新型節(jié)能銅包鋁管母線的溫升分析與實(shí)驗(yàn)

陳 彪 羅東豪 王嗣翔 連廣坤 郝 煒

（1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2. 廣東日昭電工有限公司，廣州 516000；3. 上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海 200241）

母線是電力系統(tǒng)中極為重要的組成部件，輸變配電的樞紐，其工作的可靠性將直接影響到電力系統(tǒng)的安全可靠性[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外在變電所高壓配電裝置、發(fā)電機(jī)出口以及變壓器進(jìn)出線上大都采用常規(guī)銅排母線。當(dāng)銅排母線流過(guò)交流電時(shí)，因集膚效應(yīng)使導(dǎo)體的電阻增加、損耗上升。此外，常規(guī)銅排母線選型過(guò)程中，需考慮集膚效應(yīng)的影響，為保證其有效載流面積，需加大母線規(guī)格，造成銅材浪費(fèi)嚴(yán)重，提高了輸電母線的成本投入，這不符合節(jié)能減排的政策要求[4]。隨著我國(guó)電力領(lǐng)域的新發(fā)展和國(guó)家智能電網(wǎng)的建設(shè)需求，電力行業(yè)對(duì)電網(wǎng)節(jié)能降耗的需求極為迫切，節(jié)能、節(jié)材、本質(zhì)安全成為母線產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)[5-8]。

常用的母線導(dǎo)體材料有銅和鋁及其合金，在制作導(dǎo)體時(shí)各有特點(diǎn)：鋁比銅有較好的延展性和韌性，但是鋁表面易氧化；銅的電阻率較低，導(dǎo)電性較好，表面抗氧化性能強(qiáng)，而且氧化后仍具有導(dǎo)電性，不影響供電安全。經(jīng)分析，若外層用銅、內(nèi)芯用鋁制成銅包鋁管母線，則既保持了銅母線表面抗氧化能力強(qiáng)的特點(diǎn)，又充分利用了鋁重量輕、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，且由于集膚效應(yīng)的作用，其導(dǎo)電性能比鋁高得多，又比銅略低，所以是替代銅母線的最佳復(fù)合導(dǎo)電材料[9]。

銅包鋁復(fù)合材料是利用復(fù)合技術(shù)使銅層和鋁層在界面上實(shí)現(xiàn)緊密機(jī)械結(jié)合的一種新型導(dǎo)電材料，不僅具有銅的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率高、接觸電阻低等優(yōu)點(diǎn)，還具有鋁的密度低、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)的銅包鋁復(fù)合材料主要包括銅包鋁復(fù)合線材、銅包鋁扁排、銅鋁復(fù)合板等[10]，可代替純銅用于高頻電力傳輸、電磁屏蔽、電力系統(tǒng)輸變電等場(chǎng)合[11-12]。

銅包鋁管母線是不同于常規(guī)銅包鋁復(fù)合材料的新型輸電母線，與常規(guī)銅包鋁復(fù)合材料一樣都是利用銅和鋁導(dǎo)體作為基準(zhǔn)導(dǎo)電材料，通過(guò)特定的加工工藝實(shí)現(xiàn)銅鋁接觸面的緊密結(jié)合，是銅和鋁都具有一定厚度的管型母線。作為一種新型的輸電母線，銅包鋁管母線可以成為常規(guī)母線的升級(jí)替代品[13-14]。

1 銅包鋁管母線溫升計(jì)算

在銅包鋁管母線的傳熱過(guò)程涉及3種常規(guī)的方式，即傳導(dǎo)、對(duì)流以及輻射[15-16]。傳導(dǎo)是熱量銅和鋁傳遞給絕緣層。絕緣層外的空氣對(duì)流和向環(huán)境的輻射。

1.1 銅包鋁管母線的溫度場(chǎng)分析計(jì)算

選取單位長(zhǎng)度的銅包鋁管母線作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。銅管和鋁管作為發(fā)熱熱源，把熱量傳遞給管內(nèi)空氣和主絕緣層。由于母線長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于半徑，因此可以認(rèn)為管內(nèi)空氣基本不流動(dòng)，且與鋁管溫度近似相等，不需要考慮母線對(duì)管內(nèi)空氣的導(dǎo)熱。

