复合材料电力金具能耗仿真与试验分析

程云堂，钱尼华，陈韶昱，王键宾，王成

（国网浙江省电力公司衢州供电公司，浙江衢州324000）

复合材料电力金具能耗仿真与试验分析

程云堂，钱尼华，陈韶昱，王键宾，王成

（国网浙江省电力公司衢州供电公司，浙江衢州324000）

输电线路上的电力金具能耗问题一直倍受关注，通过有限元仿真分析了复合材料电力金具的磁通密度、涡流密度的分布及能耗。在实验室中模拟比对了铸铁类、铝合金类和复合材料类材质金具的能耗，仿真分析和模拟试验均表明，复合材料电力金具是一种优良的节能金具，值得推广应用。

输电线路；金具；复合材料；能耗

电力金具作为输电线路上不可或缺的部件，其电能损耗一直是电力部门关注的问题。在上世纪40年代，国外就开始对线路金具的能耗进行研究。英国曼切斯特大学、美国Ohio Brass公司都曾对铸铁线夹和铝合金线夹进行过能耗试验。随着节能金具研究的不断深入和生产工艺的不断提升，由铝合金材质制作的节能电力金具逐步取代以往由铸铁材质制作的电力金具，减少了输电线路上的电能损耗。

随着新兴材料科学的迅猛发展，复合材料越来越多地被应用于各个领域。复合材料为绝缘材料，将其作为电力金具的制作材质，将达到减少甚至消除涡流损耗的目的。在保证机械强度的情况下，复合材料金具将是一种最节能的电力金具，具有良好的应用前景。

1 电力金具的能耗

在输电线路中，电力金具的能耗主要由两部分组成：由高电压引起的介质损耗；交流电流引起的磁损耗。由于介质损耗目前还没有直接测量的方法，这里暂不考虑，主要讨论磁损耗问题。

电力金具中的悬垂线夹、耐张线夹，如果制作材质为铁磁性材料，由于裸导线位于线夹本体的线槽内，当导线中通过交变电流时，在导线的周围就会产生交变磁场，铁磁性材料的金具在交变磁场中反复磁化，其磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化，即有磁滞现象。由于磁畴的反复转向，铁磁材料内部的分子互相摩擦发热而造成能量损耗，即磁滞损耗。同时根据电磁感应定律，交变磁场在金具内部产生感应电动势，由于回路电阻的存在，感应电流形成的功率损耗即为涡流损耗。除磁滞损耗和涡流损耗外，还存在磁化弛豫过程以及共振等多种机理引起的损耗，即剩余损耗。

上述3种由动态磁化造成的能量损失通常称为铁损，用W来表示：

式中：W为铁损；Wh为磁滞损耗；We为涡流损耗；Wr为剩余损耗。

在电力金具的能耗中，由于磁滞损耗Wh占的比例较大，因此节能电力金具的研究集中在消除磁滞损耗方面。如果用非铁磁性材质制作电力金具，就可消除磁滞损耗。因此，铝合金电力金具已逐步取代铸铁类金具。

虽然铝合金金具没有磁滞损耗，但是涡流损耗依然存在，电力金具上的涡流大小与电力金具自身的电阻成反比。用绝缘材料代替金属材料，就可减少涡流损耗，达到更好的节能效果。

2 复合材料电力金具的有限元仿真

2.1 数学模型与前处理

为了与试验进行验证比对，采用有限元分析软件对复合材料悬垂线夹的能耗特性进行仿真分析。为了与实际运行条件相符，对悬垂线夹与导线组合体进行三维数学建模，如图1所示。

图1 悬垂线夹计算模型

悬垂线夹由船体、压条和U型螺栓等3部分组成，均为以树脂为基体的复合型材质，建模完成后对模型赋予相应材质属性，设置模型的激励源与边界条件，分析计算线夹在不同电流负荷下的磁通密度、涡流密度分布与能耗。

2.2 计算结果及分析

当导线通入电流为240 A时，线夹的磁通密度（简称磁密）矢量如图2所示，各组件的磁通密度分布标量如图3（a—d）所示。

图2 线夹磁通密度矢量

图3 线夹各部件的磁通分布

由图2、图3可见，磁通密度集中在导线附近，线夹船体的线槽、压条底部及U型螺栓两端内侧处磁密较大，约为3.08 mT，离导线越远，磁密越小，回转轴及U型螺栓端部较小，仅为0.45 mT。由于线夹所有组件均为树脂材料，磁导率均和空气相当，因而线夹内部磁密较小。

线夹及导线组合体电流密度矢量图如图4所示，标量图如图5所示。

图4 组合体电密矢量

图5 组合体电密标量

由图4—5可知，线夹中无涡流密度分布，仅在导线中有电流密度。由于线夹整体为树脂材质，其电导率约为0 s/m，无涡流效应。另因线夹组件为非铁磁性材料，无磁滞损耗。经仿真计算，线夹整体能耗为0 W。

