10 kV并溝線夾溫升誘發(fā)機制的多物理場耦合研究

劉強強, 何文信, 馮 玉, 吳 凱, 吳少雷, 王 偉

(1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009; 2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 電力科學研究院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

文獻[1]的研究結(jié)果表明,10 kV線路故障率約占全電網(wǎng)的70%;文獻[2]對北京地區(qū)耐張線夾的發(fā)熱情況以及原因進行了調(diào)研和分析,結(jié)果表明安裝質(zhì)量、安裝錯誤、接觸面氧化是導致線夾發(fā)熱的幾個主要誘因;文獻[3-5]分別對不同工況下穿刺線夾的溫升、安裝扭矩對絕緣穿刺線夾接觸電阻的影響等進行了研究,結(jié)果表明,安裝扭矩和載流量等因素都會使穿刺線夾的接觸電阻增大,進而導致線夾異常發(fā)熱;文獻[6-8]對微觀隨機粗糙表面模型進行了構(gòu)建,探究接觸電阻隨粗糙度的變化,結(jié)果表明隨著粗糙度的增大,接觸電阻也會相應增大;文獻[9]根據(jù)電熱耦合的基礎理論分析了線路接頭的溫升狀態(tài),提出了一種可以在不拉限負荷的條件下,減小線夾溫度的方法;文獻[10-12]研究了接續(xù)金具材料的溫度與接觸壓力的關(guān)系,結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)隨著接觸壓力的增加,試樣溫度呈現(xiàn)減小的趨勢。

并溝線夾是配電網(wǎng)帶電作業(yè)中最常用的接續(xù)金具之一,但是目前文獻中對于并溝線夾的實驗和仿真較少。線夾的失效主要是由于螺栓松動、材料軟化等原因?qū)е聹囟仍诙虝r間內(nèi)的異常升高[13-15],為了探究并溝線夾在不同工況下的溫度分布,本文首先測量不同安裝扭矩下并溝線夾與導線間的接觸電阻,并根據(jù)赫茲接觸理論計算并溝線夾-導線的接觸面積,然后將結(jié)構(gòu)場的結(jié)果作為初始值導入電場和熱場中,在有限元軟件的電磁熱模塊中,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)場、電場、熱場的耦合仿真,探究并溝線夾溫度分布差異的內(nèi)部原因以及在不同安裝扭矩、不同載流量下并溝線夾的溫度變化,相關(guān)結(jié)論對并溝線夾的安裝、檢測和維修提供一定的參考。

1 仿真模型

1.1 并溝線夾的三維模型

并溝線夾主要用于架空輸電線路中2根導線間的接續(xù)工作,在非直線桿塔的跳線、配電網(wǎng)電連接處的T接線和分支線處等都得到了廣泛的使用。JBL50-240型號的并溝線夾由螺栓、彈性墊圈、圓形墊片、圓弧墊片、上夾塊和下夾塊組成。本文依照線夾的實際參數(shù)建立等比例的仿真模型,建模時所使用的主要參數(shù)有:線夾的下夾塊長度46 mm,上夾塊長度21 mm,下夾塊圓弧直徑20.5 mm,上夾塊圓弧直徑25.5 mm,主導線直徑14.6 mm,副導線直徑10 mm。其三維模型如圖1所示。

圖1 并溝線夾的三維模型

在安裝時應首先將導線放入線夾的上下夾塊中,依靠螺栓的軸向力將導線固定到并溝線夾的上下夾塊之中,然后通過彈簧墊圈和圓形墊片向?qū)Ь€提供均勻且恒定的力,并利用線夾材料的導電特性來達到接續(xù)的目的。

1.2 仿真模型的建立及簡化

本文以JBL50-240并溝線夾及150 mm2主導線、70 mm2副導線為研究對象,建立并溝線夾的多物理場耦合仿真模型,為了更方便地探究并溝線夾發(fā)熱不均勻的原因,對并溝線夾的三維模型進行相應地簡化處理,如去掉螺栓的螺紋、較小的倒角等。同時,切割出并溝線夾與導線的接觸區(qū)域,便于仿真模型中建立并溝線夾與導線間的接觸導電和傳熱特性。對簡化模型進行網(wǎng)格劃分,得到線夾的有限元模型。