圖1 銅包鋁管母線的熱量傳遞示意圖

就母線導(dǎo)體而言，銅和鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高，導(dǎo)熱性能好且導(dǎo)熱距離較短，可近似認(rèn)為銅和鋁的溫度基本相等，即母線的損耗全部以導(dǎo)熱的形式傳遞給絕緣層內(nèi)壁。一般地，10kV電壓等級(jí)的銅包鋁管母線主絕緣層厚度為6mm，屏蔽層厚度為4mm，在此把主絕緣層和屏蔽層整體作為絕緣層考慮。絕緣層通過(guò)絕緣層外壁以對(duì)流和輻射方式將熱量傳遞到外部空氣中。圖 2為銅包鋁管母線的熱量傳遞示意圖[17-19]。

其中，PM為銅包鋁管發(fā)熱功率，QMD為熱源通過(guò)導(dǎo)熱向絕緣層傳遞的熱量，QKD為絕緣層通過(guò)對(duì)流換熱向外界空氣傳遞的熱量。QF為絕緣層通過(guò)輻射向外界空氣傳遞的熱量。θ0為環(huán)境溫度，θ1為絕緣層內(nèi)壁溫度，θ2為絕緣層外壁溫度，θM為母線導(dǎo)體溫度，θ1=θM，當(dāng)母線溫度穩(wěn)定時(shí)有

工程上對(duì)母線溫升的計(jì)算一般采用假設(shè)法，即先設(shè)定母線的溫升，然后計(jì)算在此溫升下母線絕緣層散發(fā)的熱量是否等于導(dǎo)體發(fā)熱量，若前者較小，則提高溫升，反之則降低溫升，直到兩者的差值在可接受范圍內(nèi)為止，此時(shí)的溫升就可以認(rèn)為是母線正常工作時(shí)的溫升。下面就利用此方法計(jì)算銅包鋁管母線在某一溫升下絕緣外壁對(duì)流輻射換熱量是否等于母線導(dǎo)體的功率損耗大小。

選取額定電壓10kV額定電流4000A的銅包鋁管母線作為分析對(duì)象，母線尺寸為銅管φ150×1.5mm，鋁管φ147×10mm，母線的總絕緣層厚度為10mm，三相母線間距為 0.15m。設(shè)定環(huán)境溫度為30℃。

1）求解PM

銅管和鋁管的交流電阻RCu、RAl分別為2.5072×10?5Ω/m 和 7.03822×10?6Ω/m，當(dāng)通過(guò) 4000A 的電流時(shí)，銅和鋁的功率PCu、PAl分別為19.28W、68.64W，因此銅包鋁管的總發(fā)熱功率PM為87.92W。

2）迭代法求解QKD和QF

假設(shè)θ2為60℃，溫升為30℃，取熱邊界層的平均溫度θP為定性溫度，則

據(jù)此查得干空氣的各熱物性參數(shù)分別如下：

由傳熱學(xué)經(jīng)典公式可以計(jì)算出空氣對(duì)流的換熱量，即

則有

銅包鋁管的輻射模型為受臨近物體遮擋的大空間輻射換熱，計(jì)算公式如下：

式中，QF為物體向大空間輻射換熱量（W）；ε 為物體輻射表面的黑度；C0為黑體輻射系數(shù)；A1為輻射表面的面積（m2）；T1、T2為輻射物體和環(huán)境的絕對(duì)溫度（K）；φ 為幾何結(jié)構(gòu)角系數(shù)，根據(jù)查表和計(jì)算可得

由式（9）計(jì)算可得

假設(shè)溫升偏高，則需降低該參數(shù)再次計(jì)算。假設(shè)θ2為56℃，溫升為26℃，查干空氣的熱物性參數(shù)可得

重復(fù)計(jì)算式（5）至式（7），得到

則有熱平衡誤差為

熱平衡誤差小于4%在可接受范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)為θ2為56℃。

由圓筒極坐標(biāo)的傅里葉導(dǎo)熱公式可計(jì)算出母線溫度θ1：

式中，絕緣材料的熱導(dǎo)率λ=0.5W/(m·)℃，r1=0.075m，r2=0.085m，因此可以得出θ1=59.5℃，母線導(dǎo)體的溫升則為29.5℃。

1.2 銅包鋁管母線的溫度場(chǎng)有限元仿真

圖2為三相母線并排布置時(shí)，通過(guò)4000A電流后的二維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射3種傳熱方式共同作用使銅管和鋁管發(fā)熱量與向周圍環(huán)境散失的熱量達(dá)到平衡時(shí)，母線整體溫度維持在一個(gè)恒定值。此時(shí)，母線最外側(cè)絕緣層溫度最低，最內(nèi)側(cè)鋁管溫度最高，二者相差3～4℃，說(shuō)明溫升沿管徑方向分布較均勻，不會(huì)出現(xiàn)較大的溫度梯度，各層之間因溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力也較小，因此材料結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。通過(guò)仿真結(jié)果可以得出，穩(wěn)態(tài)后絕緣層內(nèi)壁溫度θ1=59.8℃，外壁溫θ2=57.4℃，此時(shí)母線導(dǎo)體的溫升為29.8℃。另外，將仿真結(jié)果與分析計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者基本吻合，說(shuō)明此計(jì)算方法可行。

