牽引變電所裸導(dǎo)體集中過熱分析

彭豫忞

（國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034000）

0 前言

龍宮變電所地處山西原平市軒崗鎮(zhèn)，所內(nèi)牽引側(cè)27.5 kV 母線及饋線區(qū)為雙軟母線并聯(lián)接線，采用240/30 鋼芯鋁絞線。自2018 年6月—2019 年6 月，龍宮變電所牽引設(shè)備共發(fā)生示溫蠟片過熱變色缺陷17 處，其中6LHT 相鋼芯鋁絞線還發(fā)生了斷股、散股、熔化跡象。同周期下，其他所亭過熱缺陷數(shù)量為：西柏坡變電所3 處，滴流磴變電所1 處，東冶變電所1 處，原平南變電所1 處，神池南變電所3 處。

1 環(huán)境對龍宮變電所軟母線的影響

1.1 鋼芯鋁絞線溫度受環(huán)境溫度影響分析

在風(fēng)力=0.5 m/s 情況下，LGJ-240/40 鋼芯鋁絞線受環(huán)境溫度影響的情況見表1。

表1 鋼芯鋁絞線受環(huán)境溫度影響 ℃

由此可知，當(dāng)龍宮變電所環(huán)境溫度為30 ℃、風(fēng)力為0.5 m/s時，所內(nèi)鋼芯鋁絞線溫度應(yīng)為42.8 ℃左右。

1.2 鋼芯鋁絞線溫度受風(fēng)速影響分析

查閱6 月28 日10：00—6 月29 日10：00 原平市風(fēng)力（圖1）。因為風(fēng)力越小鋼芯鋁絞線散熱效果越差，為了分析龍宮設(shè)備過熱原因，在此尋找過熱峰值的情況，可以看出，龍宮變電所在白天存在0～1 級風(fēng)力的情況。

圖1 夏季24 h 原平市風(fēng)力變化

由表2 可以看出，在龍宮變電所溫度為30 ℃并且無風(fēng)（0 m/s）情況下，溫升可達到20 ℃，即龍宮變電所夏季無風(fēng)時，鋼芯鋁絞線空載狀態(tài)下溫度可能達到50 ℃。

表2 不同環(huán)境溫度下風(fēng)速與導(dǎo)線溫升的關(guān)系

2 載流對龍宮變電所軟母線與線夾的影響

2.1 鋼芯鋁絞線載流量校正計算

軒崗鎮(zhèn)平均海拔1752 m，裸導(dǎo)體載流能力在不同海拔及溫度下的校正系數(shù)見表3：環(huán)境溫度30 ℃時，龍宮變電所內(nèi)鋼芯鋁絞線校正系數(shù)為0.919，而240/30 鋼芯鋁絞線25 ℃的標(biāo)準(zhǔn)載流量是610 A。

表3 裸導(dǎo)體載流能力在不同海拔及溫度下的校正系數(shù)

鋼芯鋁絞線的允許電流可利用下式計算：

其中，I1為當(dāng)前溫度下導(dǎo)線的允許電流值；I2為標(biāo)準(zhǔn)溫度下導(dǎo)線的允許電流值；Kt為允許電流的溫度校正系數(shù)。

根據(jù)公式及軒崗鎮(zhèn)海拔高度，測算出龍宮變電所在海拔為1752 m 的情況下，其配備的240 鋼芯鋁絞線在30 ℃環(huán)境溫度時的載流能力為610×0.919=560 A。

經(jīng)過統(tǒng)計，6 月21—25 日，龍宮饋線211～214 出現(xiàn)過的日最大峰值電流分別為：1038 A、515 A、1046 A、510 A，211 與212 由T1、F1母線供電，213、214 由T2、F2母線供電。取極端峰值情況，設(shè)定某一時刻，T1、F1母線或T2、F2母線由于各自兩條饋線的加成，載流達到1500 A，由于龍宮變電所主變低壓側(cè)母線及饋線區(qū)均是雙軟母線并聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮并聯(lián)分流，則鋼芯鋁絞線承受的電流為750 A，對比240 鋼芯鋁絞線在30 ℃環(huán)境溫度時海拔為1752 m 的情況下的載流能力560 A，超出了190 A。

