輸電線路硬質(zhì)管母線發(fā)熱分析

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(國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

硬質(zhì)管母線主要應(yīng)用在電力建設(shè)工程中電網(wǎng)輸電導(dǎo)線與變電站變壓器之間的導(dǎo)體連接、輸電線路中的跳線、電力設(shè)備中的連接導(dǎo)體以及在大電流直融冰裝置中作過流導(dǎo)體。硬質(zhì)管母線的質(zhì)量和性能對輸電線路的可靠運行有至關(guān)重要的作用[1-4]，具有承載電流大、結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活等優(yōu)點。硬質(zhì)管母線正常工作時溫升在10 K左右[5]，溫升帶來的電阻損耗也是電網(wǎng)能量損耗的重要部分。硬質(zhì)管母線溫度除了受自身散熱性能影響之外，還受環(huán)境溫度、風(fēng)速等環(huán)境因素的影響。當(dāng)溫度超過一定范圍后，其機械強度和電學(xué)性能將會受到嚴重影響，導(dǎo)致材料老化、壽命降低[6]。溫度過高一直是影響硬質(zhì)管母線正常服役的重要原因。

下面采用試驗與仿真結(jié)合的方法，通過改變螺栓力矩大小，探究接觸壓力對管母線發(fā)熱的影響；通過改變硬質(zhì)管母線的通流大小，探究電流對其發(fā)熱的影響。根據(jù)對影響因素的分析，提出改善硬質(zhì)管母線發(fā)熱狀況的相應(yīng)措施，并通過建立仿真模型，驗證措施的有效性。

1 硬質(zhì)管母線過熱理論分析

影響硬質(zhì)管母線發(fā)熱的因素有很多，包括管母線結(jié)構(gòu)參數(shù)、連接方式、管母線間接觸電阻等以及管母線熱通量等性能的影響。

1.1 硬質(zhì)管母線結(jié)構(gòu)

工程上常用的硬質(zhì)管母線主體部分是外徑為150 mm、管壁厚為7 mm的鋁制空心長管，連接時將兩管接觸，然后兩端對齊，保證硬質(zhì)管母線兩管呈矩形，將管母線外接頭連接緊固。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬質(zhì)管母線結(jié)構(gòu)

電流在不同導(dǎo)體間流動時，導(dǎo)體接觸面上會產(chǎn)生復(fù)雜的機械、電、熱和化學(xué)現(xiàn)象，即電接觸現(xiàn)象[7-8]。在兩導(dǎo)體表面實際接觸處，接觸電阻由收縮電阻和膜電阻兩部分組成，即[9]：

Rc=RS+Rf

(1)

通過電接觸理論，可以分析在此種連接結(jié)構(gòu)下，可能影響硬質(zhì)管母線發(fā)熱的因素有以下方面：

1)鋁管連接處的接觸面大小及其光滑程度；

2)硬質(zhì)管母線外接頭緊固程度；

3)硬質(zhì)管母線的通流大小。

1.2 對流傳熱

熱對流是熱傳遞的重要形式[10]，硬質(zhì)管母線熱傳遞形式主要是自然對流。

考慮到硬質(zhì)管母線本身的產(chǎn)熱與散熱，其中接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱使溫度上升，同時由于環(huán)境溫度的緣故，也在與空氣對流，公式為

Q流入+Q生成-Q流出=0

(2)

對于產(chǎn)生熱對流的兩種材料而言，流通熱量將按照兩接觸材料導(dǎo)熱系數(shù)進行分配：

(3)

式中：S為接觸面面積；I為通過電流；R為材料電阻；qi是流向材料的熱流密度；λi、λj為材料的導(dǎo)熱率，硬質(zhì)管母線鋁管的導(dǎo)熱率為200 W/(m·K)，螺栓的導(dǎo)熱率為50 W/(m·K)，空氣的導(dǎo)熱率為5 W/(m·K)。

2 大電流試驗

2.1 電流對發(fā)熱的影響

在進行試驗時，由于螺栓壓力測量較為困難，根據(jù)公式(4)可以將螺栓拉力轉(zhuǎn)換為螺栓扭矩。

M=kNd

(4)

式中：M為螺栓扭矩值；N為螺栓預(yù)拉力；d為扭力計長度；k為扭矩系數(shù)參數(shù)。

參照德國工程師協(xié)會標準VDI2230[11]，可知型號M12、性能等級8.8、摩擦系數(shù)1.0的螺栓緊固扭矩為73 N·m(參數(shù)為試驗用螺栓參數(shù))，因此試驗設(shè)計最大扭矩為80 N·m。試驗采用FLIR TiX560紅外成像儀自帶溫度監(jiān)測功能對外接頭緊固狀態(tài)下的管母線進行溫度檢測，其誤差為±0.045 ℃。大電流電源采用1000 kVA低壓大電流發(fā)生器，誤差為±5%。