圖2 三相母線穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

2 銅包鋁管母線和常規(guī)母線的溫升實(shí)驗(yàn)

本文主要對(duì)銅包鋁管母線和常規(guī)銅排母線進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在加載相同工頻電流的情況下，測(cè)試兩種母線的損耗和溫升，從而計(jì)算出銅包鋁管母線的節(jié)能率和溫升降低率。實(shí)驗(yàn)對(duì)象尺寸及加載大小見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象尺寸及加載大小

實(shí)驗(yàn)對(duì)象示意圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 常規(guī)母線尺寸

圖4 絕緣銅管母線尺寸

測(cè)試接線示意圖如圖5所示。

圖5 測(cè)試接線示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下。

常規(guī)母線與絕緣銅包鋁管母線實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表 2。常規(guī)母線與絕緣銅包鋁管母線的溫升對(duì)比見(jiàn)表3。

本文又針對(duì)額定電流2000A和8000A的銅包鋁管母線與常規(guī)母線的溫升情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，同時(shí)對(duì)額定電流2000A的銅包鋁管與銅排的銅材消耗情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5。

表2 常規(guī)母線與絕緣銅包鋁管母線實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3 常規(guī)母線與絕緣銅包鋁管母線的溫升對(duì)比

表4 常規(guī)母線與銅包鋁管母線的溫升對(duì)比

表5 常規(guī)母線與銅包鋁管母線的銅材消耗對(duì)比

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）節(jié)能率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，4000A額定電流的銅包鋁管母線比常規(guī)母線節(jié)能64.2%。

2）溫升降低率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 4000A額定電流的絕緣銅包鋁管母線溫升在標(biāo)準(zhǔn)允許溫升限定值之內(nèi)，而且比常規(guī)母線溫升降低 57.6%。同時(shí)，銅包鋁管母線的溫升隨著電流增加而小幅上升，在相同溫升的情況下，銅包鋁管母線也能夠承載更大的電流。

3）節(jié)銅率。由表5可知，銅包鋁管母線因利用復(fù)合技術(shù)使銅層和鋁層在界面上實(shí)現(xiàn)緊密機(jī)械結(jié)合，因此其重量減小，節(jié)銅率可達(dá)69.2%。

3 結(jié)論

從銅包鋁管母線的溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，銅包鋁管母線具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）節(jié)能效果顯著

銅包鋁管母線的復(fù)合材料管型設(shè)計(jì)充分考慮了交流電在導(dǎo)體中產(chǎn)生的集膚效應(yīng)，電流呈環(huán)形分布在母線截面上，增大了有效載流截面積，降低了母線交流電阻，使交流損耗也隨之減小。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)算，載流量為 4000A的常規(guī)銅排母線的電能損耗為0.857kW·h/m，而相同載流量的銅包鋁管母線的電能損耗為 0.307kW·h/m。由此推算，銅包鋁母線的年節(jié)能率為銅排母線的 64.2%。因此，絕緣銅包鋁管母線比銅排母線更節(jié)能。

2）明顯節(jié)省銅材

相同額定電流下，銅包鋁管利用集膚效應(yīng)形成管內(nèi)中空結(jié)構(gòu)的母線所耗銅材比銅排少約 69.2%，降低了母線的生產(chǎn)成本。經(jīng)核算，節(jié)能銅包鋁管母線比普通銅排母線成本至少可下降50%。

3）工作更加安全可靠

一方面，節(jié)能銅包鋁管母線將導(dǎo)體溫升由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的50℃降低至30℃，相比常規(guī)銅排母線，導(dǎo)體發(fā)熱量降低 57.6%，避免因母線的高溫運(yùn)行導(dǎo)致絕緣材料碳化和線路短路而引起火災(zāi)事故；另一方面，35kV及以下節(jié)能銅包鋁管母線的工頻耐壓時(shí)間為5min，66kV及以上的為30min，節(jié)能銅包鋁管母線的絕緣水平高于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，大幅度提高了絕緣管母線的絕緣水平。

綜上所述，節(jié)能銅包鋁管母線在節(jié)能、節(jié)材、安全等方面具有較大的綜合優(yōu)勢(shì)，若在電力系統(tǒng)、石油化工、煤化工和新能源等領(lǐng)域中廣泛推廣，則將有帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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