從功率損耗致熱的角度,分析電氣設備發熱的內在原因

電氣設備的發熱不僅會影響設備的電氣特性，同時還會危及設備絕緣的安全，生產中的許多電氣事故都是由發熱引起的，因此，解決此類問題的關鍵就是研究設備產生發熱的機理。

目前，在電氣設備的紅外測溫研究中，對發熱故障的診斷，是基於電流型故障致熱和電壓型故障致熱原理進行歸類分析的，但電力生產實踐中，設備故障致熱的原因有很多、產生情況又比較複雜，若把設備發熱僅僅歸為某一類型致熱進行分析，往往不能從根本上解釋清楚。

作者從功率損耗致熱的角度，針對生產中的各種發熱問題進行歸納分析，可以徹底解釋不同類型設備發熱的內在原因，從而為生產人員處理設備發熱提出參考的理論基礎。

電氣設備可靠工作需要兩個基本條件：一是電氣迴路連接正確、導通完好；二是絕緣材料電氣強度滿足工作要求。而電氣設備在工作過程中，其電氣迴路和絕緣材料都會存在發熱現象，發熱過大往往又會影響電氣設備的安全工作。一方面，設備發熱會造成電氣設備電氣運行特性的改變，甚至燒毀電路；另一方面，發熱還會引起絕緣部分電氣強度降低，進而引發放電事故。

電氣設備的發熱從本質上講，是電能有功損耗的一種表現，電氣設備的工作條件不同，產生有功損耗的機理就不相同，因此，研究電氣設備發熱歸根到底就是分析電能有功損耗產生的過程。在生產實踐中，根據功率損耗產生的機理歸類分析，電氣設備的發熱原因就能清晰可判，從而採取對應的處理措施。

電導損耗致熱型

1 導體電導損耗致熱

對通電導體，電導損耗的增加是致熱的主要原因。當導體迴路在導體連接部位出現鬆動、接觸不良時，其接觸電阻就會增大，由於這種電阻的增大不會引起電路電流大的改變，所以，根據電功率的計算公式P=I2R及圖1-1可知，當電阻增加時，在導體連接部位出現的電導損耗就會增加，使損耗產生的熱量和散出的熱量不再平衡，從而引起導體局部溫度的升高，嚴重時會燒熔或燒斷導體。

1-1導體電導簡化等值電路

在電力生產中，隔離刀閘動靜觸頭之間的發熱和變壓器出線連接板的發熱等，就是由於觸頭氧化、接觸不良等原因引起電阻增大，從而使電導損耗增大致熱的典型實例。因此，電氣試驗中規程就要求測量此類設備的直流電阻，以判斷導電迴路電阻是否符合發熱要求；針對外露的導體連接部位，生產中還可以通過紅外測溫儀直接進行測溫判斷。

2 絕緣介質電導損耗致熱

絕緣介質在電場中產生損耗的途徑有多種，絕緣介質發熱是多種損耗共同作用的結果，每一種類型的損耗在一定的條件下，都有可能成為致熱的主要損耗。根據絕緣介質的簡化等值電路1-2可知，電導損耗P =IR2R是絕緣介質總損耗中的其中之一。

1-2絕緣材料簡化等值電路

電力生產實踐中，在變壓器絕緣整體嚴重受潮、避雷器和絕緣子表面嚴重汙穢、受潮情況下，此時電導損耗是造成絕緣介質發熱的主要因素，其電導損耗可由公式P =U2/R進行解釋：絕緣下降引起絕緣電阻R減小，而電壓不變，此時損耗自然增加。若在絕緣介質乾燥、潔淨情況下發熱，由於電導電流很小，此時影響發熱的主要因素就不是電導損耗。

極化損耗致熱型

絕緣介質在交變電場中會發生極化現象，即絕緣介質兩端對外表現出一定的正負電極性，常見的極化形式有畸變極化、位移極化和轉向極化。在完成極化的過程中，介質分子在外界電場作用下，要克服分子間作用力和轉動時的摩擦力而消耗電能，這些消耗的電能就是極化損耗，對外表現為絕緣介質出現發熱。極化損耗致熱只存在於絕緣介質中，金屬導體發熱損耗中不存在極化損耗。

絕緣介質的極化損耗與電源的頻率有關，頻率越高，單位時間內完成的極化次數越多，極化損耗就越大，發熱就越明顯。電力生產中，絕緣介質多處在工頻50Hz的低頻電場中，絕緣良好情況下，儘管絕緣介質的主要損耗是極化損耗。

但是，單一形式的極化損耗致熱不會超過設備工作允許的溫度範圍。極化損耗是致熱的損耗之一，絕大多數情況下不是主要致熱因素，生產中，只有絕緣介質在潔淨、乾燥且嚴重老化情況下的發熱，極化損耗致熱才是主要因素。

電離損耗致熱型

絕緣介質的原子在電場作用下，部分原子變為電荷時釋放原子能量，此能量就是電離損耗，這種能量損耗的實質仍然是消耗外界的電場能，電離損耗作用的結果依然是造成絕緣介質發熱。

電離損耗是外界強電場作用的結果，根據近似公式E=U/d（E：電場強度；U：電壓；d：絕緣間距）可知：只要改變絕緣間距d的大小，無論在高壓下或低壓下都可能產生強電場。只要在強電場作用下，絕緣介質產生的主要損耗一定是電離損耗。

