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

（國網河南省電力公司直流中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

作為接續金具的線夾，其在高壓架空輸電線路中廣泛使用［1］。線夾是一種用于導線，并能滿足機械和電氣性能要求的金屬連接件。根據架空線路中常用的導線標準可知，導線的溫度一般為70℃。由《架空送電線路運行規程》（DL/T 741—2001）中的規定可知，接續金具的最高溫度不超過導線溫度的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、環境等因素的限制，引流線夾會出現不良連接的情況［4］，并隨著輸電線路容量的增大，線夾過熱的發生頻率也逐漸增大，存在一定的電力安全隱患，嚴重時甚至會威脅到整個電力系統的安全。T型線夾的材質一般為紫銅，在線夾嚴重發熱時，其強度會受到影響，不具備自恢復性［5］。此時的線夾若是得不到及時有效的處理，發熱情況將會繼續加劇，嚴重時甚至會導致導線斷裂，從而對電網、設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相線夾發熱的問題，通過有限元仿真計算法來驗證分析線夾發熱的原因，并提出一種通過降低回路電阻來治理導流線夾發熱的方法，經仿真與實測證明，該方法對治理導流線夾發熱問題具有較大的應用參考價值。

1 原理分析

紅外測試設備對線路進行測量后得到的圖譜分析結果如圖1所示。由圖1可以看出，發熱部位位于線路的壓接管處，初步認為該壓接管發熱是因壓接管與鋼芯鋁絞線間的壓接產生松動，從而使接觸電阻增大，最終導致線夾發熱。從圖1可以看出，線夾的最高溫度為64.7℃，最低溫度為8.1℃。該紅外溫度測量結果是在室外溫度8℃、風速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線夾發熱圖譜

為了解決線夾發熱嚴重的問題，在不拆除、不更換原發熱線夾及導線的前提下，在原發熱線夾的背面加裝一螺栓，用于連接輔助線夾，其與原發熱線夾在機械上呈背靠背的連接結構，在電氣上形成并聯的連接結構，從而減小回路的電阻，并進行仿真驗證分析。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。當新加裝的壓縮型輔助線夾出現故障時，將會導致R2增大。由歐姆定律可知，并聯電流之比與其電阻之比成反比關系，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，從而使原線夾的發熱問題得到治理。

圖3 改裝后等效電氣圖

線夾發熱量與散熱量之間有一個平衡點，如果發熱量大于散熱量，線夾的溫度就會持續上升，嚴重時甚至能看到線夾表面發紅。根據焦耳定律可知，電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，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，根據該線夾與LGJ 680/80 mm2導線的實際結構尺寸，在合理簡化的基礎上，使用Solidworks軟件建立三維模型，并將其導入至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，該模型的線夾及導線各部分的結構如圖4所示。將導線等效為鋁材質的圓柱體，其中A、B、C分別為原發熱線夾、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，線夾的材質為紫銅。在仿真過程中，通過導體的電流為580.6 A，環境溫度為8℃。當線路正常運行時，電流會從圖4所示的電路右端進入，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。一是導線與原發熱線夾本體壓接而產生的接觸電阻，即圖4中的A段；二是由螺栓固定連接線夾與導線壓接而產生的接觸電阻，即圖4中的B段；三是新加裝壓縮型T型輔助線夾與導線壓接而產生的接觸電阻，即圖4中的C段。

2.2.2 劃分網格。模型網格劃分的精細度會對有限元的仿真結果產生影響，在進行有限元網格劃分時，劃分的網格越細密，計算得到的結果就越準確，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構和空氣模型的形狀均為不規則形狀，綜合考慮多種因素，模型采用自由網格進行劃分，從而得到線夾、導線、空氣間的有限元模型網格劃分結果。

2.2.3 導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的形式消散掉，另一部分熱量通過導線與空氣間的對流，最終在導體和空氣間達到一種動態熱平衡的狀態。由于導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，故只考慮導線與T型輔助線夾、螺栓連接輔助線夾和原發熱線夾之間的熱傳導，以及導線與空氣的對流散熱兩種傳熱方式。

①內部傳導散熱。導線與壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發熱線夾之間所產生的熱量主要是通過熱傳導的形式進行消散，在導線與接續線夾之間達到熱穩態后，其內部的傳導散熱的計算公式見式（1）。

式中：T為接續線夾的發熱溫度，℃；λ為接續線夾的導熱系數，W/（M·℃）；q為熱源在單位體積中產生的熱生成率，W/m3；x、y、z為三維坐標。等式右側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，負號表示溫度由高到低的方向。

②表面對流散熱。電流與導線間的熱量傳遞，導線與壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發熱線夾之間的熱量傳遞稱為表面對流散熱。導線、壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發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為單位時間內傳遞的熱量，W；hf為導線、壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發熱線夾與空氣間的對流換熱系數，W/（m2·℃）；Ts為導線、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，對導線與線夾表面施加的自然對流系數為5 W/（m2·℃）。

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

式中：I為流過導線的電流，A；R為導線與壓縮型T型輔助線夾、螺栓連接的輔助線夾、原發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為導線的發熱功率，W；r為導線的半徑，m；l為選取導線長度，m；V為導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果如圖5所示。由圖5可知，導線的最高溫度為13.9℃，最低溫度為10.1℃。線夾的發熱溫度低于標準所規定的溫度。

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果如圖6所示。由圖6可知，導線的最高溫度為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 實測數據分析

通過紅外測溫設備對改裝前后的接續線夾部位進行測量。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℃，該結果是在冬季測量得到的，若是在夏季，室外溫度高達40℃，在長期的曝曬下，接續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行測量，測得的回路電阻為587μΩ，遠大于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，通過紅外測溫設備對其進行測量，結果如圖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行測量，測量結果如圖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 結語

通過有限元對加裝壓縮型T型輔助線夾的不同情況進行計算分析，結果表明，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。通過實際測量結果與仿真結果的對比，驗證該方法是可行的，對日后治理換流站線夾發熱問題具有一定的參考價值。