牵引变电所裸导体集中过热分析

彭豫忞

（国能朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西忻州 034000）

0 前言

龙宫变电所地处山西原平市轩岗镇，所内牵引侧27.5 kV 母线及馈线区为双软母线并联接线，采用240/30 钢芯铝绞线。自2018 年6月—2019 年6 月，龙宫变电所牵引设备共发生示温蜡片过热变色缺陷17 处，其中6LHT 相钢芯铝绞线还发生了断股、散股、熔化迹象。同周期下，其他所亭过热缺陷数量为：西柏坡变电所3 处，滴流磴变电所1 处，东冶变电所1 处，原平南变电所1 处，神池南变电所3 处。

1 环境对龙宫变电所软母线的影响

1.1 钢芯铝绞线温度受环境温度影响分析

在风力=0.5 m/s 情况下，LGJ-240/40 钢芯铝绞线受环境温度影响的情况见表1。

表1 钢芯铝绞线受环境温度影响 ℃

由此可知，当龙宫变电所环境温度为30 ℃、风力为0.5 m/s时，所内钢芯铝绞线温度应为42.8 ℃左右。

1.2 钢芯铝绞线温度受风速影响分析

查阅6 月28 日10：00—6 月29 日10：00 原平市风力（图1）。因为风力越小钢芯铝绞线散热效果越差，为了分析龙宫设备过热原因，在此寻找过热峰值的情况，可以看出，龙宫变电所在白天存在0～1 级风力的情况。

图1 夏季24 h 原平市风力变化

由表2 可以看出，在龙宫变电所温度为30 ℃并且无风（0 m/s）情况下，温升可达到20 ℃，即龙宫变电所夏季无风时，钢芯铝绞线空载状态下温度可能达到50 ℃。

表2 不同环境温度下风速与导线温升的关系

2 载流对龙宫变电所软母线与线夹的影响

2.1 钢芯铝绞线载流量校正计算

轩岗镇平均海拔1752 m，裸导体载流能力在不同海拔及温度下的校正系数见表3：环境温度30 ℃时，龙宫变电所内钢芯铝绞线校正系数为0.919，而240/30 钢芯铝绞线25 ℃的标准载流量是610 A。

表3 裸导体载流能力在不同海拔及温度下的校正系数

钢芯铝绞线的允许电流可利用下式计算：

其中，I1为当前温度下导线的允许电流值；I2为标准温度下导线的允许电流值；Kt为允许电流的温度校正系数。

根据公式及轩岗镇海拔高度，测算出龙宫变电所在海拔为1752 m 的情况下，其配备的240 钢芯铝绞线在30 ℃环境温度时的载流能力为610×0.919=560 A。

经过统计，6 月21—25 日，龙宫馈线211～214 出现过的日最大峰值电流分别为：1038 A、515 A、1046 A、510 A，211 与212 由T1、F1母线供电，213、214 由T2、F2母线供电。取极端峰值情况，设定某一时刻，T1、F1母线或T2、F2母线由于各自两条馈线的加成，载流达到1500 A，由于龙宫变电所主变低压侧母线及馈线区均是双软母线并联结构，考虑并联分流，则钢芯铝绞线承受的电流为750 A，对比240 钢芯铝绞线在30 ℃环境温度时海拔为1752 m 的情况下的载流能力560 A，超出了190 A。

若计算龙宫馈线6 月21—25 日的日最大电流平均值，211～214 分别为796 A、446 A、835 A、428 A，这里取25 d 的平均峰值情况，设定某一时刻，T1、F1母线或T2、F2母线由于各自两条馈线的加成，载流达到1200 A，由于主变低压侧母线及馈线区均是双软母线并联结构，则钢芯铝绞线承受的电流为600 A，对比240 钢芯铝绞线在30 ℃时、海拔1752 m 的情况下的载流能力560 A，超出了40 A。

可知龙宫变电所目前所配备的240 钢芯铝绞线截面积不满足生产需要，应更换为更大截面积钢芯铝绞线。300/25 钢芯铝绞线25 ℃的标准载流量是690 A，在龙宫变电所30 ℃时的载流能力校正后，690×0.919=634 A，容许的持续载流值已经超过日平均峰值电流下单钢钢芯铝绞线所能承受的600 A 电流。

2.2 钢芯铝绞线峰值载流温升计算

设定龙宫变电所海拔1752 m，风速v=0.5 m/s，环境温度30 ℃。通过上面分析，240/30 钢芯铝绞线经过校正系数调整，载流值为560 A，300/25 钢芯铝绞线经过校正系数调整，载流值为634 A。则正常负荷的发热温度计算如下：

其中，θ0为导体空载无流时的温度，设定为龙宫环境30 ℃时，钢芯铝绞线空载50 ℃的极端值；θe为导体的正常最高容许温度，设定为70 ℃；IF为导体中通过的长期最大负荷电流，设定值选择为单根钢芯铝绞线承受的日平均峰值电流600 A；Ie为导体容许电流，为导体额定电流Ie的修正值，240/30 钢芯铝绞线为560 A，300/25 钢芯铝绞线为634 A。

