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）

0 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 741—2001）中的规定可知，接续金具的最高温度不超过导线温度的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 m·s-1、通过电流580.6 A的情况下所测得的。

图1 改装前A线夹发热图谱

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。

图2 改装后线路实物图

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。

图3 改装后等效电气图

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。

图4 加装压缩型T型引流线夹后模型

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。

①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）。

式中：T为接续线夹的发热温度，℃；λ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。

②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）。

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）。

因此，对导线与线夹表面施加的自然对流系数为5 W/（m2·℃）。

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）。

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，Ω。

其热生成率的计算公式见式（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。

图5 加装压缩型T型辅助线夹温度分布

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。

图6 未加压缩型T型辅助线夹温度分布

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587μΩ，远大于20μΩ，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。

图7 改装后A线夹发热图谱

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6.4μΩ，小于20μΩ，满足交流场回路电阻的要求。

图8 回路电阻测量

4 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。