压缩型T型辅助线夹温度场仿真验证分析_魏震.pdf

河南科技Henan Science and Technology机械与动力工程总798期第4期2023年2月压缩型T型辅助线夹温度场仿真验证分析魏震王群锋汪恒朱鹏飞黄浩华（国网河南省电力公司直流中心，河南郑州450000）摘要：【目的】为了在不停电、不拆除的状态下更换原发热线夹及导线，可在原发热线夹背面加装一螺栓连接T型辅助线夹，并与原发热线夹形成并联的关系，来降低回路电阻。【方法】通过在Comsol软件的电磁热场中建立环境状态温升的有限元模型，最终得到压缩型T型辅助线夹、螺栓连接辅助线夹与原发热线夹之间的温度场分布结果。【结果】仿真结果表明，在不加装压缩型T型辅助线夹时，线夹乃至线路的整体温度较高。在添加压缩型T型辅助线夹后，整体温度比之前有所降低。【结论】研究结果表明，在添加压缩型T型辅助线夹后，整体电阻降低，线夹的发热量得到有效控制。关键词：T型辅助线夹；有限元；温度场；回路电阻中图分类号：TH165.3文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）04-0045-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.04.009Simulation and Verification Analysis of Temperature Field ofCompression T-Type Auxiliary ClampWEI ZhenWANG QunfengWANG HengZHU PengfeiHUANG Haohua(DC Center of State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou 450000,China)Abstract:Purposes In order to replace the primary hot wire clamp and wire without power failure andremoval,a bolt is added to the back of the primary hot wire clamp to connect the T-type auxiliary clamp,and a parallel relationship is formed with the primary hot wire clamp to reduce the loop resistance.Methods By establishing a finite element model of environmental temperature rise in the electromagnetic thermal field of Comsol software,the temperature field distribution results between the compressedT-type auxiliary clamp,the bolted auxiliary clamp and the primary hot clamp are finally obtained.Findings The simulation results show that the overall temperature of the clamp and even the line is higherwhen the compressed T-type auxiliary clamp is not installed.After adding a compressed T-type auxiliary clamp,the overall temperature is lower than before.Conclusions The results show that after adding the compressed T-type auxiliary clamp,the overall resistance is reduced,and the calorific value ofthe clamp is effectively controlled.Keywords:T-type auxiliary clamp;Finite element;Temperature field;Loop resistance0引言作为接续金具的线夹，其在高压架空输电线路中广泛使用1。线夹是一种用于导线，并能满足机械和电气性能要求的金属连接件。根据架空线路中常用的导线标准可知，导线的温度一般为70。由 架空送电线路运行规程（DL/T 7412001）中的规定可知，接续金具的最高温度不超过收稿日期：2022-10-12作者简介：魏震（1993），男，本科，工程师，研究方向：换流站一次设备检修、试验。46第4期导线温度的 10 2-3，故线夹的最高运行温度在80 左右。在连接线路中，由于受工艺、环境等因素的限制，引流线夹会出现不良连接的情况4，并随着输电线路容量的增大，线夹过热的发生频率也逐渐增大，存在一定的电力安全隐患，严重时甚至会威胁到整个电力系统的安全。