低压大电流母线框紧固螺栓的涡流发热问题
来源：发布时间:2015-08-19 10:15:41
目前，国内流行的各种低电压大电流母线框结构如图1所示，在运行过程中常常出现发热烧毁现象。为此，笔者进行了实验验证，结果是矩形母线电流大于2 500 A 时，这类故障具有必然性。所以，深刻揭示母线框发热机理，并寻求切实有效的措施解决其发热问题，对提高供电的可靠性有着重要的意义。
需要指出的是，烧毁的部位几乎全部是紧固螺栓周围的绝缘介质，而且并不是由屏架的钢构传热至螺栓的。因为实验时，我们将母线框脱离屏架，发现大电流时，发热情况及损坏状况依然如故。因此，现行各类母线大电流引起的钢构发热的分析方法，在此并不适用。从母线框的烧毁部位可以看出，烧毁是由于螺栓过热引起的，而唯一的热源，是大电流母线邻近的强磁场引起的螺栓中的涡流。因此，计算螺栓的涡流发热，是解决问题的关键。
1.1单相矩形母线邻近磁场强度的计算与分析如图2所示，设矩形母排的电流垂直纸面由里向外流出，P 点距母排的垂直距离为d，则得到结论为：
再设坐标原点为母排(即将x轴移至母排中心处)中点，则偏离中点纵坐标为y处的磁场强度为：
结语
①现行的低压大电流母线框由于其几何与物理参数的原因，是很容易造成热毁故障的，这将给供电的可靠性带来严重影响。
②由式(25)可看出：合理选择母线框的几何参数，如母排宽度b，母排至螺栓的距离d，螺栓的长度z，半径a等，可使发热得到有效控制。
③由于螺栓涡流发热量大，故应选择耐热和散热性能好的绝缘材料制作母线框，并进行试验验证。
④选用磁导率与电导率都很低的材料制作螺栓，是改善螺栓及紧固件涡流发热的最有效和最根本的措施，笔者曾在一些工厂采用这一措施，取得了良好的效果，温升指标完全符合要求，保证了供电的可靠性。
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需要指出的是，烧毁的部位几乎全部是紧固螺栓周围的绝缘介质，而且并不是由屏架的钢构传热至螺栓的。因为实验时，我们将母线框脱离屏架，发现大电流时，发热情况及损坏状况依然如故。因此，现行各类母线大电流引起的钢构发热的分析方法，在此并不适用。从母线框的烧毁部位可以看出，烧毁是由于螺栓过热引起的，而唯一的热源，是大电流母线邻近的强磁场引起的螺栓中的涡流。因此，计算螺栓的涡流发热，是解决问题的关键。
1.螺栓内磁场强度H ( )的计算
螺栓内磁场强度H (f)的计算，采用叠加原理。即首先算出各相电流在螺栓处的磁场强度，最后叠加出螺栓处的总磁场强度。1.1单相矩形母线邻近磁场强度的计算与分析如图2所示，设矩形母排的电流垂直纸面由里向外流出，P 点距母排的垂直距离为d，则得到结论为：
再设坐标原点为母排(即将x轴移至母排中心处)中点，则偏离中点纵坐标为y处的磁场强度为：
由式(3)知，Hx 为y的减函数，且y=0时，Hx=0，而当y=b／2时，H 取最小值；Y=一b／2时，Hx 取最大值。即
由式(3)～ 式(9)可画出矩形母线d处长度为b的直线段水平与垂直方向磁场强度分布，如图3和图4所示。
由图3和图4可以看出，距母线d处长度为b的铁磁材料螺栓，其水平方向和垂直方向都会产生涡流，但由于水平方向磁场强度是逐渐变大，中间最小值为0，再加之螺栓水平方向“长度”较小，所以引起的涡流及其发热并不大，可以忽略不计。事实上，发热最严重部位是在螺栓中间，而这时水平方向磁场强度为0，这也充分说明，是垂直方向磁场对螺栓发热起了主导作用。
严格说来，计算涡流发热的磁场强度应该用
由式(3)～ 式(9)可画出矩形母线d处长度为b的直线段水平与垂直方向磁场强度分布，如图3和图4所示。
由图3和图4可以看出，距母线d处长度为b的铁磁材料螺栓，其水平方向和垂直方向都会产生涡流，但由于水平方向磁场强度是逐渐变大，中间最小值为0，再加之螺栓水平方向“长度”较小，所以引起的涡流及其发热并不大，可以忽略不计。事实上，发热最严重部位是在螺栓中间，而这时水平方向磁场强度为0，这也充分说明，是垂直方向磁场对螺栓发热起了主导作用。
严格说来，计算涡流发热的磁场强度应该用
为简单起见，我们用原点的磁场强度
作为计算涡流的依据。
1.2三相电流在螺栓内纵向合成磁场强度计算设螺栓距母线距离为d，则由前述分析，螺栓内任一点的磁场强度
1.2三相电流在螺栓内纵向合成磁场强度计算设螺栓距母线距离为d，则由前述分析，螺栓内任一点的磁场强度
考虑到钢的去磁效应和母线分布对磁场强度的影响，取螺栓内实际的磁场强度为
式中：k为考虑钢的去磁效应和母线分布影响的综合系数，一般取0．65～0．75。
2.螺栓涡流及消耗功率计算
如图5，设螺栓半径为a，长度为z，其纵向磁场强度相应的磁感应强度为B(t)，涡流即为感应电流，其方向是产生磁通阻碍B(t)变化，如图5所示。在螺栓内取一薄壁圆筒，圆心在螺栓中心，
式中：k为考虑钢的去磁效应和母线分布影响的综合系数，一般取0．65～0．75。
2.螺栓涡流及消耗功率计算
如图5，设螺栓半径为a，长度为z，其纵向磁场强度相应的磁感应强度为B(t)，涡流即为感应电流，其方向是产生磁通阻碍B(t)变化，如图5所示。在螺栓内取一薄壁圆筒，圆心在螺栓中心，
半径为r，厚度为dr ，将该薄壁圆筒视为一线圈，则感应电流
结语
①现行的低压大电流母线框由于其几何与物理参数的原因，是很容易造成热毁故障的，这将给供电的可靠性带来严重影响。
②由式(25)可看出：合理选择母线框的几何参数，如母排宽度b，母排至螺栓的距离d，螺栓的长度z，半径a等，可使发热得到有效控制。
③由于螺栓涡流发热量大，故应选择耐热和散热性能好的绝缘材料制作母线框，并进行试验验证。
④选用磁导率与电导率都很低的材料制作螺栓，是改善螺栓及紧固件涡流发热的最有效和最根本的措施，笔者曾在一些工厂采用这一措施，取得了良好的效果，温升指标完全符合要求，保证了供电的可靠性。
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