壓縮型T型輔助線夾溫度場仿真驗證分析

魏 震 王群鋒 汪 恒 朱鵬飛 黃浩華

（國網(wǎng)河南省電力公司直流中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

作為接續(xù)金具的線夾，其在高壓架空輸電線路中廣泛使用［1］。線夾是一種用于導(dǎo)線，并能滿足機械和電氣性能要求的金屬連接件。根據(jù)架空線路中常用的導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)可知，導(dǎo)線的溫度一般為70℃。由《架空送電線路運行規(guī)程》（DL/T 741—2001）中的規(guī)定可知，接續(xù)金具的最高溫度不超過導(dǎo)線溫度的10℃［2-3］，故線夾的最高運行溫度在80℃左右。

在連接線路中，由于受工藝、環(huán)境等因素的限制，引流線夾會出現(xiàn)不良連接的情況［4］，并隨著輸電線路容量的增大，線夾過熱的發(fā)生頻率也逐漸增大，存在一定的電力安全隱患，嚴(yán)重時甚至?xí){到整個電力系統(tǒng)的安全。T型線夾的材質(zhì)一般為紫銅，在線夾嚴(yán)重發(fā)熱時，其強度會受到影響，不具備自恢復(fù)性［5］。此時的線夾若是得不到及時有效的處理，發(fā)熱情況將會繼續(xù)加劇，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致導(dǎo)線斷裂，從而對電網(wǎng)、設(shè)備及人身安全造成威脅［6-8］。

本研究基于靈寶換流站換流變壓器間隔引線中A相線夾發(fā)熱的問題，通過有限元仿真計算法來驗證分析線夾發(fā)熱的原因，并提出一種通過降低回路電阻來治理導(dǎo)流線夾發(fā)熱的方法，經(jīng)仿真與實測證明，該方法對治理導(dǎo)流線夾發(fā)熱問題具有較大的應(yīng)用參考價值。

1 原理分析

紅外測試設(shè)備對線路進(jìn)行測量后得到的圖譜分析結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，發(fā)熱部位位于線路的壓接管處，初步認(rèn)為該壓接管發(fā)熱是因壓接管與鋼芯鋁絞線間的壓接產(chǎn)生松動，從而使接觸電阻增大，最終導(dǎo)致線夾發(fā)熱。從圖1可以看出，線夾的最高溫度為64.7℃，最低溫度為8.1℃。該紅外溫度測量結(jié)果是在室外溫度8℃、風(fēng)速4 m·s-1、通過電流580.6 A的情況下所測得的。

圖1 改裝前A線夾發(fā)熱圖譜

為了解決線夾發(fā)熱嚴(yán)重的問題，在不拆除、不更換原發(fā)熱線夾及導(dǎo)線的前提下，在原發(fā)熱線夾的背面加裝一螺栓，用于連接輔助線夾，其與原發(fā)熱線夾在機械上呈背靠背的連接結(jié)構(gòu)，在電氣上形成并聯(lián)的連接結(jié)構(gòu)，從而減小回路的電阻，并進(jìn)行仿真驗證分析。新加裝的壓縮型T型輔助線夾與通過螺栓連接輔助線夾如圖2所示，框內(nèi)為新加裝的壓縮型T型輔助線夾。

圖2 改裝后線路實物圖

改裝后的原理如圖3所示。I為流過此線路的電流，R1、R2分別為螺栓連接輔助線夾、新加裝的壓縮型T型輔助線夾的回路電阻，I1、I2分別為通過螺栓連接輔助線夾、新加裝的壓縮型T型輔助線夾的電流。當(dāng)新加裝的壓縮型輔助線夾出現(xiàn)故障時，將會導(dǎo)致R2增大。由歐姆定律可知，并聯(lián)電流之比與其電阻之比成反比關(guān)系，即I1/I2=R2/R1。此時，電流主要通過新加裝的壓縮型T型輔助線夾，從而使原線夾的發(fā)熱問題得到治理。

圖3 改裝后等效電氣圖

線夾發(fā)熱量與散熱量之間有一個平衡點，如果發(fā)熱量大于散熱量，線夾的溫度就會持續(xù)上升，嚴(yán)重時甚至能看到線夾表面發(fā)紅。根據(jù)焦耳定律可知，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。