絕緣介質在強電場作用下，原子電離的速度很快，短時間內產生的大量電離損耗就會使絕緣介質溫度上升很高，因此，電離損耗致熱是各種損耗致熱中最危險的一種情況。

電離現象和電導現象本質區別是，當電離現象較強時，電導電流較小；而當電導現象較強時，電離過程就較弱。生產中的電暈現象就是局部畸變強電場產生電離損耗的典型實例：當空氣發生電暈現象時，空氣電導電流幾乎為零，電極附近的空氣卻局部高溫，其原因就是電離損耗致熱的緣故。

電暈放電發展的最高階段是絕緣擊穿，形成電弧，此時的電離損耗來自正負電荷複合過程中產生的光子能，巨大的光子能量會使絕緣介質溫度快速上升，超過絕緣介質極限承受能力，引起設備爆炸。

在生產實踐中，只要是絕緣材料處在極不均勻電場中出現的局部發熱，往往都是損耗致熱結果，典型實例：穿牆套管法蘭附近電場較強，因此法蘭周圍的瓷瓶就容易發熱；線路絕緣子串兩端所處的電場較強，因此發熱絕緣子往往也都出現在絕緣子串的兩端。

渦流損耗致熱型

對導體而言，交變的磁場總是能在導體內部產生無數的「同心」環流，這些環流在導體上產生的損耗就是渦流損耗。渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導體的運動、導體的幾何形狀、導體的磁導率和電導率等因素有關。

矽鋼片既是良好的導磁材料，同時又是導體，因此，變壓器鐵芯的損耗成分中就包含有渦流損耗，渦流損耗消耗的是電能，表現形式仍為發熱。生產實踐中，變壓器鐵芯採用減小矽鋼片的單個體積、保證矽鋼片的片間絕緣都是為了減小變壓器鐵芯的渦流損耗。另外，全連式分相封閉母線的外殼，採用把三相外殼連接在一起的目的，就是讓三相磁場在封閉外殼中相互抵消，減少外殼渦流損耗的產生。

磁滯損耗致熱型

磁滯現象是指鐵磁材料的磁性狀態變化時，磁化強度滯後於磁場強度，它的磁通密度B與磁場強度H之間呈現磁滯回線關係，經過一次循環，每單位體積鐵心中的磁滯損耗等於磁滯回線的面積，這部分能量轉化為熱能，使設備升溫。磁滯損耗就是鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現象引起的能量損耗。

磁滯損耗致熱只存在於鐵磁性物質中，一般情況下，鐵磁性物質同時又是導電體，所以，鐵磁性物質存在磁滯損耗同時往往還伴隨有渦流損耗，單純的磁滯損耗並不存在，但以磁滯損耗為主的致熱現象生產中也並不少見，如變壓器上下大蓋的緊固螺栓，有時就會因為變壓器漏磁而引起發熱，其主要原因就是磁滯損耗致熱。

複合損耗致熱型

1 絕緣介質複合損耗致熱型

生產實踐中，絕緣材料的發熱往往都是各種損耗共同致熱的結果，在不同的發展過程中某種損耗所佔的主導位置隨時間而改變，所以此類致熱稱為複合損耗致熱，其損耗產生形式可表示為：極化損耗+電導損耗+電離損耗。

如絕緣子汙閃致熱：絕緣良好初期，致熱損耗主要是極化損耗；存在絕緣汙穢、電導發展初期，致熱損耗是極化損耗和電導損耗，但電導損耗較大；汙閃開始形成期，致熱損耗是極化損耗、電導損耗和電離損耗，但電離損耗較大，三種損耗共同作用造成絕緣表面嚴重發熱。

2 磁導體複合損耗致熱型

磁導體的發熱，其發熱損耗形式可表示為：磁滯損耗+渦流損耗。對於強磁性材料的發熱，如矽鋼片，致熱損耗主要以磁滯損耗為主；對於弱磁性材料的發熱，如鑄鐵，致熱損耗主要以渦流損耗為主。

生產中，大型變壓器油箱內壁採用磁屏蔽結構，就是為了減少變壓器油箱的漏磁發熱。由於變壓器油箱為整體鑄鐵金屬結構，所以當變壓器磁屏蔽破壞後，油箱的渦流損耗和磁滯損耗共同造成變壓器油箱局部發熱，但渦流損耗為主要致熱因素。

結論

通過上述對設備發熱機理的探析與研究，利用能量損耗的原理可對生產中設備發熱原因總結出以下幾點判斷原則：

（1）對於金屬連接部位的發熱，如開關、刀閘和繞組類的接頭部位，均可用電導損耗致熱原理進行分析。

（2））對於絕緣材料老化類的發熱，由於其絕緣性能、電氣性能和物理性能均發生劣化，因此可以用極化損耗致熱原理進行分析。

（3）對於鋼構、矽鋼片等磁性材料的發熱，可以用磁導體複合損耗致熱原理進行分析，如變壓器鐵芯的發熱。

（4）對於純金屬屏蔽外殼類發熱，可以用渦流損耗致熱原理進行分析，如變壓器金屬外殼的漏磁發熱。

（5）對於由強電場引起的絕緣材料發熱，可以用電離損耗致熱原理進行分析，如多股導線散股後的發熱現象，就是由於導線變細、電場畸變後造成導線周圍電暈放電、引起電離損耗增加的緣故。

（6）對於由多種損耗引起的絕緣複合致熱，應結合發熱具體情況進行分析：高電壓下以電離損耗致熱為主，低電壓下以電導損耗致熱為主；絕緣乾燥情況下，電離損耗致熱為主，絕緣潮汙下，電導損耗致熱為主。

本文編自《電氣技術》，標題為「基於功率損耗原理分析的電氣設備發熱研究」，作者為陳鄧偉、王長義。