試驗環(huán)境溫度為7 ℃，電流分別為0 A、200 A、400 A、600 A、800 A和1000 A時的溫度分布如圖2所示。

圖2 外接頭緊固狀態(tài)不同電流下硬質(zhì)管母表面溫度分布

從圖2中可以看出：外接頭緊固并加有大電流狀態(tài)下，硬質(zhì)管母線溫度與環(huán)境溫度相比有所上升，但溫升不超過10 K。這與管母線在正常運行狀態(tài)下的溫升幅度一致，說明只要安裝正確、操作規(guī)范，正常情況下硬質(zhì)管母線不會出現(xiàn)過熱等現(xiàn)象。

2.2 螺栓緊固力對發(fā)熱的影響

硬質(zhì)管母線表面溫度與其管母線外接頭上接觸壓力有關(guān)。通常硬質(zhì)管母線與管母線外接頭的接觸面粗糙不平。當(dāng)接觸壓力較小時，材料產(chǎn)生彈性變形，此時只有很少的實際接觸點。隨著接觸壓力的增大，接觸面會發(fā)生塑性變形，使實際的接觸面積增大，同時增大接觸壓力可以壓碎金屬表面的薄膜,使膜電阻下降。所以增大接觸壓力,可以使接觸電阻減小。但當(dāng)總的塑性變形大到一定程度后，接觸壓力再增加，接觸面積增大程度及接觸電阻減小率明顯減小。

在實驗中，利用力矩扳手改變螺栓緊固力觀察硬質(zhì)管母線的發(fā)熱與溫升變化，其中力矩扳手長度為30 cm，用紅外成像儀拍攝并記錄管母線表面溫度，將實驗電流設(shè)定在800 A，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 800 A不同力矩下硬質(zhì)管母線表面溫度分布

試驗證實了在不同的螺栓緊固力作用下，硬質(zhì)管母線的發(fā)熱情況不同：在力矩扳手設(shè)定為最低扭力時硬質(zhì)管母線出現(xiàn)最高溫度值，此后溫度隨扭力增大而降低，在最大扭力時硬質(zhì)管母線最高溫度降至最低。由圖3可看出，隨著螺栓力矩由50 N·m變化到80 N·m，溫度下降了5 K。

當(dāng)扭矩達到70 N·m后，硬質(zhì)管母外線接頭溫升在10 K以內(nèi)，與其余部位正常工作時的溫升相當(dāng)。此后，隨著扭矩的增加，溫度的變化不再明顯。這是由于接觸壓力已使絕大多數(shù)接觸點產(chǎn)生塑性形變，接觸面積已增大至臨界值，此后接觸壓力的增加已很難產(chǎn)生更多的新接觸點，接觸面積達到穩(wěn)定值。

2.3 不同部位發(fā)熱狀況分析

硬質(zhì)管母線由于內(nèi)部熱交換快速且表面與空氣接觸面積較大，所以其發(fā)熱嚴重的部位與溫度最高部位可能不在同一處：硬質(zhì)管母線之間接觸面以及管母線與外接頭之間接觸面不可避免地有接觸電阻，會發(fā)出大量的熱，一般情況下其溫度較其他部位高；但隨著螺栓緊固得越好，溫度最高的部位會向硬質(zhì)管母線中段移動，如圖4所示。

圖4 800 A、70 N·m時管母線外接頭與硬質(zhì)管母線溫度分布

造成這種現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)螺栓緊固不足時，接觸點處發(fā)熱量增大，此時接觸點處吸收熱量增大、溫度較高，隨著螺栓緊固得越好，接觸點處發(fā)熱量減小，熱量主要由管母線自身電阻產(chǎn)生；而外接頭與空氣接觸面積較大，散熱快，故外接頭的溫度反而較管母線中段低。

3 硬質(zhì)管母發(fā)熱仿真分析

3.1 仿真模型建立

通過仿真分析對大電流試驗進行補充驗證。使用有限元軟件對硬質(zhì)管母線進行仿真建模。建模后需要在軟件中分別定義硬質(zhì)管母線及其外接頭以及螺栓的材料類型。金屬材料的物理性能參數(shù)如比熱容、導(dǎo)熱率、彈性模量、屈服應(yīng)力等一般都隨溫度變化而變化[12]。當(dāng)溫度變化不大時，可采用材料物理性能參數(shù)的平均值進行計算。由于試驗溫升結(jié)果在100 K內(nèi)，此處可以直接添加常系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)[13]。硬質(zhì)管母線及外接頭的材料屬性設(shè)置為：鋁，導(dǎo)熱率200 W/(m·K)，密度2700 kg/m3。

所建立的模型如圖5所示。

圖5 硬質(zhì)管母線仿真模型

硬質(zhì)管母線各部件以及空氣的導(dǎo)熱率設(shè)置與實際情況一致。將硬質(zhì)管母線以接觸面為分界點分為A、B、C、D 4個部分，如圖6所示。