若計算龍宮饋線6 月21—25 日的日最大電流平均值，211～214 分別為796 A、446 A、835 A、428 A，這里取25 d 的平均峰值情況，設(shè)定某一時刻，T1、F1母線或T2、F2母線由于各自兩條饋線的加成，載流達到1200 A，由于主變低壓側(cè)母線及饋線區(qū)均是雙軟母線并聯(lián)結(jié)構(gòu)，則鋼芯鋁絞線承受的電流為600 A，對比240 鋼芯鋁絞線在30 ℃時、海拔1752 m 的情況下的載流能力560 A，超出了40 A。

可知龍宮變電所目前所配備的240 鋼芯鋁絞線截面積不滿足生產(chǎn)需要，應(yīng)更換為更大截面積鋼芯鋁絞線。300/25 鋼芯鋁絞線25 ℃的標(biāo)準(zhǔn)載流量是690 A，在龍宮變電所30 ℃時的載流能力校正后，690×0.919=634 A，容許的持續(xù)載流值已經(jīng)超過日平均峰值電流下單鋼鋼芯鋁絞線所能承受的600 A 電流。

2.2 鋼芯鋁絞線峰值載流溫升計算

設(shè)定龍宮變電所海拔1752 m，風(fēng)速v=0.5 m/s，環(huán)境溫度30 ℃。通過上面分析，240/30 鋼芯鋁絞線經(jīng)過校正系數(shù)調(diào)整，載流值為560 A，300/25 鋼芯鋁絞線經(jīng)過校正系數(shù)調(diào)整，載流值為634 A。則正常負荷的發(fā)熱溫度計算如下：

其中，θ0為導(dǎo)體空載無流時的溫度，設(shè)定為龍宮環(huán)境30 ℃時，鋼芯鋁絞線空載50 ℃的極端值；θe為導(dǎo)體的正常最高容許溫度，設(shè)定為70 ℃；IF為導(dǎo)體中通過的長期最大負荷電流，設(shè)定值選擇為單根鋼芯鋁絞線承受的日平均峰值電流600 A；Ie為導(dǎo)體容許電流，為導(dǎo)體額定電流Ie的修正值，240/30 鋼芯鋁絞線為560 A，300/25 鋼芯鋁絞線為634 A。

240/30 鋼芯鋁絞線計算結(jié)果為：

300/25 鋼芯鋁絞線計算結(jié)果為：

所以，配備300/25 鋼芯鋁絞線時，在單根鋼芯鋁絞線日均峰值電流600 A 載流情況下，溫度低于導(dǎo)體最高允許溫度70 ℃，而目前的240/30 鋼芯鋁絞線已經(jīng)溫度超標(biāo)。

2.3 鋼芯鋁絞線與線夾接觸電阻的溫升計算

分析過熱時，不應(yīng)只考慮導(dǎo)體本身載流時的發(fā)熱，還應(yīng)考慮在導(dǎo)體末端兩個導(dǎo)體之間的接觸電阻在電流經(jīng)過時產(chǎn)生的發(fā)熱。

考慮線夾與軟母線的接觸電阻過大的情況時，比如電流互感器的線夾每年并不測試回路電阻，如果因為內(nèi)部臟污或螺栓松動，假設(shè)回路電阻達到500 μΩ，則在600 A 電流持續(xù)30 s的情況下，單根鋼芯鋁絞線發(fā)熱量Q=600×600×500×10-6×30=5400 J，又因為：

其中，Q為發(fā)熱量；C為鋁的比熱容，取0.88×103J（/kg·℃）；m為導(dǎo)體重量，設(shè)定重量1 kg，求△t：

可以得出，500 μΩ 接觸電阻在600 A 電流做功情況下，溫升6.1 ℃。若如使用鋁質(zhì)的U 形線夾，承受電流是單根軟母線的兩倍，則線夾承受的溫升為兩倍，溫度達到6.1×2=12.2 ℃。

若是銅線夾，比熱容為0.39×103J（/kg·℃），則△t=（Q/C）/m=（5400/390）/1=13.6 ℃，U 形線夾溫度達到13.6×2=27.2 ℃。

