通信机楼供配电系统中涡流问题案例分析与解决方法

蔡一鸿，刘圣庆，姚玉蕴

（中国联合网络通信有限公司广东省分公司，广东 广州 510600）

0 引 言

随着通信机房单机柜负荷越来越大，相应的供配电设备和线缆的载流量越来越大，由于在设计、安装过程中存在缺陷导致形成电涡流，在运行过程中常常出现发热烧毁现象，严重时造成网络故障。

1 电涡流产生原理

根据电磁感应定律和麦克斯韦电磁场理论得知，在闭合回路当中，磁通量的变化将会产生感应电势，从而产生电涡流。从理论上来说，电涡流的大小与感应电势有关联，感应电势与穿过横截面的磁通量之间是正比例关系。也就是说，闭合电路中，在某一横截面中，如果磁通量发生变化时，就会产生电涡流。但是在实际应用中，不可能存在完全平衡的三相平衡，失衡情况不明显时，产生的电涡流比较小，没有太大的危害。失衡的情况比较明显时，产生的电涡流比较大，使得总的电流矢量之和不为零，在闭合电路中，会导致失衡电流产生磁场，从而产生电涡流。

2 通信机楼供配电系统常见电涡流问题

2.1 通信机楼配电柜涡流发热案例

案例1：某机楼变压器容量为2 500 kVA的低压配电柜，母线框结构如图1所示，母线铜排的通过电流为2 400 A，发现在母线槽紧固螺栓处发热严重，最高达125 ℃，红外成像如图2所示，发现紧固螺栓周围的绝缘介质脆化烧毁。从母线框的烧毁部位可以看出，母线槽为绝缘材质，没有导电回路，烧毁是由于螺栓过热引起的，停电检查发现母线槽紧固螺栓为普通钢质螺栓。由于普通钢质螺栓为导磁性金属材料且形成闭环，当母排通过大电流时，涡流现象就特别严重，从而造成母线框螺栓产生了异常温升。将母线框螺栓更换为非导磁性材料后对螺栓进行红外测温，测得温度已经低于60 ℃，问题得以解决,红外成像如图3所示。该机楼其他几套低压系统配电柜存在类似问题。

图1 母线结构框图

图2 母线整改前

图3 母线整改后

案例2：某机楼低压系统整改，在柜尾增加一个油机转换柜，铜排穿过一块铁板（见图4（a）），通电后此柜异常振动并有“嗡嗡”声音发出。对铁板开槽改造后现象消失（见图4（b））。

图4 铁板改造前、后

2.2 单芯电缆产生涡流问题

案例3：某机楼变压器额定容量2 500 kVA额定电流4 000 A，变压器至断路器段电缆采用三相电源每相由7根240 mm2电缆并连,长约23 m，输入断路器实际运行电流达3 400 A且三相平衡。该变压器和断路器在稳定负荷下运行超过48 h,发现变压器温度高达91 ℃，变压器中性点接地电流达22 A，但变压器高压侧和低压侧接线抽头均连接良好,温度正常。电缆平均温度在84 ℃以上，局部温度高达127 ℃。同相电缆分流不均, 最低相电流仅为150 A，最高相电流达950 A。断路器触头温度最高达118 ℃,断路器外壳温度最高达79 ℃。在变压器连接侧和断路器连接侧电缆敷设间隙较大,而桥架敷设的中间段电缆间隙较为紧凑,如图5所示。重新如图6所示排布后,同相多根电缆电流分配均匀,最大值与最小值相差在20 A以内,电缆运行温度降低,平均为55 ℃,变压器中性点接地电流也降低至3 A。

图5 电缆整改前排布

图6 电缆整改后排布

案例4：某机楼1台1 800 kW发电机组带载时发生主变低压侧接单相地保护动作跳闸，经排查发现电缆与支架支撑位置击穿对地短路，击穿处电缆明显过热碳化。该机组采用每相6根300 mm2单芯电缆连接到低压配电柜，电缆连接机组段使用走线架约15 m，再将电缆敷设在封闭金属线槽内，约50 m接入低压配电柜，电缆铺设方式为A、B、C分相平铺，如图7所示。修复后进行发电机组带载，每相电流为950 A，对电缆进行红外测温检查，发现电缆支架普遍出现高温，并且支架具有很强的磁性，部分电缆温度高出其他电缆，且听到电缆在金属线槽发出“嗖嗖嗖”的异常声音。按照ABC三相品字形对称排列敷设方式整改后，异常声音明显减少，支架和电缆温度不再明显。初步判断是单芯多回路并联电缆敷设方式错误，在封闭桥架中会感生出大的涡流。

图7 分相平铺

案例5：某机楼进行市电扩容割接方案演练，临时敷设2×4根240 mm2单芯电缆将油机接线割接到其他系统，其中一根电缆较长进行了盘圈，油机带载通电时，该根电缆盘圈处产生的电涡流比较大，造成配电柜异常振动、线缆异常发热、输出电压低，机房损坏多台空调。对临时敷设电缆采用放直并相相缠绕方式后现象消失。