T 型线夹的材质一般为紫铜，在线夹严重发热时，其强度会受到影响，不具备自恢复性5。此时的线夹若是得不到及时有效的处理，发热情况将会继续加剧，严重时甚至会导致导线断裂，从而对电网、设备及人身安全造成威胁6-8。本研究基于灵宝换流站换流变压器间隔引线中A相线夹发热的问题，通过有限元仿真计算法来验证分析线夹发热的原因，并提出一种通过降低回路电阻来治理导流线夹发热的方法，经仿真与实测证明，该方法对治理导流线夹发热问题具有较大的应用参考价值。1原理分析红外测试设备对线路进行测量后得到的图谱分析结果如图1所示。由图1可以看出，发热部位位于线路的压接管处，初步认为该压接管发热是因压接管与钢芯铝绞线间的压接产生松动，从而使接触电阻增大，最终导致线夹发热。从图1可以看出，线夹的最高温度为64.7，最低温度为8.1。该红外温度测量结果是在室外温度8、风速4 ms1、通过电流580.6 A的情况下所测得的。为了解决线夹发热严重的问题，在不拆除、不更换原发热线夹及导线的前提下，在原发热线夹的背面加装一螺栓，用于连接辅助线夹，其与原发热线夹在机械上呈背靠背的连接结构，在电气上形成并联的连接结构，从而减小回路的电阻，并进行仿真验证分析。新加装的压缩型T型辅助线夹与通过螺栓连接辅助线夹如图2所示，框内为新加装的压缩型T型辅助线夹。改装后的原理如图3所示。I为流过此线路的电流，R1、R2分别为螺栓连接辅助线夹、新加装的压缩型T型辅助线夹的回路电阻，I1、I2分别为通过螺栓连接辅助线夹、新加装的压缩型T型辅助线夹的电流。当新加装的压缩型辅助线夹出现故障时，将会导致R2增大。由欧姆定律可知，并联电流之比与其电阻之比成反比关系，即I1/I2=R2/R1。此时，电流主要通过新加装的压缩型T型辅助线夹，从而使原线夹的发热问题得到治理。线夹发热量与散热量之间有一个平衡点，如果发热量大于散热量，线夹的温度就会持续上升，严重时甚至能看到线夹表面发红。根据焦耳定律可知，电流通过导体产生的热量跟电流的二次方64.7 8.1 图1改装前A线夹发热图谱图2改装后线路实物图图3改装后等效电气图IR2R1I2I1I魏震，等.压缩型T型辅助线夹温度场仿真验证分析第4期47成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。2压缩型T型线夹温度分布仿真2.1压缩型T型线夹几何模型的建立本研究以压缩型T型辅助线夹为研究对象，根据该线夹与LGJ 680/80 mm2导线的实际结构尺寸，在合理简化的基础上，使用Solidworks软件建立三维模型，并将其导入至Comsol软件中，在Comsol中选择电磁-热场，建立电磁场与热场的三维有限元分析模型，该模型的线夹及导线各部分的结构如图4所示。将导线等效为铝材质的圆柱体，其中A、B、C分别为原发热线夹、螺栓连接的辅助线夹、新加装的压缩型T型辅助线夹。2.2电磁-热场模型的建立2.2.1通过调用Comsol中的电磁-热物理场，添加电连接线夹的材料属性，线夹的材质为紫铜。在仿真过程中，通过导体的电流为580.6 A，环境温度为8。当线路正常运行时，电流会从图4所示的电路右端进入，从上端和左端流出。电流除了会流过线夹外，还会流过3个接触电阻。一是导线与原发热线夹本体压接而产生的接触电阻，即图4中的A段；二是由螺栓固定连接线夹与导线压接而产生的接触电阻，即图4中的B段；三是新加装压缩型T型辅助线夹与导线压接而产生的接触电阻，即图4中的C段。2.2.2划分网格。模型网格划分的精细度会对有限元的仿真结果产生影响，在进行有限元网格划分时，划分的网格越细密，计算得到的结果就越准确，但仿真计算所需的时间也会随之增加。因此，在仿真计算过程中，不仅要考虑仿真计算结果的精确度，还要考虑仿真计算所需的时间。由于所建立的模型结构和空气模型的形状均为不规则形状，综合考虑多种因素，模型采用自由网格进行划分，从而得到线夹、导线、空气间的有限元模型网格划分结果。2.2.3导线热量的散失有两种情况。一部分热量通过绝缘体以热传导的形式消散掉，另一部分热量通过导线与空气间的对流，最终在导体和空气间达到一种动态热平衡的状态。由于导线与线夹之间存在的辐射散热在热分析中的影响相对较小，因此导线与线夹之间的辐射散热可忽略不计，且在该模型中不存在绝缘材料，故只考虑导线与T型辅助线夹、螺栓连接辅助线夹和原发热线夹之间的热传导，以及导线与空气的对流散热两种传热方式。内部传导散热。导线与压缩型T型辅助线夹、螺栓连接的辅助线夹、原发热线夹之间所产生的热量主要是通过热传导的形式进行消散，在导线与接续线夹之间达到热稳态后，其内部的传导散热的计算公式见式（1）。2T x2+2T y2+2T z2=-q（1）式中：T为接续线夹的发热温度，；为接续线夹的导热系数，W/（M）；q为热源在单位体积中产生的热生成率，W/m3；x、y、z为三维坐标。等式右侧q旁的符号为热量的流动方向，正号表示温度由低到高的方向，负号表示温度由高到低的方向。表面对流散热。电流与导线间的热量传递，导线与压缩型 T 型辅助线夹、螺栓连接的辅助线夹、原发热线夹之间的热量传递称为表面对流散热。