綜上分析龍宮變電所在環(huán)境溫度30 ℃，無風(fēng)，單根鋼芯鋁絞線載流600 A 并且某處連接部位接觸電阻為500 μΩ 的條件下時，線夾處貼的示溫蠟片溫度可能達到：72.95+27.2=100.15 ℃（240 鋼芯鋁絞線+銅線夾）；若改為300/25 鋼芯鋁絞線并配備鋁線夾，67.91+12.2=80.01 ℃（300 鋼芯鋁絞線+鋁線夾）?？梢钥闯?，更改配置后，降溫效果明顯。

以上分析，都是取海拔1752 m，風(fēng)力0 m/s，環(huán)境溫度30 ℃，單根鋼芯鋁絞線承受600 A 電流的情況，在實際運行中風(fēng)力的變化對導(dǎo)體散熱影響極大（表3）。

龍宮變電所同樣在環(huán)境溫度30 ℃情況下，風(fēng)力0 級（0 m/s）與風(fēng)力1 級（0.3～1.5 m/s）的溫升可相差10 ℃左右，在風(fēng)力達2級時，日照對鋼芯鋁絞線的影響可以忽略。而龍宮變電所的地理位置，風(fēng)力0 級的情況為少數(shù)。

3 節(jié)能與降耗

通過上述分析可知，龍宮變電所牽引側(cè)27.5 kV 母線及饋線區(qū)應(yīng)更換300/25 鋼芯鋁絞線，可以使30 ℃環(huán)境溫度時校正系數(shù)為0.919 情況下的鋼芯鋁絞線的載流能力從560 A 提高到634 A，即使導(dǎo)體載流為日均峰值電流600 A，溫度也低于最高允許溫度70 ℃。線夾應(yīng)為全鋁質(zhì)，若有銅鋁接觸面則應(yīng)放置過渡板。

改造后除了使?fàn)恳冸娝d流能力提升外，在節(jié)能與降耗方面產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。LGJ-240 鋼芯鋁絞線單位電阻為0.131 Ω/km，雙股并聯(lián)后近似為0.066 Ω/km，LGJ-300 鋼芯鋁絞線單位電阻為0.105 Ω/km，雙股并聯(lián)后近似為0.053 Ω/km。設(shè)定龍宮牽引變電所功率因數(shù)為0.9，則有功功率為1 kV·A×0.9=900 W。

設(shè)定T1、F1或T2、F2母線上的鋼芯鋁絞線此刻載流1200 A，則1 km 的2×LGJ-240 鋼芯鋁絞線在1 s 時間做功為1200×1200×0.066×1=95 040 J，即95.04 kW，1 km 的LGJ-240 鋼芯鋁絞線載流做功占用變壓器額定容量為95 040/900=105.6 kV·A。

設(shè)定T1、F1或T2、F2母線上的鋼芯鋁絞線此刻載流1200 A，則1 km 的2×LGJ-300 鋼芯鋁絞線在1 s 內(nèi)做功為1200×1200×0.053×1=76 320 J，即76.32 kW，1 km 的2×LGJ-300 鋼芯鋁絞線載流做功占用變壓器額定容量為76 320/900=84.8 kV·A。

在上述情況下，1 km 的2×LGJ-300 鋼芯鋁絞線每秒節(jié)省105.6-84.8=20.8 kV·A。1 s 節(jié)省95.04-76.32=18.72 kW，1 h 節(jié)省18.72×3600=67 392 kW·h，即67 392kW·h。按大工業(yè)用電0.5 元（/kW·h）計算，67 392×0.5=33 696 元。這只是T1、F1或T2、F2一條母線的節(jié)省情況，兩條母線則翻倍為67 392 元。

通過計算可以看出，在鋼芯鋁絞線從2×LGJ-240 更換為2×LGJ-300 后，除了使母線載流能力提升，過熱問題得到緩解外，由于母線單位阻抗降低而節(jié)省的電費，也可以在日積月累下變的相當(dāng)可觀，隨著運行時間的持續(xù)逐漸收回改造工程成本。

4 結(jié)束語

鋼芯鋁絞線與其線夾的過熱及載流容量匹配問題，應(yīng)從環(huán)境、載流、接觸電阻等因素多方面考慮，而不能在只掌握部分數(shù)據(jù)時武斷定下結(jié)論。在綜合計算后，對于確實有必要進行改造的變電所，還應(yīng)比對改造施工經(jīng)費與施工后節(jié)能降耗效益的關(guān)系，確定最佳施工方案。