并溝線夾的仿真模型如圖2所示。

圖2 并溝線夾的仿真模型

為方便說明線夾與導線的各接觸部位,圖2中將導線隱藏,其中電流經(jīng)主導線由區(qū)域1、區(qū)域4流入,由區(qū)域2、區(qū)域5經(jīng)副導線流出,為了提高計算效率,將線夾上的彈性墊圈、圓弧墊片以及螺栓上的螺紋等特征進行省略,并將導線簡化為圓柱體,材料設置為鋁合金。

1.3 控制方程與邊界條件

仿真中電流接觸面上的控制方程為:

J1=hc(V1-V2)

(1)

J2=hc(V2-V1)

(2)

(3)

(4)

其中:J1、J2分別為源接觸面和目標接觸面的電流密度;hc為金屬導體的收縮電導率;V1、V2分別為源接觸面和目標接觸面的電勢;σ1、σ2分別為金屬導體的電導率和接觸面的電導率;σcontact為masp、kasp分別為材料接觸表面的粗糙平均高度和粗糙平均斜率;p為接觸壓力;Hc為材料的微硬度。

熱接觸面上的控制方程為:

q1=h(T2-T1)

(5)

q2=h(T1-T2)

(6)

h=hc+hg+hr

(7)

其中:q1、q2為傳遞熱量;h為材料的傳熱系數(shù);T1、T2分別為源接觸面和目標接觸面的溫度;hc、hg、hr分別為收縮電導率、間隙熱導率和輻射熱導率。

電磁熱耦合控制方程如下:

ρcpu·T=·(kT)+Qe

(8)

Qe=J·E

(9)

J=σE

(10)

其中:ρ為材料的密度;cp為比定壓熱容;k為材料的熱導率;為微分算子符號;T為溫度;J為電流密度;E為電場強度;Qe為熱源;σ為材料的電導率。

并溝線夾和導線的材料參數(shù)均參照鋁合金的參數(shù)設置。經(jīng)查閱相關(guān)文獻和標準可知,70 mm2導線所允許的最大載流量為226 A,本文假設導線所流過的最大電流為225 A,設定并溝線夾的夾塊與導線接觸區(qū)域的接觸壓力為100 N/m2,并考慮空氣自然對流的影響,仿真過程中的傳熱系數(shù)均參照文獻[16]進行設置。

綜上所述,本文所建立仿真模型的部分仿真參數(shù)見表1所列。

表1 仿真參數(shù)

1.4 不同安裝扭矩下接觸面積的確定

對于并溝線夾-導線模型來說,接觸電阻主要存在于并溝線夾與導線的接觸區(qū)域中。因此在仿真分析中,結(jié)合接觸電阻的實驗測量結(jié)果、載流量、接觸面積得到并溝線夾-導線的產(chǎn)熱速率[9],計算公式為:

(11)

其中:i為電流;Rc為測量得到的接觸電阻;S為計算得到的接觸面積總和。

由(11)式可以發(fā)現(xiàn),產(chǎn)熱速率主要與接觸電阻和總的接觸面積有關(guān),而在不同的安裝扭矩下并溝線夾與導線的接觸面積必然會產(chǎn)生變化。并溝線夾-導線的仿真模型如圖3a所示,根據(jù)經(jīng)典的赫茲接觸理論知識可知,并溝線夾與導線的實際接觸都可以抽象為兩圓柱形彈性體之間的內(nèi)接觸。

圖3 并溝線夾導線接觸的抽象模型

線類-導線接觸區(qū)域如圖3b所示。

當并溝線夾與導線接觸受螺栓預緊力的作用時,將由線接觸變?yōu)槊娼佑|,其接觸面變成寬為2a的狹長矩形,由此可以計算出在不同安裝扭矩下并溝線夾與150 mm2主導線、70 mm2副導線的接觸面積。計算得出并溝線夾在8～19 N·m下安裝扭矩的接觸面積如圖4所示。

圖4 不同安裝扭矩下的接觸面積

2 仿真結(jié)果分析

2.1 電流密度分布

并溝線夾在工作過程中,主導線的電流經(jīng)并溝線夾下夾塊和上夾塊的接觸面?zhèn)魉偷骄€夾中,然后電流由線夾傳入副導線達到接續(xù)的目的,在整個傳輸過程中并溝線夾在兩根導線之間充當橋梁的作用,為了探究這個過程中并溝線夾各部分的作用,對安裝扭矩為15 N·m,載流量為150 A時并溝線夾的電流密度分布云圖進行提取,提取的結(jié)果如圖5所示。

