金屬線夾類設(shè)備溫度與電流關(guān)系

鄒學(xué)偉，李日波，王 文，劉鄭哲

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司衡陽(yáng)供電分公司，湖南衡陽(yáng)421001)

金屬線夾類設(shè)備溫度與電流關(guān)系

鄒學(xué)偉，李日波，王 文，劉鄭哲

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司衡陽(yáng)供電分公司，湖南衡陽(yáng)421001)

分析不同接觸狀況下金屬線夾類設(shè)備的溫度與電流關(guān)系，提出一種溫度與電流關(guān)系的二階模型，根據(jù)輕載狀態(tài)下的發(fā)熱情況來(lái)預(yù)測(cè)重載時(shí)的溫度。

紅外檢測(cè)；線夾類設(shè)備；溫度預(yù)測(cè)

隨著紅外檢測(cè)技術(shù)的不斷成熟和日臻完善，其作為一項(xiàng)簡(jiǎn)單、快捷的檢測(cè)手段，廣泛應(yīng)用在電力設(shè)備的帶電檢測(cè)中。通過(guò)紅外檢測(cè)技術(shù)獲得帶電設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息〔1〕，進(jìn)而診斷設(shè)備是否存在缺陷并判斷缺陷類型，使得電力設(shè)備從傳統(tǒng)的預(yù)防性檢修提高到預(yù)知性狀態(tài)檢修，對(duì)增加設(shè)備運(yùn)行可靠性、提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。

金屬線夾類設(shè)備作為電力系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備之間的連接部位，種類和數(shù)量繁多，且由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在空氣中，表面易被氧化銹蝕。表面銹蝕以及連接螺栓緊固程度等原因都會(huì)影響到其接觸電阻，從而導(dǎo)致不同程度發(fā)熱〔2〕。文中通過(guò)一系列試驗(yàn)?zāi)M金屬線夾類設(shè)備一定條件下的發(fā)熱情況，分析不同接觸條件下線夾溫度與電流的關(guān)系。根據(jù)輕載狀態(tài)下的發(fā)熱情況來(lái)預(yù)測(cè)重載時(shí)的溫度，結(jié)合DL/T 664《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》，對(duì)金屬線夾類設(shè)備發(fā)熱情況給出判斷，盡量在高溫高負(fù)荷前進(jìn)行消缺，以指導(dǎo)電力生產(chǎn)，保障電力供應(yīng)。

1 理論基礎(chǔ)

首先引入相對(duì)溫差的概念，即兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)溫升的比值，如下式:

式中 T0為環(huán)境參照體的溫度；T1，τ1為發(fā)熱點(diǎn)的溫度及溫升；T2，τ2為正常點(diǎn)的溫度及溫升。

根據(jù)參考文獻(xiàn)〔2〕，假設(shè)溫升τ1＝B1R1Ik1和τ2＝B2R2Ik

2，B1≈B2時(shí)，可推導(dǎo)出:

式中 B1，B2為檢測(cè)點(diǎn)與散熱條件有關(guān)的系數(shù)；R1，R2為檢測(cè)點(diǎn)的接觸電阻值。一般情況下，正常相的接觸電阻R2和廠家的規(guī)定值比較接近。

當(dāng)金屬線類導(dǎo)體通過(guò)一定的負(fù)荷電流時(shí)，其發(fā)熱功率為:

式中 Kf為附加損耗系數(shù)；I為通過(guò)的負(fù)荷電流，A；R為載流導(dǎo)體的電阻，Ω。對(duì)于空心導(dǎo)體或多股絞線，通常均可認(rèn)為Kf＝1。對(duì)于金屬類導(dǎo)體的連接部位而言，式(3)的電阻R可用連接部位的接觸電阻Rc代替。故可將式(3)改寫為:

研究表明，當(dāng)運(yùn)行溫度在200℃以下時(shí)，接觸電阻與溫度的變化關(guān)系可以表示為〔4〕:

式中 Rc0為0℃時(shí)的接觸電阻，Ω；α為接觸金屬的電阻溫度系數(shù)，1/℃；T為運(yùn)行溫度，℃。接觸電阻Rc與接點(diǎn)溫度呈線性關(guān)系。

綜合式(2)、式(4)和式(5)可知，當(dāng)金屬類導(dǎo)體的負(fù)荷電流一定時(shí)，其發(fā)熱功率、運(yùn)行溫度以及相對(duì)溫差都隨接觸電阻的增大而增大；當(dāng)負(fù)荷電流在變化時(shí)，發(fā)熱功率發(fā)生相應(yīng)變化，運(yùn)行溫度隨之變化，進(jìn)而影響相對(duì)溫差。