2 壓縮型T型線夾溫度分布仿真

2.1 壓縮型T型線夾幾何模型的建立

本研究以壓縮型T型輔助線夾為研究對象，根據(jù)該線夾與LGJ 680/80 mm2導(dǎo)線的實際結(jié)構(gòu)尺寸，在合理簡化的基礎(chǔ)上，使用Solidworks軟件建立三維模型，并將其導(dǎo)入至Comsol軟件中，在Comsol中選擇電磁-熱場，建立電磁場與熱場的三維有限元分析模型，該模型的線夾及導(dǎo)線各部分的結(jié)構(gòu)如圖4所示。將導(dǎo)線等效為鋁材質(zhì)的圓柱體，其中A、B、C分別為原發(fā)熱線夾、螺栓連接的輔助線夾、新加裝的壓縮型T型輔助線夾。

圖4 加裝壓縮型T型引流線夾后模型

2.2 電磁-熱場模型的建立

2.2.1 通過調(diào)用Comsol中的電磁-熱物理場，添加電連接線夾的材料屬性，線夾的材質(zhì)為紫銅。在仿真過程中，通過導(dǎo)體的電流為580.6 A，環(huán)境溫度為8℃。當(dāng)線路正常運行時，電流會從圖4所示的電路右端進(jìn)入，從上端和左端流出。電流除了會流過線夾外，還會流過3個接觸電阻。一是導(dǎo)線與原發(fā)熱線夾本體壓接而產(chǎn)生的接觸電阻，即圖4中的A段；二是由螺栓固定連接線夾與導(dǎo)線壓接而產(chǎn)生的接觸電阻，即圖4中的B段；三是新加裝壓縮型T型輔助線夾與導(dǎo)線壓接而產(chǎn)生的接觸電阻，即圖4中的C段。

2.2.2 劃分網(wǎng)格。模型網(wǎng)格劃分的精細(xì)度會對有限元的仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時，劃分的網(wǎng)格越細(xì)密，計算得到的結(jié)果就越準(zhǔn)確，但仿真計算所需的時間也會隨之增加。因此，在仿真計算過程中，不僅要考慮仿真計算結(jié)果的精確度，還要考慮仿真計算所需的時間。由于所建立的模型結(jié)構(gòu)和空氣模型的形狀均為不規(guī)則形狀，綜合考慮多種因素，模型采用自由網(wǎng)格進(jìn)行劃分，從而得到線夾、導(dǎo)線、空氣間的有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果。

2.2.3 導(dǎo)線熱量的散失有兩種情況。一部分熱量通過絕緣體以熱傳導(dǎo)的形式消散掉，另一部分熱量通過導(dǎo)線與空氣間的對流，最終在導(dǎo)體和空氣間達(dá)到一種動態(tài)熱平衡的狀態(tài)。由于導(dǎo)線與線夾之間存在的輻射散熱在熱分析中的影響相對較小，因此導(dǎo)線與線夾之間的輻射散熱可忽略不計，且在該模型中不存在絕緣材料，故只考慮導(dǎo)線與T型輔助線夾、螺栓連接輔助線夾和原發(fā)熱線夾之間的熱傳導(dǎo)，以及導(dǎo)線與空氣的對流散熱兩種傳熱方式。

①內(nèi)部傳導(dǎo)散熱。導(dǎo)線與壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發(fā)熱線夾之間所產(chǎn)生的熱量主要是通過熱傳導(dǎo)的形式進(jìn)行消散，在導(dǎo)線與接續(xù)線夾之間達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后，其內(nèi)部的傳導(dǎo)散熱的計算公式見式（1）。

式中：T為接續(xù)線夾的發(fā)熱溫度，℃；λ為接續(xù)線夾的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（M·℃）；q為熱源在單位體積中產(chǎn)生的熱生成率，W/m3；x、y、z為三維坐標(biāo)。等式右側(cè)q旁的符號為熱量的流動方向，正號表示溫度由低到高的方向，負(fù)號表示溫度由高到低的方向。

