復(fù)合材料電力金具能耗仿真與試驗分析

程云堂，錢尼華，陳韶昱，王鍵賓，王成

（國網(wǎng)浙江省電力公司衢州供電公司，浙江衢州324000）

復(fù)合材料電力金具能耗仿真與試驗分析

程云堂，錢尼華，陳韶昱，王鍵賓，王成

（國網(wǎng)浙江省電力公司衢州供電公司，浙江衢州324000）

輸電線路上的電力金具能耗問題一直倍受關(guān)注，通過有限元仿真分析了復(fù)合材料電力金具的磁通密度、渦流密度的分布及能耗。在實驗室中模擬比對了鑄鐵類、鋁合金類和復(fù)合材料類材質(zhì)金具的能耗，仿真分析和模擬試驗均表明，復(fù)合材料電力金具是一種優(yōu)良的節(jié)能金具，值得推廣應(yīng)用。

輸電線路；金具；復(fù)合材料；能耗

電力金具作為輸電線路上不可或缺的部件，其電能損耗一直是電力部門關(guān)注的問題。在上世紀(jì)40年代，國外就開始對線路金具的能耗進(jìn)行研究。英國曼切斯特大學(xué)、美國Ohio Brass公司都曾對鑄鐵線夾和鋁合金線夾進(jìn)行過能耗試驗。隨著節(jié)能金具研究的不斷深入和生產(chǎn)工藝的不斷提升，由鋁合金材質(zhì)制作的節(jié)能電力金具逐步取代以往由鑄鐵材質(zhì)制作的電力金具，減少了輸電線路上的電能損耗。

隨著新興材料科學(xué)的迅猛發(fā)展，復(fù)合材料越來越多地被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。復(fù)合材料為絕緣材料，將其作為電力金具的制作材質(zhì)，將達(dá)到減少甚至消除渦流損耗的目的。在保證機(jī)械強(qiáng)度的情況下，復(fù)合材料金具將是一種最節(jié)能的電力金具，具有良好的應(yīng)用前景。

1 電力金具的能耗

在輸電線路中，電力金具的能耗主要由兩部分組成：由高電壓引起的介質(zhì)損耗；交流電流引起的磁損耗。由于介質(zhì)損耗目前還沒有直接測量的方法，這里暫不考慮，主要討論磁損耗問題。

電力金具中的懸垂線夾、耐張線夾，如果制作材質(zhì)為鐵磁性材料，由于裸導(dǎo)線位于線夾本體的線槽內(nèi)，當(dāng)導(dǎo)線中通過交變電流時，在導(dǎo)線的周圍就會產(chǎn)生交變磁場，鐵磁性材料的金具在交變磁場中反復(fù)磁化，其磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是滯后于磁場強(qiáng)度的變化，即有磁滯現(xiàn)象。由于磁疇的反復(fù)轉(zhuǎn)向，鐵磁材料內(nèi)部的分子互相摩擦發(fā)熱而造成能量損耗，即磁滯損耗。同時根據(jù)電磁感應(yīng)定律，交變磁場在金具內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于回路電阻的存在，感應(yīng)電流形成的功率損耗即為渦流損耗。除磁滯損耗和渦流損耗外，還存在磁化弛豫過程以及共振等多種機(jī)理引起的損耗，即剩余損耗。

上述3種由動態(tài)磁化造成的能量損失通常稱為鐵損，用W來表示：

式中：W為鐵損；Wh為磁滯損耗；We為渦流損耗；Wr為剩余損耗。

在電力金具的能耗中，由于磁滯損耗Wh占的比例較大，因此節(jié)能電力金具的研究集中在消除磁滯損耗方面。如果用非鐵磁性材質(zhì)制作電力金具，就可消除磁滯損耗。因此，鋁合金電力金具已逐步取代鑄鐵類金具。

雖然鋁合金金具沒有磁滯損耗，但是渦流損耗依然存在，電力金具上的渦流大小與電力金具自身的電阻成反比。用絕緣材料代替金屬材料，就可減少渦流損耗，達(dá)到更好的節(jié)能效果。

2 復(fù)合材料電力金具的有限元仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型與前處理

為了與試驗進(jìn)行驗證比對，采用有限元分析軟件對復(fù)合材料懸垂線夾的能耗特性進(jìn)行仿真分析。為了與實際運行條件相符，對懸垂線夾與導(dǎo)線組合體進(jìn)行三維數(shù)學(xué)建模，如圖1所示。