2 試驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析

從負(fù)荷電流特征來(lái)看，導(dǎo)體發(fā)熱原因可以分為長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)熱和短時(shí)沖擊發(fā)熱，且熱點(diǎn)溫度和負(fù)荷電流大小有關(guān)。將試驗(yàn)分為連續(xù)性負(fù)載試驗(yàn)和沖擊負(fù)載試驗(yàn)。如圖1所示，模擬金屬線夾類設(shè)備的發(fā)熱情況，分為以下4個(gè)試驗(yàn)過(guò)程。

圖1 金屬線夾類設(shè)備的發(fā)熱模擬

2.1 接觸不良狀況下的連續(xù)性負(fù)載試驗(yàn)

試驗(yàn)1:單獨(dú)螺栓緊固，導(dǎo)電情況不良，在不通流情況下，接觸電阻約為10 mΩ，通流范圍0～230 A，每次增加10 A電流，待線夾溫度穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量，該發(fā)熱最高點(diǎn)主要是兩個(gè)銅鋁對(duì)接線夾的接觸面外端，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 接觸不良連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果

圖3為模擬后的函數(shù)曲線與原始曲線圖比對(duì)圖，從圖3中可以看到，擬合曲線與實(shí)際曲線非常接近，說(shuō)明在電流小于200 A下的溫升-電流曲線近似于二階模型。因?yàn)榇四Ｐ驮跀?shù)據(jù)分析做擬合的時(shí)候，采用的是設(shè)備實(shí)際溫度，故此模型包含了環(huán)境溫度、接觸電阻的影響，再做其他設(shè)備的預(yù)測(cè)模型時(shí)應(yīng)修正其參數(shù)，即式(6)中的二階修正系數(shù)“0.001 3”、一階修正系數(shù)“-0.028 8”和零階修正系數(shù)“30.4”均會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

表1 選取點(diǎn)的電流及其對(duì)應(yīng)溫度

圖3 連續(xù)試驗(yàn)?zāi)M與原始曲線圖

2.2 接觸良好情況下的連續(xù)負(fù)載試驗(yàn)

試驗(yàn)2:單獨(dú)螺栓緊固，接觸情況良好，不通流情況下，接觸電阻約為50 μΩ，通流范圍0～150 A，每次增加10 A電流，待溫度確定后進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)在正常通流情況下，接觸良好的導(dǎo)電線夾，隨著電流的增加溫升不明顯。

圖4 接觸良好連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 接觸不良情況下的沖擊負(fù)載試驗(yàn)

試驗(yàn)3:單獨(dú)螺栓緊固，導(dǎo)電情況不良，不通流情況下，接觸電阻約為10 mΩ。進(jìn)行0～100 A，0～200 A，0～300 A以及0～400 A沖擊試驗(yàn)，待溫度穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量，其試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 接觸不良沖擊試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如圖6所示的沖擊試驗(yàn)溫度曲線，將曲線趨于平穩(wěn)后的溫度與電流形成表2。將表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用如下的數(shù)學(xué)模型來(lái)擬合:

圖6 沖擊試驗(yàn)的溫度曲線

表2 沖擊電流與穩(wěn)定溫度數(shù)據(jù)表

圖7為模擬后的函數(shù)曲線與原始曲線比對(duì)圖，從圖7中可以看到，擬合曲線與實(shí)際曲線比較接近，誤差很小，說(shuō)明在沖擊負(fù)荷(＜400 A)下金屬線夾類設(shè)備的電流和溫升曲線也近似于二階模型。

圖7 沖擊試驗(yàn)下模擬與原始曲線圖

2.4 接觸良好情況下的連續(xù)沖擊負(fù)載試驗(yàn)

試驗(yàn)4:采用單獨(dú)螺栓緊固，導(dǎo)電情況較好，不通流情況下，接觸電阻約為50 μΩ。在0～400 A的負(fù)荷電流下，每間隔50 A進(jìn)行連續(xù)增流沖擊試驗(yàn)，其溫度原始曲線如圖8所示。可見(jiàn)其溫升與電流近似為線性關(guān)系。

圖8 接觸良好連續(xù)沖擊試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，可得到如下的初步結(jié)論:

1)當(dāng)金屬線夾類導(dǎo)體導(dǎo)電情況不好，接觸電阻較大時(shí)，在連續(xù)電流作用下，其穩(wěn)定溫度與電流關(guān)系可近似用二階模型擬合，二階修正系數(shù)較小；在突變?cè)隽髯饔孟拢瑴厣^(guò)程快，其溫度與電流關(guān)系也可近似用二階模型擬合。

2)當(dāng)金屬線夾類導(dǎo)體導(dǎo)電情況較好，接觸電阻較小時(shí)，在連續(xù)電流作用下，溫升不明顯，其穩(wěn)定溫度與電流關(guān)系不大；在突變?cè)隽髯饔孟拢瑴厣^(guò)程較快，其溫度與電流關(guān)系近似于線性關(guān)系(由于升壓過(guò)程較快，此時(shí)的溫度并不是最終的溫度)。

