牽引變電所裸導體集中過熱分析

彭豫忞

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西忻州 034000）

0 前言

龍宮變電所地處山西原平市軒崗鎮，所內牽引側27.5 kV 母線及饋線區為雙軟母線并聯接線，采用240/30 鋼芯鋁絞線。自2018 年6月—2019 年6 月，龍宮變電所牽引設備共發生示溫蠟片過熱變色缺陷17 處，其中6LHT 相鋼芯鋁絞線還發生了斷股、散股、熔化跡象。同周期下，其他所亭過熱缺陷數量為：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 環境對龍宮變電所軟母線的影響

1.1 鋼芯鋁絞線溫度受環境溫度影響分析

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

表1 鋼芯鋁絞線受環境溫度影響 ℃

由此可知，當龍宮變電所環境溫度為30 ℃、風力為0.5 m/s時，所內鋼芯鋁絞線溫度應為42.8 ℃左右。

1.2 鋼芯鋁絞線溫度受風速影響分析

查閱6 月28 日10：00—6 月29 日10：00 原平市風力（圖1）。因為風力越小鋼芯鋁絞線散熱效果越差，為了分析龍宮設備過熱原因，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 級風力的情況。

圖1 夏季24 h 原平市風力變化

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

表2 不同環境溫度下風速與導線溫升的關系

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

軒崗鎮平均海拔1752 m，裸導體載流能力在不同海拔及溫度下的校正系數見表3：環境溫度30 ℃時，龍宮變電所內鋼芯鋁絞線校正系數為0.919，而240/30 鋼芯鋁絞線25 ℃的標準載流量是610 A。

表3 裸導體載流能力在不同海拔及溫度下的校正系數

鋼芯鋁絞線的允許電流可利用下式計算：

其中，I1為當前溫度下導線的允許電流值；I2為標準溫度下導線的允許電流值；Kt為允許電流的溫度校正系數。

根據公式及軒崗鎮海拔高度，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 ℃環境溫度時的載流能力為610×0.919=560 A。

經過統計，6 月21—25 日，龍宮饋線211～214 出現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母線及饋線區均是雙軟母線并聯結構，考慮并聯分流，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，由于主變低壓側母線及饋線區均是雙軟母線并聯結構，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需要，應更換為更大截面積鋼芯鋁絞線。300/25 鋼芯鋁絞線25 ℃的標準載流量是690 A，在龍宮變電所30 ℃時的載流能力校正后，690×0.919=634 A，容許的持續載流值已經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

設定龍宮變電所海拔1752 m，風速v=0.5 m/s，環境溫度30 ℃。通過上面分析，240/30 鋼芯鋁絞線經過校正系數調整，載流值為560 A，300/25 鋼芯鋁絞線經過校正系數調整，載流值為634 A。則正常負荷的發熱溫度計算如下：

其中，θ0為導體空載無流時的溫度，設定為龍宮環境30 ℃時，鋼芯鋁絞線空載50 ℃的極端值；θe為導體的正常最高容許溫度，設定為70 ℃；IF為導體中通過的長期最大負荷電流，設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為導體容許電流，為導體額定電流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 鋼芯鋁絞線計算結果為：

300/25 鋼芯鋁絞線計算結果為：

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，溫度低于導體最高允許溫度70 ℃，而目前的240/30 鋼芯鋁絞線已經溫度超標。

2.3 鋼芯鋁絞線與線夾接觸電阻的溫升計算

分析過熱時，不應只考慮導體本身載流時的發熱，還應考慮在導體末端兩個導體之間的接觸電阻在電流經過時產生的發熱。

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，如果因為內部臟污或螺栓松動，假設回路電阻達到500 μΩ，則在600 A 電流持續30 s的情況下，單根鋼芯鋁絞線發熱量Q=600×600×500×10-6×30=5400 J，又因為：

其中，Q為發熱量；C為鋁的比熱容，取0.88×103J（/kg·℃）；m為導體重量，設定重量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境溫度30 ℃，無風，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）。可以看出，更改配置后，降溫效果明顯。

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

龍宮變電所同樣在環境溫度30 ℃情況下，風力0 級（0 m/s）與風力1 級（0.3～1.5 m/s）的溫升可相差10 ℃左右，在風力達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，風力0 級的情況為少數。

3 節能與降耗

通過上述分析可知，龍宮變電所牽引側27.5 kV 母線及饋線區應更換300/25 鋼芯鋁絞線，可以使30 ℃環境溫度時校正系數為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 ℃。線夾應為全鋁質，若有銅鋁接觸面則應放置過渡板。

改造后除了使牽引變電所載流能力提升外，在節能與降耗方面產生顯著的經濟效益。LGJ-240 鋼芯鋁絞線單位電阻為0.131 Ω/km，雙股并聯后近似為0.066 Ω/km，LGJ-300 鋼芯鋁絞線單位電阻為0.105 Ω/km，雙股并聯后近似為0.053 Ω/km。設定龍宮牽引變電所功率因數為0.9，則有功功率為1 kV·A×0.9=900 W。

設定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 鋼芯鋁絞線每秒節省105.6-84.8=20.8 kV·A。1 s 節省95.04-76.32=18.72 kW，1 h 節省18.72×3600=67 392 kW·h，即67 392kW·h。按大工業用電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省的電費，也可以在日積月累下變的相當可觀，隨著運行時間的持續逐漸收回改造工程成本。

4 結束語

鋼芯鋁絞線與其線夾的過熱及載流容量匹配問題，應從環境、載流、接觸電阻等因素多方面考慮，而不能在只掌握部分數據時武斷定下結論。在綜合計算后，對于確實有必要進行改造的變電所，還應比對改造施工經費與施工后節能降耗效益的關系，確定最佳施工方案。