圖1 懸垂線夾計算模型

懸垂線夾由船體、壓條和U型螺栓等3部分組成，均為以樹脂為基體的復(fù)合型材質(zhì)，建模完成后對模型賦予相應(yīng)材質(zhì)屬性，設(shè)置模型的激勵源與邊界條件，分析計算線夾在不同電流負(fù)荷下的磁通密度、渦流密度分布與能耗。

2.2 計算結(jié)果及分析

當(dāng)導(dǎo)線通入電流為240 A時，線夾的磁通密度（簡稱磁密）矢量如圖2所示，各組件的磁通密度分布標(biāo)量如圖3（a—d）所示。

圖2 線夾磁通密度矢量

圖3 線夾各部件的磁通分布

由圖2、圖3可見，磁通密度集中在導(dǎo)線附近，線夾船體的線槽、壓條底部及U型螺栓兩端內(nèi)側(cè)處磁密較大，約為3.08 mT，離導(dǎo)線越遠(yuǎn)，磁密越小，回轉(zhuǎn)軸及U型螺栓端部較小，僅為0.45 mT。由于線夾所有組件均為樹脂材料，磁導(dǎo)率均和空氣相當(dāng)，因而線夾內(nèi)部磁密較小。

線夾及導(dǎo)線組合體電流密度矢量圖如圖4所示，標(biāo)量圖如圖5所示。

圖4 組合體電密矢量

圖5 組合體電密標(biāo)量

由圖4—5可知，線夾中無渦流密度分布，僅在導(dǎo)線中有電流密度。由于線夾整體為樹脂材質(zhì)，其電導(dǎo)率約為0 s/m，無渦流效應(yīng)。另因線夾組件為非鐵磁性材料，無磁滯損耗。經(jīng)仿真計算，線夾整體能耗為0 W。

由有限元分析可知，因線夾整體的材質(zhì)特性，無論線路電流大小如何變化，線夾都沒有電磁損耗。

3 電力金具能耗的實驗室模擬試驗

3.1 試驗方法

試驗在環(huán)境溫度為（15～30）℃的恒溫室中進(jìn)行，試驗布置應(yīng)避免其他磁性物質(zhì)對模擬線路和試樣的電能損耗產(chǎn)生干擾，測量金具的能耗采用差值法，測試方案分為兩個階段：

（1）選用金具適用導(dǎo)線范圍內(nèi)的最大截面導(dǎo)線，與試驗設(shè)備組成模擬試驗回路，在回路中通入工頻交流電流，待導(dǎo)線溫度恒定并恒溫30 min后，記錄試驗電流值、導(dǎo)線的工作溫度、導(dǎo)線兩端電位測點之間的能耗實測數(shù)值，為后續(xù)測試提供基準(zhǔn)數(shù)值。

（2）保持相同的環(huán)境條件，在模擬試驗回路上按金具的實際工作狀態(tài)安裝金具，在回路中通入相同的工頻交流電流，待導(dǎo)線溫度恒定并恒溫30 min后，再次記錄試驗電流值、導(dǎo)線的工作溫度、導(dǎo)線兩端電位測點之間的能耗實測數(shù)值。

將第二階段測得的能耗數(shù)值與第一階段測得的能耗數(shù)值相減，其差值即為安裝金具時模擬回路的能耗與未安裝金具時模擬回路的能耗差值，即為該金具的能耗。

3.2 鑄鐵類材質(zhì)金具能耗

鑄鐵類材質(zhì)金具選擇XGU-4懸垂線夾為例，試樣外觀經(jīng)肉眼檢查無明顯缺陷。

（1）試驗布置及通流測試。為確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，將5個試樣呈串聯(lián)形式安裝在導(dǎo)線上，為避免線夾之間的相互影響，其間距不小于0.5 m，測試布置圖如圖6所示。