②表面對流散熱。電流與導(dǎo)線間的熱量傳遞，導(dǎo)線與壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發(fā)熱線夾之間的熱量傳遞稱為表面對流散熱。導(dǎo)線、壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發(fā)熱線夾與外界空氣間的散熱是自然對流散熱，其計算公式見式（2）。

式中：q為單位時間內(nèi)傳遞的熱量，W；hf為導(dǎo)線、壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發(fā)熱線夾與空氣間的對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Ts為導(dǎo)線、線夾表面的溫度，℃；TB為周圍空氣的溫度，℃。

線夾與空氣之間的熱量交換，即熱通的計算公式見式（3）。

因此，對導(dǎo)線與線夾表面施加的自然對流系數(shù)為5 W/（m2·℃）。

2.2.4 壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發(fā)熱線夾的主材料為紫銅，導(dǎo)線的主材料為鋁，電流通過集膚效應(yīng)在導(dǎo)線的表面進(jìn)行流通。所以，當(dāng)有電流流經(jīng)鋁導(dǎo)線時，因鋁與銅存在著接觸電阻，故會產(chǎn)生一定的熱量，該熱量的計算公式見式（4）。

式中：I為流過導(dǎo)線的電流，A；R為導(dǎo)線與壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發(fā)熱線夾之間的接觸電阻，Ω。

其熱生成率的計算公式見式（5）。

式中：Q為單位體積的熱生成率，W/m3；P為導(dǎo)線的發(fā)熱功率，W；r為導(dǎo)線的半徑，m；l為選取導(dǎo)線長度，m；V為導(dǎo)線與線夾接觸部分的接觸線體積，m3。

3 壓縮型T型線夾溫度分布仿真分析

3.1 添加壓縮型T型線夾溫度分布情況

添加裝壓縮型T型輔助線夾后的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，導(dǎo)線的最高溫度為13.9℃，最低溫度為10.1℃。線夾的發(fā)熱溫度低于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的溫度。

圖5 加裝壓縮型T型輔助線夾溫度分布

3.2 無壓縮型T型線夾溫度分布情況

未加裝壓縮型T型輔助線夾的仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，導(dǎo)線的最高溫度為68.6℃，最低溫度為63.8℃。線夾的溫度相較于添加壓縮型T型輔助線夾的溫度要高出54.7℃。由歐姆定律可知，加裝壓縮型T型輔助線夾后，線夾的發(fā)熱量減小。

圖6 未加壓縮型T型輔助線夾溫度分布

3.3 實測數(shù)據(jù)分析

通過紅外測溫設(shè)備對改裝前后的接續(xù)線夾部位進(jìn)行測量。由圖1可知，未加壓縮型T型輔助線夾前的最高溫度為64.7℃，該結(jié)果是在冬季測量得到的，若是在夏季，室外溫度高達(dá)40℃，在長期的曝曬下，接續(xù)線夾位置的溫度很可能會超過80℃，存在一定的電力安全隱患，且在停電后對回路電阻進(jìn)行測量，測得的回路電阻為587μΩ，遠(yuǎn)大于20μΩ，不滿足交流場回路電阻的要求。

在加裝一壓縮型T型輔助線夾后，通過紅外測溫設(shè)備對其進(jìn)行測量，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，加裝壓縮型T型輔助線夾前的最高溫度為8.2℃，最低溫度為7.4℃，改裝后的線夾部位溫度明顯降低。

圖7 改裝后A線夾發(fā)熱圖譜

在停電檢修期間，再次對加裝壓縮型T型輔助線夾后的回路電阻進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖8所示，測量值為6.4μΩ，小于20μΩ，滿足交流場回路電阻的要求。

圖8 回路電阻測量

4 結(jié)語

通過有限元對加裝壓縮型T型輔助線夾的不同情況進(jìn)行計算分析，結(jié)果表明，不加裝壓縮型T型輔助線夾的溫度比添加壓縮型T型輔助線夾的溫度高出54.7℃，并通過測量回路電阻的方式進(jìn)行驗證，在加裝壓縮型T型輔助線夾后，隨著回路電阻的減小，線夾的溫度也隨之降低。通過實際測量結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，驗證該方法是可行的，對日后治理換流站線夾發(fā)熱問題具有一定的參考價值。