3 案例實(shí)踐

對(duì)220 kV真武變電站和110 kV高興變電站的各一處金屬線夾發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在負(fù)荷電流較低時(shí)各測(cè)量了一組數(shù)據(jù)，如表3所示。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，可以得到類似的數(shù)學(xué)模型，如式(8)和式(9)所示。

表3 低負(fù)荷下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

采用上述模型式(8)和式(9)預(yù)測(cè)高負(fù)荷時(shí)的溫度，并與實(shí)際測(cè)量溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4—5。

表5 高興變高橋A3163隔離開(kāi)關(guān)B相出線側(cè)線夾發(fā)熱點(diǎn)

從表4可知，在負(fù)荷電流小于200 A的情況下，二階預(yù)測(cè)模型有一定的預(yù)測(cè)效果，但存在一定的誤差，此時(shí)應(yīng)該根據(jù)其他情況對(duì)其系數(shù)進(jìn)一步修正；而從表5可知，采用單一的預(yù)測(cè)模型不具有普遍性，只有對(duì)某一類設(shè)備(材料相同、緊固情況及運(yùn)行環(huán)境相似的設(shè)備)，根據(jù)其低負(fù)荷電流下的數(shù)據(jù)形成此類設(shè)備的預(yù)測(cè)模型。

從上述兩個(gè)案例可知，在試驗(yàn)時(shí)以單獨(dú)螺栓緊固的線夾模擬運(yùn)行的金屬線夾類設(shè)備局限性很大。受接觸電阻、環(huán)境散熱能力等影響，單一的二階模型不具有預(yù)測(cè)的普遍性，對(duì)于不同運(yùn)行環(huán)境下的金屬線夾類設(shè)備應(yīng)采用不同的預(yù)測(cè)模型。

4 結(jié)論

通過(guò)一系列模擬試驗(yàn)初步探討了金屬線夾類設(shè)備的電流與溫度關(guān)系，以期根據(jù)在輕載狀態(tài)下的發(fā)熱情況來(lái)提前預(yù)測(cè)重載時(shí)的溫度，提出了一種簡(jiǎn)單的二階溫度-電流預(yù)測(cè)模型，得到如下結(jié)論:

1)在負(fù)荷電流較小(＜200 A)時(shí)，特定的接觸電阻和散熱能力下，金屬線夾類設(shè)備的溫度與電流具有二階的約束關(guān)系。針對(duì)某一類設(shè)備(材料相同、緊固情況及運(yùn)行環(huán)境相似的設(shè)備)，可以根據(jù)其低負(fù)荷電流下的數(shù)據(jù)形成此類設(shè)備的預(yù)測(cè)模型，在一定負(fù)荷電流范圍內(nèi)來(lái)預(yù)測(cè)其運(yùn)行溫度。

2)在用該二階溫度-電流模型進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，由于受到現(xiàn)場(chǎng)散熱能力、線夾接觸電阻隨溫度變化等因素的影響，單一溫度-電流模型不具有普遍性，需要進(jìn)行修正。

〔1〕王華偉.基于紅外熱成像的溫度場(chǎng)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究〔D〕.北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2013.

〔2〕晏敏，彭楚武，顏永紅，等.紅外測(cè)溫原理及誤差分析〔J〕.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，31(5):110-112.

〔3〕郎成，金光熙，徐丹，等.電氣設(shè)備相對(duì)溫差判斷法的影響因素分析〔J〕.紅外與激光工程，2011，40(1):28-31.

〔4〕平麗.基于紅外熱像技術(shù)的電接觸故障診斷〔D〕.焦作:河南理工大學(xué)，2010.

Discussion of the relationship between temperature and current for the metal clip devices

ZOU Xuewei，LI Ribo，WANG Wen，LIU Zhengzhe
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Hengyang Supply Company，Hengyang 421001，China)

In this paper，it is explored to the metal clip relationship between temperature and current through a series of experiments and data analysis.The second-order model of temperature and current is put forward.Then，the temperature can be predicted according to the hearting situation under light load.

infrared detection；clamp device；temperature prediction

TM835.4

B

1008-0198(2016)02-0050-04

鄒學(xué)偉(1989)，男，碩士，助理工程師，主要從事電氣試驗(yàn)和帶電檢測(cè)工作。

李日波(1983)，男，碩士，工程師，技師，從事電氣設(shè)備技術(shù)監(jiān)督與絕緣技術(shù)管理工作。

王文(1967)，男，高級(jí)技師，從事電氣試驗(yàn)和帶電檢測(cè)。

劉鄭哲(1983)，男，技師，從事電氣設(shè)備技術(shù)監(jiān)督與絕緣技術(shù)管理工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.012

2015-12-29 改回日期:2016-02-24