不同接觸電阻在負(fù)荷電流增大情況下發(fā)熱的預(yù)測(cè)方法

呂啟深

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001)

目前，電力設(shè)備接頭發(fā)熱缺陷在負(fù)荷低時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，雖然對(duì)小負(fù)荷發(fā)熱缺陷檢測(cè)有幾種不同的解決方案［1-4］，但檢測(cè)方法可執(zhí)行性較差，多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員仍以絕對(duì)溫度作為缺陷唯一判據(jù)［5］，造成了漏檢，不利安全運(yùn)行。因此，本文根據(jù)模擬試驗(yàn)研究了在不同接觸電阻下逐步增大負(fù)荷電流時(shí)，載流導(dǎo)體的發(fā)熱規(guī)律，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出適用于10 kV母排的發(fā)熱趨勢(shì)預(yù)測(cè)公式，提出了一種結(jié)合擬合公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法和相對(duì)溫差法的預(yù)判方法，以期能夠在夏季負(fù)荷高峰季節(jié)設(shè)備嚴(yán)重發(fā)熱前預(yù)測(cè)設(shè)備的發(fā)熱缺陷。

1 模擬試驗(yàn)材料與方法

1.1 模擬試驗(yàn)條件

模擬試驗(yàn)地點(diǎn)選擇清潔寬敞的室內(nèi)，試品周圍3 m內(nèi)無墻壁、熱源、雜物以及外來輻射熱、氣流等的影響。室內(nèi)有自然通風(fēng)，無顯著的空氣回流和熱源加熱。且有間歇時(shí)強(qiáng)風(fēng)冷卻，保持室溫在試驗(yàn)中無顯著升高。

1.2 模擬試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)接線

試驗(yàn)接線如圖1所示。

圖1 模擬試驗(yàn)接線圖Fig.1 Simulation test wiring diagram

在圖1中，K為三相斷路器，最大開斷電流100 A;T為調(diào)壓器，額定容量30 kVA，額定輸出電流40 A;B為升流器，額定容量50 kVA，最大輸出電流 10 000 A;R1、R2、R3分別為試品1、試品2 和試品3，由4塊10 kV導(dǎo)流母排的3處接頭(鋁材質(zhì))組成，規(guī)格100 mm×10 mm，額定載流量1000 A，3個(gè)試品照片如圖2所示。

圖2 3個(gè)試品照片F(xiàn)ig.2 3 Sample photos

2 模擬試驗(yàn)過程

2.1 模擬試驗(yàn)回路接線

將2片母排彎成U型，連接成S型，使接頭按設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)三相結(jié)構(gòu)布置。另外2片母排分別接升流器和地線。每個(gè)接頭空氣距離300 mm，導(dǎo)體距離3300 mm以上。然后，在試品300 mm左右懸空放置母排1塊，作為環(huán)境參照體。用臺(tái)鉗將試驗(yàn)回路固定住，使其在解開回路測(cè)試電阻時(shí)接頭狀況穩(wěn)定。

2.2 調(diào)試接頭接觸電阻

將試品2接頭螺絲緊固并涂抹導(dǎo)電膏，使其接觸良好，用微歐計(jì)測(cè)量其接觸電阻。將試品3接頭螺絲緊固，但不涂抹導(dǎo)電膏，測(cè)量其接觸電阻。將試品1接頭螺絲安裝后，再測(cè)量其接觸電阻，然后調(diào)整使其接觸電阻達(dá)到試品2的3倍以上，并且穩(wěn)定。

2.3 模擬試驗(yàn)升流

分別將電流升至100 A、500 A、1000 A、1500 A、1750 A、2000 A等不同電流等級(jí)，每次升流后隔10 min用紅外熱像儀測(cè)量1次試品接頭溫度和環(huán)境參照體溫度。紅外熱像儀發(fā)射率設(shè)定為0.7，距離設(shè)定為2 m，環(huán)境溫度為20℃，拍攝角度為-20°仰角。待溫度穩(wěn)定后(連續(xù)3次測(cè)試溫度變化不超過2%)，斷開試驗(yàn)回路，并測(cè)試接觸電阻、檢查接頭外觀變化。待冷卻后進(jìn)行下個(gè)電流等級(jí)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及各類預(yù)判方法分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