通過比較不同區(qū)域的溫度分布情況，可以快速有效地分析硬質(zhì)管母線的發(fā)熱規(guī)律。

圖6 區(qū)域劃分示意

3.2 硬質(zhì)管母發(fā)熱仿真分析

環(huán)境溫度設(shè)置為30 ℃，改變通流大小以及螺栓力矩，可以得到不同通流情況下最高溫度隨螺栓力矩變化的曲線如圖7所示。由曲線可以清楚地發(fā)現(xiàn)：電流一定時，硬質(zhì)管母線溫度均隨螺栓力矩的增大而降低。螺栓力矩由50 N·m到80 N·m變化的過程中，通流大小分別為800 A、600 A、400 A和200 A時，硬質(zhì)管母線最高溫度分別下降了20.1 K、18.7 K、16 K以及13.5 K。說明隨著電流的減小，螺栓的緊固狀態(tài)對硬質(zhì)管母線的發(fā)熱影響也在降低，這主要是因為電流的減小會對接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱有影響，緊固狀態(tài)對接觸電阻的影響是固定的，因此當(dāng)電流越小時，螺栓緊固狀態(tài)對硬質(zhì)管母線的發(fā)熱影響越小。

圖7 不同電流下管母溫度隨螺栓力矩變化曲線

同時，電流為800 A時，硬質(zhì)管母線溫度隨螺栓力矩的變化趨勢與大電流試驗結(jié)果大體相同，說明仿真模型具有一定的有效性，可以用于分析改善措施對硬質(zhì)管母線發(fā)熱的影響。

3.3 改善措施及其仿真驗證

通過以上的分析，得知發(fā)熱的主要原因是接觸電阻增大和通過電流過大。電流是由線路負荷決定，同一條特高壓直流輸電線路通流大小不容易人為調(diào)節(jié),而接觸電阻大小則可以通過改變接觸面粗糙度控制。通過試驗及仿真發(fā)現(xiàn)，影響接觸電阻的主要因素有：接觸壓力、接觸面平整度、溫度等。一般情況下有兩種途徑可以降低硬質(zhì)管母線的溫升：一是通過減小接觸電阻從而減小發(fā)熱量；二是通過提升硬質(zhì)管母線本身的散熱性能，從而減緩溫度上升的趨勢。

減小接觸電阻，即減小接觸面的粗糙度，可以通過對接觸面進行打磨以及在接觸面表面涂抹電力脂等方法進行接觸面粗糙度的改變。在仿真中就是將模型接觸面的粗糙平均高度由0.8 μm調(diào)整為0.5 μm，將表面粗糙平均斜率由0.4調(diào)整為0.2，而其他參數(shù)均不變。當(dāng)電流800 A、螺栓力矩50 N·m時，可得硬質(zhì)管母線溫度分布如圖8所示。將之與圖9所示的改變粗糙度前同等條件下的溫度分布圖進行比較，可以看出：降低粗糙度后，在接觸壓力較小的情況下，溫升由32.3 K降低到22.9 K，下降了9.4 K，改善效果明顯。

圖8 降低粗糙度后硬質(zhì)管母線溫度分布

圖9 降低粗糙度前硬質(zhì)管母線線溫度分布

改變硬質(zhì)管母線材料的導(dǎo)熱率，增加其耐熱性能。實際生產(chǎn)中可通過在鋁中加入一定量金屬元素做成合金，增加鋁制品熔點及其導(dǎo)熱率。在仿真中，其他參數(shù)保持不變，僅將模型的硬質(zhì)管母線導(dǎo)熱率由200 W/(m·K)增加到250 W/(m·K)即可。改變后硬質(zhì)管母線在電流800 A、螺栓力矩50 N·m時的溫度分布如圖10所示。

圖10 增加熱通量后硬質(zhì)管母線溫度分布

比較熱通量改變前后的溫度變化可以發(fā)現(xiàn)：提升硬質(zhì)管母線本身的散熱性能，即增大其表面導(dǎo)熱率，可以加快硬質(zhì)管母線與空氣的熱交換，溫升由32.3 K降低到20.2 K，下降了12.1 K。說明選取合適的鋁合金制品提升硬質(zhì)管母線的散熱能力，可以有效緩解硬質(zhì)管母線的發(fā)熱問題。

4 結(jié) 論

1)通過對硬質(zhì)管母線進行的大電流試驗以及仿真結(jié)果的分析，其過熱的主要原因是由于接觸點處鋁管接觸不緊密，使硬質(zhì)管母線自身產(chǎn)生的熱量遠大于其與空氣進行熱交換時的散熱量。

2)通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)減小溫升主要有兩種途徑：一是通過打磨以及涂抹電力脂等方法增加管母線連接處光滑程度以減小接觸電阻，減少發(fā)熱量；二是在鋁制品中增加一定量金屬元素做成合金，增加硬質(zhì)管母線本身的導(dǎo)熱率，從而減緩溫度的上升。