3 电涡流发热问题的原因及预防措施

3.1 通信机楼低压成套柜涡流发热问题的原因

在案例1、2中，假如配电柜母排电流为I，距母排a点的金属体磁导率为μ0，金属体面积为S，总阻抗为R，磁感应强度为B，磁通量为φ，感应总电动势为ε感应，则在时间dt内该金属体因涡流损耗热量为 dQ=（ε/R）2Rdt=（ε2/R）dt，其中ε=ε感应=-dφ/dt，φ=BS。根据毕奥-萨法尔定律，距该母排a点处的磁感应强度B=μ0I/（2πa）[1]。

由此可见，案例1中由于电磁感应造成螺栓上形成涡流，母排电流越大，螺栓上感应产生的热量越大，从而导致螺栓异常高温[2]。案例2中铁板开槽使得铁磁金属板不构成回路，磁阻明显增大，使得同样磁场强度产生的磁通量显著下降，涡流随之下降[3]。

3.2 通信机楼低压成套柜涡流现象的预防措施

由于电流流过能导磁的金属板时会引起涡流，涡流导致金属板件异常发热，因此在主母排通过的金属隔板最好采用非导磁的不锈钢隔板，母线室的顶盖板、支撑母线的安装梁均采用不锈钢制作。

实际应用中，当额定电流大于1 400 A以上时，须采用不锈钢或镁铝合金等非导磁材料、加大通电导体和金属板之间的距离以及在能构成回路的侧板或者横梁处增加绝缘垫等措施防止涡流。当额定电流小于600 A时，采用固定板开2 mm宽度以上空气槽的方法防止涡流现象。当三相电流大于600 A时，三相电流穿铁磁金属板应从同一孔中穿过，以呈品字型排列最好。当单相铜排穿过铁磁金属板，可采取金属板开空气槽的方式，或增大铜排穿出金属板的过孔面积。在不影响机械强度的情况下，金属板的厚度尽可能减小[4]。

3.3 电缆涡流现象的分析

案例3、4中电缆的敷设方式为两层相序相同一字型排列，单芯电缆电流分配不均匀也会产生涡流。电缆电流分配不均受电缆阻抗影响，其大小与其阻抗Z（Z=R+jX=R+2fL）成反比[5]。其中：

电阻R由电缆内阻和接触电阻组成，同工艺下相同长度的电缆电阻R值基本相等；

电感L由电缆内感Li和电缆互感Le组成，同一厂家同规格电缆内感一样。同一水平面上同相电缆并联排列时，设S为导体轴间距离，Dc为电缆外径，计算得到。

由此可见，不同的电缆间距使得不同电缆的电抗X=2f（Li+Le）产生差异，在内感互感的作用下使得三相阻抗不相等，导致各回路电流不均衡，产生感应电磁场。电缆间的电流量差别越大，感应电磁场也越强，感应电磁场能在铁磁材料中产生涡流[6]。

3.4 电缆敷设产生涡流的解决办法

3.4.1 优化电缆排列方式

通过优化敷设排列，使得并联布置的电缆间距离基本相等，可避免因电缆间距不相等导致的同相并联电缆的电流不均衡，有效降低电缆线路感应电压。对于单芯并联电缆线路，如图3、图4所示品字形排列3根电缆互相对称，各相之间的距离相等，互感基本相等，各回路电缆之间阻抗的差异小，从而使得同相并联电缆电流分布更均衡[7]。GB50303—2015《建筑电气工程施工质量验收规范》第12.3.2条明确交流单芯电缆或分相后的每相电缆宜品字型（三叶型）敷设，且不得形成闭合铁磁回路。交流单相或三相单芯电缆如果并排敷设或用铁制卡箍固定会形成铁磁回路，造成电缆发热，增加损耗并形成安全隐患。规范第13.1.5条明确交流单芯电缆或分相后的每相电缆不得单根独穿于钢导管内，固定用的夹具和支架不应形成闭合磁路[8]。

3.4.2 要杜绝因电缆敷设造成的三相阻抗严重不平衡现象

国标GB50052《供配电设计规范》、《变压器运行规程》等规范要求变压器低压侧中性线电流应小于额定电流的25%，负荷电流不平衡度应小于10%。如三相负荷严重不对称，中性点电位会发生偏移，线路压降增大，接在重负荷相的单相设备电压偏低，造成用电设备效能降低，甚至无法使用；接在轻负荷相的单相设备电压偏高，会导致用电设备寿命降低。线损率与三相最大不平衡度定量关系如表1所示。

表1 线损率与三相最大不平衡度定量关系

4 结 论

随着通信机楼的电流越来越大，原来隐性的问题逐渐暴露，但整改的难度非常大，因此在设计和建设阶段务必要注意配电柜的选型、设备安装和电缆敷设，避免产生涡流影响设备运行和电缆载流量，甚至发生重大安全事件。