不同試品最高溫度隨電流變化情況(最終熱平衡數(shù)據(jù))如表1所示，不同試品溫升隨電流變化情況(最終熱平衡數(shù)據(jù))如表2所示，試品電阻變化情況如表3所示。

表1 不同試品隨電流變化的最高溫度數(shù)據(jù)Tab.1 Highest temperature data with the current changes of different specimens ℃

表2 不同試品隨電流變化的溫升數(shù)據(jù)Tab．2 Temperature rise data with the current changes of different specimens ℃

表3 不同試品接觸電阻隨電流變化的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.3 Measurement data of different specimens of contact resistance with the current changes μΩ

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)電氣設(shè)備未投運(yùn)時(shí)，其溫度與周圍同類介質(zhì)溫度相同。當(dāng)電氣設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)，就會(huì)有電流通過而產(chǎn)生電流致熱效應(yīng)引起發(fā)熱，使設(shè)備溫度升高，并與周圍介質(zhì)產(chǎn)生溫差。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)流載體電阻損耗產(chǎn)生的熱量通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等傳熱形式傳入空氣或周圍介質(zhì)中，使載流導(dǎo)體與空氣處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)連接不良狀態(tài)時(shí)，其接頭處電流相對(duì)的額定電流必然減小。本試驗(yàn)中采用的接頭因無法滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的條件，不能達(dá)到嚴(yán)重氧化的程度，故提高電流，使其過載，以達(dá)到模仿接頭劣化的目的。不同情況下載流導(dǎo)體的溫度變化如圖3所示。

圖3 不同情況下載流導(dǎo)體的溫度變化示意圖Fig.3 Temperature changes schematic diagram of carrying current conductor under different condition

在圖3中，設(shè)以前設(shè)備處于正常穩(wěn)定工作狀態(tài)為t3時(shí)刻，其溫度為過載前的設(shè)備穩(wěn)定工作溫度θc。過載后(可視為接頭發(fā)生性能劣化，如接觸面嚴(yán)重氧化、金屬發(fā)生融化等)，接頭溫度急劇升高，至t4時(shí)刻導(dǎo)體溫度達(dá)到θd時(shí)，溫差變大幾倍，散熱速度大幅增加，接頭的溫度由接頭劣化程度決定，不再因小幅增加負(fù)荷而大幅增加。由于模擬試驗(yàn)中接頭并未真實(shí)氧化、融化，在模擬試驗(yàn)中溫度隨負(fù)荷的變化率也逐步趨緩，但隨著長(zhǎng)期運(yùn)行，接頭性能真實(shí)逐步劣化應(yīng)該還會(huì)再次大幅提高。由于模擬試驗(yàn)中無法成年累月的長(zhǎng)期通流，在此處與現(xiàn)場(chǎng)狀況有一定差異。而且由于環(huán)境穩(wěn)定，環(huán)境參照體溫度波動(dòng)非常小，絕對(duì)溫度與溫升的曲線變化近似一致。

由表2可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為20℃左右時(shí)，不良接頭溫度值在50℃到200℃之間有一個(gè)急劇上升的過程。溫度低于50℃時(shí)，由于接頭發(fā)熱功率較小，散熱良好狀態(tài)下負(fù)荷、接觸狀態(tài)等對(duì)溫度影響有限。當(dāng)負(fù)荷或接觸狀態(tài)的影響慢慢積累導(dǎo)致溫度升高到50℃甚至更高溫度后，大負(fù)荷電流造成的電磁應(yīng)力及接觸電阻隨溫度升高而產(chǎn)生的變化，導(dǎo)致某些結(jié)點(diǎn)電阻急劇升高，同時(shí)發(fā)熱功率隨電流升高成二次函數(shù)增長(zhǎng)。由于這些原因，小幅的負(fù)荷和接觸狀態(tài)變化會(huì)對(duì)溫度造成較大的影響。