圖6 XGU-4懸垂線夾能耗試驗布置

為了保證試驗數(shù)據(jù)的可靠準(zhǔn)確，選擇性能相對鋁導(dǎo)線穩(wěn)定的軟銅導(dǎo)線TR作為試驗參照導(dǎo)線，根據(jù)懸垂線夾XGU-4的適用導(dǎo)線外徑范圍，選取適用的最大規(guī)格240 mm2的截面積；在導(dǎo)線表面綁定測試系統(tǒng)的pt100測溫探頭，用耐熱的聚四氟乙烯自黏帶纏繞緊密，確保溫度采集準(zhǔn)確可靠；在試驗場地放置環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，距試驗回路一定距離監(jiān)測環(huán)境狀況，以免受到回路熱影響；同時在試驗回路的兩端用銅絲在導(dǎo)線上緊扎后引出接入測試系統(tǒng)的電位測試端。

（2）通流測試。試驗時保持室溫為（18±1）℃，按照試驗方案，在試驗回路中依次通入500～1 030 A（選取8個電流值）進(jìn)行測試，試樣數(shù)量為5個。

（3）試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析。用差值法計算金具的損耗，統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鑄鐵類材質(zhì)XGU-4測試數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可知，鑄鐵類材質(zhì)的電力金具能耗較大，且隨著輸配電線路電流的增加，金具能耗增長很快。

3.3鋁合金材質(zhì)金具能耗

以鋁合金材質(zhì)的XGH-4懸垂線夾為例，試樣經(jīng)肉眼檢查無明顯缺陷。

（1）試驗布置及通流測試，試樣數(shù)量為5個，試驗布置同圖6所示。

（2）試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析。根據(jù)測得的結(jié)果用差值法計算金具的損耗，統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鋁合金材質(zhì)XGH-4測試數(shù)據(jù)

由表2中數(shù)據(jù)可知，鋁合金材質(zhì)金具的能耗相對鑄鐵材質(zhì)金具明顯減小，只占鑄鐵材質(zhì)金具能耗的5%～10%，節(jié)能效果明顯。

3.4 復(fù)合材質(zhì)金具能耗

以復(fù)合材料材質(zhì)的懸垂線夾CGH-4為例，試樣經(jīng)肉眼檢查無明顯缺陷。

（1）試驗布置及通流測試，試樣數(shù)量為5個，試驗布置同圖6所示。

（2）試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析。根據(jù)測得的結(jié)果用差值法計算金具的損耗，統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3中數(shù)據(jù)可知，復(fù)合材料金具在不同電流負(fù)荷下均無能耗，且試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)值。究其原因，這是因為復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)相比空氣大10倍左右，在測試的第二階段安裝復(fù)合材料金具后，局部金具安裝處的散熱效果變好，在試驗電流不變的情況下試驗導(dǎo)線的溫度下降，實測的溫度數(shù)據(jù)亦佐證此現(xiàn)象，因此第二階段試驗導(dǎo)線的能耗相對第一階段減小，導(dǎo)致負(fù)值的出現(xiàn)。

表3 復(fù)合材料材質(zhì)CGH-4測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

經(jīng)過有限元仿真和實驗室測試，均表明復(fù)合材料電力金具的能耗大大低于鑄鐵類金具，也低于鋁合金金具，在輸電線路中有必要推廣應(yīng)用復(fù)合材料金具，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

[1]袁剛，尹德君，曾宏.新型電力節(jié)能金具的試驗研究[J].四川電力技術(shù)，2010，33（5）:7-9.

[2]徐乃管，吳渝生，白中琪.論開發(fā)應(yīng)用節(jié)能金具——鋁合金線夾的重要意義[J].電力建設(shè)，1998（1）:11-13.

（本文編輯：陸瑩）

Analysis on Simulation and Test of Energy Consumption of Composite Power Fittings

CHENG Yuntang，QIAN Nihua，CHEN Shaoyu，WANG Jianbin，WANG Cheng
（State Grid Quzhou Power Supply Company，Quzhou Zhejiang 324000，China）

Energy consumption of power fittings on transmission lines is always a matter of great concern.By finite element simulation，distribution and energy consumption of magnetic flux density and vortex density of power fittings are analyzed.Energy consumptions of cast ion fittings，aluminum alloy fittings and composite fittings are simulated and compared in the laboratory.The simulation analysis and simulation test show that the composite power fittings are significantly energy-efficient and are worth promotion and application.

transmission line；fittings；composite；energy consumption

TG113.22+6

B

1007-1881（2015）01-0027-04

2014-07-22

程云堂（1973），男，工程師，從事電力建設(shè)管理工作。