导线、压缩型T型辅助线夹、螺栓连接的辅助线夹、原发热线夹与外界空气间的散热是自然对流散热，其计算公式见式（2）。q=hf(Ts-TB)（2）式中：q为单位时间内传递的热量，W；hf为导线、压缩型T型辅助线夹、螺栓连接的辅助线夹、原发热线夹与空气间的对流换热系数，W/（m2）；Ts为导线、线夹表面的温度，；TB为周围空气的温度，。线夹与空气之间的热量交换，即热通的计算公式见式（3）。hf=3.25 (Ts-TB)0.25（3）因此，对导线与线夹表面施加的自然对流系数为5 W/（m2）。魏震，等.压缩型T型辅助线夹温度场仿真验证分析图4加装压缩型T型引流线夹后模型新加装压缩型T型辅助线夹原发热线夹BAC48第4期2.2.4压缩型T型辅助线夹、螺栓连接的辅助线夹、原发热线夹的主材料为紫铜，导线的主材料为铝，电流通过集肤效应在导线的表面进行流通。所以，当有电流流经铝导线时，因铝与铜存在着接触电阻，故会产生一定的热量，该热量的计算公式见式（4）。P=I2R（4）式中：I为流过导线的电流，A；R为导线与压缩型T型辅助线夹、螺栓连接的辅助线夹、原发热线夹之间的接触电阻，。其热生成率的计算公式见式（5）。Q=PV=I2Rr2l（5）式中：Q为单位体积的热生成率，W/m3；P为导线的发热功率，W；r为导线的半径，m；l为选取导线长度，m；V 为导线与线夹接触部分的接触线体积，m3。3压缩型T型线夹温度分布仿真分析3.1添加压缩型T型线夹温度分布情况添加装压缩型T型辅助线夹后的仿真结果如图5所示。由图5可知，导线的最高温度为13.9，最低温度为10.1。线夹的发热温度低于标准所规定的温度。3.2无压缩型T型线夹温度分布情况未加装压缩型T型辅助线夹的仿真结果如图6所示。由图6可知，导线的最高温度为68.6，最低温度为63.8。线夹的温度相较于添加压缩型T型辅助线夹的温度要高出54.7。由欧姆定律可知，加装压缩型T型辅助线夹后，线夹的发热量减小。3.3实测数据分析通过红外测温设备对改装前后的接续线夹部位进行测量。由图1可知，未加压缩型T型辅助线夹前的最高温度为 64.7，该结果是在冬季测量得到的，若是在夏季，室外温度高达40，在长期的曝晒下，接续线夹位置的温度很可能会超过80，存在一定的电力安全隐患，且在停电后对回路电阻进行测量，测得的回路电阻为587，远大于20，不满足交流场回路电阻的要求。在加装一压缩型T型辅助线夹后，通过红外测温设备对其进行测量，结果如图7所示。由图7可知，加装压缩型 T 型辅助线夹前的最高温度为8.2，最低温度为7.4，改装后的线夹部位温度明显降低。在停电检修期间，再次对加装压缩型T型辅助线夹后的回路电阻进行测量，测量结果如图 8 所示，测量值为6.4，小于20，满足交流场回路电阻的要求。魏震，等.压缩型T型辅助线夹温度场仿真验证分析图5加装压缩型T型辅助线夹温度分布13.9C13.513.012.512.011.511.010.510.1图6未加压缩型T型辅助线夹温度分布68.668.568.067.567.066.566.065.565.064.564.063.8 图7改装后A线夹发热图谱C8.27.4CC第4期494结语通过有限元对加装压缩型T型辅助线夹的不同情况进行计算分析，结果表明，不加装压缩型T型辅助线夹的温度比添加压缩型T型辅助线夹的温度高出54.7，并通过测量回路电阻的方式进行验证，在加装压缩型T型辅助线夹后，随着回路电阻的减小，线夹的温度也随之降低。通过实际测量结果与仿真结果的对比，验证该方法是可行的，对日后治理换流站线夹发热问题具有一定的参考价值。参考文献：1 汪恒，魏震，王群锋，等.换流站进线线夹发热隐患治理研究 J.电线电缆，2022（4）：41-44.2 罗伟.超高压输电线路T型线夹发热断线原因分析 J .机械研究与应用，2022，（2）：133-135.3 杨浩隆，唐静，付彬彬，等.基于有限元的C型线夹强度分析及优化设计 J.电工技术，2022（15）：118-119，123.4 刘光辉，杨晓辉，叶中飞，等.输电线路耐张线夹模锻压接质量分析及实验研究 J.热加工工艺，2023（3）：106-111，119.5 杨浩隆，唐静，付彬彬.基于ANSYSWorkbench楔形耐张线夹的有限元分析 J.农村电气化，2022（5）：79-81.6 岳嵩，常伟，李畅，等.考虑接触电阻的耐张线夹引流板发热故障检测 J.电力电子技术，2022（2）：59-61，96.7 李洋洋，孙艳，董龑，等.110kV隔离开关线夹发热故障分析与研究 J.高压电器，2021（12）：195-200.8 黄双得.三起输电线路线夹发热原因分析 J.农村电气化，2021（5）：79-80.魏震，等.压缩型T型辅助线夹温度场仿真验证分析图8回路电阻测量100.6 A2021-01-04 09 1012.2【测 试 停 止】6.4 保存100A快速返回金江瀚QR CODERUNSTOPPOWERLOOPRESISTORTESTER公 示根据河南省新闻出版局 关于开展2022年度新闻记者证核验工作的通知 要求，我社对现有持证人员进行了严格审核，现将拟通过年度核验人员名单公示如下：翟媛媛举报电话：河南 创新科技 杂志社 0371-61316590