試品1與試品3的接觸電阻相差不足1倍，但由表1可以看出，負(fù)荷電流不足500 A時(shí)試品1的溫度就明顯偏高，溫升達(dá)到10℃以上。在負(fù)荷電流小于1500 A時(shí)，試品3的溫度升高速度明顯比試品1慢，這說明小負(fù)荷下接觸不良類發(fā)熱是有可能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的，整個(gè)接頭的接觸電阻不是最熱點(diǎn)的主要影響因子，而接觸面的點(diǎn)接觸才是造成發(fā)熱的關(guān)鍵點(diǎn)。試品1、試品2、試品3分別在1460 A、1850 A、1600 A達(dá)到了長(zhǎng)期運(yùn)行最高允許溫度90℃。

3.3 發(fā)熱趨勢(shì)預(yù)測(cè)公式擬合

設(shè)電流為I，試品1、試品2、試品3的溫度分別為 T1、T2、T3，試品 1、試品 2、試品 3 的溫升分別為T1-r、T2-r、T3-r，曲線的函數(shù)擬合結(jié)果:

T1和I的關(guān)系(接觸狀況很差的溫度曲線)為

T2和I的關(guān)系(接觸良好的溫度曲線)為

T3和I的關(guān)系(接觸狀況較差的溫度曲線)為

I和(T1-r)的關(guān)系(接觸狀況很差的溫升曲線)為

I和T2-r的關(guān)系(接觸良好的溫升曲線)為

I和T3-r的關(guān)系(接觸狀況較差的溫升曲線)為

3.4 各類經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證與分析

目前，對(duì)于裸露外部接頭故障的負(fù)荷修正并未在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中做具體規(guī)定，在給定的環(huán)境條件下［7］，可按式(1)修正或標(biāo)準(zhǔn)化:

式中:Δθ1為實(shí)際負(fù)荷電流I1時(shí)實(shí)際檢測(cè)的接頭相對(duì)導(dǎo)線溫升值;Δθn為折算成目標(biāo)電流In時(shí)的接頭相對(duì)導(dǎo)線溫升。

由本次模擬試驗(yàn)可以看出，不考慮100 A(小電流時(shí)干擾誤差較大)接頭接觸狀態(tài)非常良好且涂抹導(dǎo)電膏的情況下，即試品2的情況，發(fā)熱情況較符合該修正公式。而試品3僅在負(fù)荷較小(1500 A之前)時(shí)接近該修正公式的修正值。對(duì)于接觸狀況不良的試品1則該修正公式誤差較大。

通過式(1)的計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比如表4所示。

表4 不同電流下的各試品溫升實(shí)測(cè)值與計(jì)算值Tab.4 Measured value and calculated value of different sample temperature rise under different current℃

鑒于接頭嚴(yán)重劣化情況下式(1)的有效性喪失，建議根據(jù)模擬試驗(yàn)的曲線或擬合函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將測(cè)試結(jié)果與其對(duì)比，預(yù)測(cè)高負(fù)荷情況下的溫升情況。同時(shí)根據(jù)式(1)進(jìn)行修正，綜合修正結(jié)果與曲線函數(shù)對(duì)比情況，判斷缺陷情況。銅排發(fā)熱與鋁排發(fā)熱情況不同，是因?yàn)殂~排的比熱容、電阻、質(zhì)量、熱傳導(dǎo)系數(shù)與鋁排的差異，但式(1)中對(duì)這些因素可以忽略。

根據(jù)有關(guān)資料［7］，在某個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，電流致熱型設(shè)備的溫升與其傳導(dǎo)電流的有效值I的k次方成比例，k值可通過試驗(yàn)求出。試驗(yàn)證明，當(dāng)電流變化時(shí)，k值也是變化的，當(dāng)電流變化不大時(shí)，k值是接近的。這樣對(duì)同一出線回路的兩個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)來說，可寫出下列近似公式:

式中:τ1為發(fā)熱設(shè)備測(cè)點(diǎn)的溫升;τ2為正常設(shè)備對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫升;B1和B2分別為兩測(cè)點(diǎn)與散熱條件有關(guān)的系數(shù);R1和R2為兩測(cè)點(diǎn)的電阻值;I1和I2為兩測(cè)點(diǎn)的電流有效值。

相對(duì)溫差法在很大程度上只反映電阻情況，排除了負(fù)荷電流、風(fēng)速、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、測(cè)量距離、發(fā)射率選擇等因素的影響，相對(duì)溫差為

式中:δt為相對(duì)溫差;τ1為發(fā)熱設(shè)備測(cè)點(diǎn)的溫升;τ2為正常設(shè)備對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫升。