圖5 并溝線夾的電流密度分布

從圖5a可以看出,并溝線夾在服役過程中,其接觸區(qū)域的電流密度分布是極不均勻的,在電流流入并溝線夾端部和電流流出并溝線夾端部的電流密度會遠大于其他部位,這些區(qū)域承擔著絕大部分電流的傳輸,而螺栓在其中主要起連接作用,因此并溝線夾螺栓部位的電流密度相對較低,這與仿真結(jié)果是一致的。從圖5b可以看出,在并溝線夾下夾塊與主導線接觸前15 mm區(qū)域以內(nèi)的電流密度比較大,這意味著并溝線夾的少部分接觸面完成了大部分電流的傳輸功能,對于接觸面的利用率不高,在實際應用過程中可以發(fā)現(xiàn)并溝線夾的端部常因受力過大而產(chǎn)生變形,可以推測由于結(jié)構(gòu)設計的原因并溝線夾的端部會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,此時施加螺栓預緊力會導致線夾端部與導線之間的接觸比其他部位更緊密,這會進一步影響電流在線夾中的流動路徑,使得端部的電流密度較大。

當安裝扭矩為15 N·m、載流量為50～225 A時,并溝線夾各接觸區(qū)域的電流密度分布如圖6所示。從圖6可以看出,隨著載流量的增加,并溝線夾的電流密度也在增加,且與副導線接觸區(qū)域的電流密度大于與主導線的接觸區(qū)域,電流密度分布的最高點和最低點分別在與副導線接觸的下夾塊和與主導線接觸的下夾塊上。

圖6 電流密度隨載流量的變化

2.2 歐姆損耗分布

并溝線夾的歐姆損耗是指電流流經(jīng)并溝線夾和導線自身的固有電阻,由電能轉(zhuǎn)化成為熱能的過程,因此電流密度和歐姆損耗的分布與溫度的分布密切相關(guān)。當安裝扭矩為15 N·m、載流量為150 A時,并溝線夾的歐姆損耗分布如圖7所示。

圖7 并溝線夾的歐姆損耗分布

從圖7a可以看出,并溝線夾在服役過程中歐姆損耗是不均勻的,其分布規(guī)律與電流密度分布大致相同,但又有些差異。歐姆損耗較大的部位在電流流入主導線和電流流出副導線與并溝線夾接觸的端部。從圖7b可以看出,越靠近端部的歐姆損耗越大。

對并溝線夾與導線各接觸部位的歐姆損耗分別進行提取,結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出,在并溝線夾與導線接觸的區(qū)域中,歐姆損耗最小的區(qū)域在并溝線夾的下夾塊與主導線的接觸部位,最小的歐姆損耗為5.31 MW/m3,歐姆損耗最大的區(qū)域在并溝線夾的下夾塊與副導線相接觸的部位,最大的歐姆損耗達到19.60 MW/m3。

圖8 不同接觸部位并溝線夾的歐姆損耗

當安裝扭矩為15 N·m、載流量為50～225 A時,并溝線夾各接觸區(qū)域的歐姆損耗分布如圖9所示。從圖9可以看出,隨著載流量的增加,并溝線夾的歐姆損耗呈非線性的增長趨勢,且增長速率越來越快;從圖9還可以看出,并溝線夾與副導線接觸區(qū)域的歐姆損耗明顯大于與主導線的接觸區(qū)域,這可能是由于副導線的直徑比較小,電流在單位截面積所轉(zhuǎn)換的熱量遠大于主導線所導致的。

圖9 歐姆損耗隨載流量的變化

2.3 不同載流量下并溝線夾的溫度變化

當安裝扭矩為15 N·m、載流量為150 A時,并溝線夾的溫度分布如圖10所示,由于電流密度和歐姆損耗分布的不均勻?qū)е聹囟确植家泊嬖诓町?從圖10可以看出,在除并溝線夾與導線接觸區(qū)域的其他部位溫度的分布較為均勻,而并溝線夾的溫度最高點出現(xiàn)在并溝線夾的下夾塊與副導線的接觸部位,并且與副導線接觸部位的溫度明顯高于與主導線的接觸部位,這與前面的分析是一致的,說明與副導線接觸的并溝線夾的下夾塊為并溝線夾的薄弱環(huán)節(jié),應在此處采用更好的材料或增加散熱處理。

