可知，涡流损耗的大小和母排宽度、母排至螺栓的距离以及螺栓的参数都有关，可以通过合理选择母线框的几何参数，选用耐热和散热性能好的绝缘材料制作母线框，以达到减小涡流影响的目的。由于生产现场母线框的材质、螺栓的长度及大小都已固定，无法再进行变更，此种方式不适用于已投运项目，新建项目可以考虑采用此种方式降低涡流的影响。
③选用磁导率与电导率都很低的材料制作螺栓，从电磁感应的途径上，降低涡流的影响。采用磁导率与电导率都很低的材料，使该部件处在强磁场环境下，其物体表面也不会由于电磁感应效应形成较高的感应电动势，从而降低涡流的大小，减小涡流发热的影响。
六、结论
现行的低压大电流母线槽由于几何形状与物理参数等原因，涡流是不可避免的，很容易引起发热现象，这将给供电的可靠性带来严重的安全隐患。通过上述分析，各电厂应该重视涡流引起的发热现象，采用合适的解决方式来消除涡流的影响。
对于新建电厂，通过合理选择母线框的几何参数，选用耐热和散热性能好的绝缘材料制作母线框；选择磁导率、电导率都很低的材料制作螺栓，螺栓的参数和母线框的参数互相配合，以最大化消除涡流发热的影响。
对于已投运电厂，通过选择磁导率和电导率都很低的螺栓，如304不锈钢材质等，是改善螺栓及紧固件涡流发热最有效和最根本的措施。