將式(2)和式(3)中的τ1和τ2代入相對(duì)溫差公式，得

同類設(shè)備在相同環(huán)境下的散熱條件是相似的，故B1≈B2，電力系統(tǒng)的三相電流是基本對(duì)稱的，故I1≈I2，因此式(5)可簡(jiǎn)化成為

由此可知，設(shè)備兩測(cè)點(diǎn)的相對(duì)溫差，可近似地看作兩測(cè)點(diǎn)電阻的相對(duì)偏差，也就是兩對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)溫差與其電阻的相對(duì)偏差有較好的相關(guān)性［8］。

由以上可知，測(cè)出了發(fā)熱點(diǎn)的相對(duì)溫差值就等于測(cè)出了接觸電阻的近似值。

在本項(xiàng)目模擬試驗(yàn)中，在發(fā)熱體形狀不很規(guī)則，過熱時(shí)發(fā)熱不均勻的情況下，相對(duì)溫差和電阻相對(duì)比值之間的偏差較大。這與式(6)的理論推導(dǎo)結(jié)論有較大出入。相對(duì)溫差和相對(duì)電阻比數(shù)據(jù)如表5所示。在溫升較小的情況下，相對(duì)溫差不具備參考意義。當(dāng)溫升較高或相間溫差達(dá)到10℃以上時(shí)，相對(duì)溫差法可以在較小的負(fù)荷電流下判斷出缺陷。表6是理論上三種判斷方法所能發(fā)現(xiàn)缺陷的最小負(fù)荷電流值。

表5 相對(duì)溫差和相對(duì)電阻比數(shù)據(jù)Tab．5 Relative temperature difference and relative resistance ratio data %

表6 3種方法發(fā)現(xiàn)缺陷的理論最小負(fù)荷Table 6 3 ways to find the theoretical minimum load defects A

相對(duì)溫差和電阻相對(duì)比值之間的偏差較大，原因是過熱不均勻時(shí)散熱狀態(tài)有較大變化，兩種狀態(tài)的散熱系數(shù)B會(huì)出現(xiàn)細(xì)微差異，簡(jiǎn)化后會(huì)產(chǎn)生誤差。但相對(duì)溫差曲線與電阻值曲線相似程度依然較高，這說明用相對(duì)溫差來計(jì)算不均勻發(fā)熱導(dǎo)流體的電阻值會(huì)有一定偏差，但依此為據(jù)定性判斷小負(fù)荷情況下電阻的基本情況還是有效的。

由此可以看出，負(fù)荷電流較小，而溫升滿足一定條件時(shí)(DL664中規(guī)定為大于10℃，本試驗(yàn)?zāi)壳暗尿?yàn)證結(jié)論是溫差大于10℃均可適用)，應(yīng)優(yōu)先采用相對(duì)溫差判斷法，該方法可以在負(fù)荷較低的情況下發(fā)現(xiàn)相對(duì)嚴(yán)重的接觸不良缺陷。當(dāng)出現(xiàn)三相同時(shí)發(fā)生接頭電流致熱型缺陷時(shí)，相對(duì)溫差就無法得到真正結(jié)果，此時(shí)應(yīng)采用最高允許運(yùn)行溫度和溫升法來進(jìn)行判斷。

4 結(jié)論

1)本次試驗(yàn)對(duì)不同接觸狀態(tài)的鋁排接頭發(fā)熱進(jìn)行了模擬升流，研究了不同接觸電阻下逐步增大負(fù)荷電流時(shí)，載流導(dǎo)體的發(fā)熱規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出適用于10 kV母排的發(fā)熱趨勢(shì)預(yù)測(cè)公式，同時(shí)驗(yàn)證了一些經(jīng)驗(yàn)公式的有效性。

2)10 kV母排接頭發(fā)熱的狀況可以直接用式(1)計(jì)算并結(jié)合模擬試驗(yàn)的擬合公式或函數(shù)曲線推算結(jié)果，預(yù)測(cè)目標(biāo)負(fù)荷電流下的溫升情況。當(dāng)接觸狀況極差時(shí)，需要根據(jù)采用相對(duì)溫差判別法或擬合公式法判斷。

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