圖10 并溝線夾的溫度分布

為了探究并溝線夾在服役過程中的工作狀態(tài),選取安裝扭矩為15 N·m、載流量范圍為50～225 A,在環(huán)境熱屬性中設置外界環(huán)境溫度為25 ℃,將導線的一端通入電流,對并溝線夾進行多物理場耦合的穩(wěn)態(tài)研究,當載流量為50～225 A時,并溝線夾的溫度分布曲線如圖11所示。

圖11 溫度隨載流量的變化

從圖11可以看出,隨著載流量的增加,并溝線夾的溫度均非線性的增加,且增加的速率越來越快,根據(jù)焦耳熱公式Q=I2Rt可知,當通電時間和材料的電阻值一定時,因為通電所產(chǎn)生的熱量Q與電流I的平方成正比,雖然并溝線夾與環(huán)境之間的對流熱通量可以抵消一部分的產(chǎn)熱量,但是熱量散失的速率卻遠遠小于熱量產(chǎn)生的速率,所以并溝線夾的溫度隨載流量的變化呈現(xiàn)二次多項式的關(guān)系,這與仿真結(jié)果是一致的,通過分析可以看出載流量對線夾的溫度分布有著重要的影響。

2.4 不同安裝扭矩下并溝線夾的溫度變化

當載流量為150 A時,將不同安裝扭矩下并溝線夾接觸面積和接觸電阻的數(shù)值代入(11)式計算得出生熱率,并導入有限元仿真軟件中,得到溫度隨安裝扭矩的變化曲線,如圖12所示。從圖12可以看出,并溝線夾的溫度隨安裝扭矩的增大而逐漸減小,并且最終會趨于穩(wěn)定;安裝扭矩為8 N·m時的最高溫度與安裝扭矩為19 N·m時的最高溫度相差了9.7 ℃,這可能是由于當安裝扭矩為8 N·m時并溝線夾和導線剛剛接觸,此時接觸面積比較小,對于電流的阻礙作用比較大,使得接觸電阻和溫度的數(shù)值較大,隨著安裝扭矩的進一步增大,并溝線夾的上下夾塊和導線發(fā)生擠壓,兩者之間的接觸面積也在增大,對電流的阻礙作用逐漸減小,接觸電阻出現(xiàn)下降的趨勢,當安裝扭矩增大到一定程度時,并溝線夾和導線已經(jīng)趨于完全接觸,此時增加安裝扭矩已經(jīng)難以增大有效接觸面積,最終使線夾與導線的接觸電阻值和溫度值趨于穩(wěn)定。從圖12可以看出,因為安裝扭矩在16 N·m及以后并溝線夾的溫度始終小于40 ℃,并且開始趨于穩(wěn)定,所以在工作中螺栓扭矩應在16 N·m以上。

圖12 溫度隨安裝扭矩的變化

3 結(jié) 論

(1) 并溝線夾在服役過程中電流密度和歐姆損耗的分布是極不均勻的,主導線與并溝線夾下夾塊接觸的前15 mm區(qū)域以及電流流出的副導線與并溝線夾下夾塊靠近端部的10 mm區(qū)域內(nèi)的電流密度和歐姆損耗比較大。

(2) 由于電流密度和歐姆損耗的分布不均勻,導致并溝線夾的溫度分布也有差異,在運行中,并溝線夾的最高溫度出現(xiàn)在電流流出副導線與并溝線夾下夾塊的接觸區(qū)域,且與副導線接觸區(qū)域的溫度明顯大于與主導線接觸區(qū)域的溫度。

(3) 根據(jù)不同載流量下并溝線夾的耦合仿真結(jié)果可知,線夾的電流密度、歐姆損耗和溫度都隨載流量的增大而增大,且歐姆損耗與溫度增大的速率越來越快。

(4) 根據(jù)不同安裝扭矩下并溝線夾的耦合仿真結(jié)果可知,并溝線夾的溫度隨安裝扭矩的增大而逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定,為保證線夾可靠運行,服役過程中螺栓扭矩應保持在16 N·m以上。