240/30 钢芯铝绞线计算结果为：

300/25 钢芯铝绞线计算结果为：

所以，配备300/25 钢芯铝绞线时，在单根钢芯铝绞线日均峰值电流600 A 载流情况下，温度低于导体最高允许温度70 ℃，而目前的240/30 钢芯铝绞线已经温度超标。

2.3 钢芯铝绞线与线夹接触电阻的温升计算

分析过热时，不应只考虑导体本身载流时的发热，还应考虑在导体末端两个导体之间的接触电阻在电流经过时产生的发热。

考虑线夹与软母线的接触电阻过大的情况时，比如电流互感器的线夹每年并不测试回路电阻，如果因为内部脏污或螺栓松动，假设回路电阻达到500 μΩ，则在600 A 电流持续30 s的情况下，单根钢芯铝绞线发热量Q=600×600×500×10-6×30=5400 J，又因为：

其中，Q为发热量；C为铝的比热容，取0.88×103J（/kg·℃）；m为导体重量，设定重量1 kg，求△t：

可以得出，500 μΩ 接触电阻在600 A 电流做功情况下，温升6.1 ℃。若如使用铝质的U 形线夹，承受电流是单根软母线的两倍，则线夹承受的温升为两倍，温度达到6.1×2=12.2 ℃。

若是铜线夹，比热容为0.39×103J（/kg·℃），则△t=（Q/C）/m=（5400/390）/1=13.6 ℃，U 形线夹温度达到13.6×2=27.2 ℃。

综上分析龙宫变电所在环境温度30 ℃，无风，单根钢芯铝绞线载流600 A 并且某处连接部位接触电阻为500 μΩ 的条件下时，线夹处贴的示温蜡片温度可能达到：72.95+27.2=100.15 ℃（240 钢芯铝绞线+铜线夹）；若改为300/25 钢芯铝绞线并配备铝线夹，67.91+12.2=80.01 ℃（300 钢芯铝绞线+铝线夹）。可以看出，更改配置后，降温效果明显。

以上分析，都是取海拔1752 m，风力0 m/s，环境温度30 ℃，单根钢芯铝绞线承受600 A 电流的情况，在实际运行中风力的变化对导体散热影响极大（表3）。

龙宫变电所同样在环境温度30 ℃情况下，风力0 级（0 m/s）与风力1 级（0.3～1.5 m/s）的温升可相差10 ℃左右，在风力达2级时，日照对钢芯铝绞线的影响可以忽略。而龙宫变电所的地理位置，风力0 级的情况为少数。

3 节能与降耗

通过上述分析可知，龙宫变电所牵引侧27.5 kV 母线及馈线区应更换300/25 钢芯铝绞线，可以使30 ℃环境温度时校正系数为0.919 情况下的钢芯铝绞线的载流能力从560 A 提高到634 A，即使导体载流为日均峰值电流600 A，温度也低于最高允许温度70 ℃。线夹应为全铝质，若有铜铝接触面则应放置过渡板。

改造后除了使牵引变电所载流能力提升外，在节能与降耗方面产生显著的经济效益。LGJ-240 钢芯铝绞线单位电阻为0.131 Ω/km，双股并联后近似为0.066 Ω/km，LGJ-300 钢芯铝绞线单位电阻为0.105 Ω/km，双股并联后近似为0.053 Ω/km。设定龙宫牵引变电所功率因数为0.9，则有功功率为1 kV·A×0.9=900 W。

设定T1、F1或T2、F2母线上的钢芯铝绞线此刻载流1200 A，则1 km 的2×LGJ-240 钢芯铝绞线在1 s 时间做功为1200×1200×0.066×1=95 040 J，即95.04 kW，1 km 的LGJ-240 钢芯铝绞线载流做功占用变压器额定容量为95 040/900=105.6 kV·A。

设定T1、F1或T2、F2母线上的钢芯铝绞线此刻载流1200 A，则1 km 的2×LGJ-300 钢芯铝绞线在1 s 内做功为1200×1200×0.053×1=76 320 J，即76.32 kW，1 km 的2×LGJ-300 钢芯铝绞线载流做功占用变压器额定容量为76 320/900=84.8 kV·A。

在上述情况下，1 km 的2×LGJ-300 钢芯铝绞线每秒节省105.6-84.8=20.8 kV·A。1 s 节省95.04-76.32=18.72 kW，1 h 节省18.72×3600=67 392 kW·h，即67 392kW·h。按大工业用电0.5 元（/kW·h）计算，67 392×0.5=33 696 元。这只是T1、F1或T2、F2一条母线的节省情况，两条母线则翻倍为67 392 元。

通过计算可以看出，在钢芯铝绞线从2×LGJ-240 更换为2×LGJ-300 后，除了使母线载流能力提升，过热问题得到缓解外，由于母线单位阻抗降低而节省的电费，也可以在日积月累下变的相当可观，随着运行时间的持续逐渐收回改造工程成本。

4 结束语

钢芯铝绞线与其线夹的过热及载流容量匹配问题，应从环境、载流、接触电阻等因素多方面考虑，而不能在只掌握部分数据时武断定下结论。在综合计算后，对于确实有必要进行改造的变电所，还应比对改造施工经费与施工后节能降耗效益的关系，确定最佳施工方案。