由有限元分析可知，因线夹整体的材质特性，无论线路电流大小如何变化，线夹都没有电磁损耗。

3 电力金具能耗的实验室模拟试验

3.1 试验方法

试验在环境温度为（15～30）℃的恒温室中进行，试验布置应避免其他磁性物质对模拟线路和试样的电能损耗产生干扰，测量金具的能耗采用差值法，测试方案分为两个阶段：

（1）选用金具适用导线范围内的最大截面导线，与试验设备组成模拟试验回路，在回路中通入工频交流电流，待导线温度恒定并恒温30 min后，记录试验电流值、导线的工作温度、导线两端电位测点之间的能耗实测数值，为后续测试提供基准数值。

（2）保持相同的环境条件，在模拟试验回路上按金具的实际工作状态安装金具，在回路中通入相同的工频交流电流，待导线温度恒定并恒温30 min后，再次记录试验电流值、导线的工作温度、导线两端电位测点之间的能耗实测数值。

将第二阶段测得的能耗数值与第一阶段测得的能耗数值相减，其差值即为安装金具时模拟回路的能耗与未安装金具时模拟回路的能耗差值，即为该金具的能耗。

3.2 铸铁类材质金具能耗

铸铁类材质金具选择XGU-4悬垂线夹为例，试样外观经肉眼检查无明显缺陷。

（1）试验布置及通流测试。为确保测试数据的准确可靠，将5个试样呈串联形式安装在导线上，为避免线夹之间的相互影响，其间距不小于0.5 m，测试布置图如图6所示。

图6 XGU-4悬垂线夹能耗试验布置

为了保证试验数据的可靠准确，选择性能相对铝导线稳定的软铜导线TR作为试验参照导线，根据悬垂线夹XGU-4的适用导线外径范围，选取适用的最大规格240 mm2的截面积；在导线表面绑定测试系统的pt100测温探头，用耐热的聚四氟乙烯自黏带缠绕紧密，确保温度采集准确可靠；在试验场地放置环境实时监测系统，距试验回路一定距离监测环境状况，以免受到回路热影响；同时在试验回路的两端用铜丝在导线上紧扎后引出接入测试系统的电位测试端。

（2）通流测试。试验时保持室温为（18±1）℃，按照试验方案，在试验回路中依次通入500～1 030 A（选取8个电流值）进行测试，试样数量为5个。

（3）试验数据及结果分析。用差值法计算金具的损耗，统计分析的数据如表1所示。

表1 铸铁类材质XGU-4测试数据

由表1数据可知，铸铁类材质的电力金具能耗较大，且随着输配电线路电流的增加，金具能耗增长很快。

3.3铝合金材质金具能耗

以铝合金材质的XGH-4悬垂线夹为例，试样经肉眼检查无明显缺陷。

（1）试验布置及通流测试，试样数量为5个，试验布置同图6所示。

（2）试验数据及结果分析。根据测得的结果用差值法计算金具的损耗，统计分析的数据如表2所示。

表2 铝合金材质XGH-4测试数据

由表2中数据可知，铝合金材质金具的能耗相对铸铁材质金具明显减小，只占铸铁材质金具能耗的5%～10%，节能效果明显。

3.4 复合材质金具能耗

以复合材料材质的悬垂线夹CGH-4为例，试样经肉眼检查无明显缺陷。

（1）试验布置及通流测试，试样数量为5个，试验布置同图6所示。

（2）试验数据及结果分析。根据测得的结果用差值法计算金具的损耗，统计分析的数据如表3所示。

由表3中数据可知，复合材料金具在不同电流负荷下均无能耗，且试验数据出现负值。究其原因，这是因为复合材料的导热系数相比空气大10倍左右，在测试的第二阶段安装复合材料金具后，局部金具安装处的散热效果变好，在试验电流不变的情况下试验导线的温度下降，实测的温度数据亦佐证此现象，因此第二阶段试验导线的能耗相对第一阶段减小，导致负值的出现。

表3 复合材料材质CGH-4测试数据

4 结语

经过有限元仿真和实验室测试，均表明复合材料电力金具的能耗大大低于铸铁类金具，也低于铝合金金具，在输电线路中有必要推广应用复合材料金具，为节能减排做出贡献。

[1]袁刚，尹德君，曾宏.新型电力节能金具的试验研究[J].四川电力技术，2010，33（5）:7-9.

[2]徐乃管，吴渝生，白中琪.论开发应用节能金具——铝合金线夹的重要意义[J].电力建设，1998（1）:11-13.

（本文编辑：陆莹）

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，工程师，从事电力建设管理工作。