彭豫忞
(國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司,山西忻州 034000)
龍宮變電所地處山西原平市軒崗鎮(zhèn),所內(nèi)牽引側(cè)27.5 kV 母線及饋線區(qū)為雙軟母線并聯(lián)接線,采用240/30 鋼芯鋁絞線。自2018 年6月—2019 年6 月,龍宮變電所牽引設(shè)備共發(fā)生示溫蠟片過熱變色缺陷17 處,其中6LHT 相鋼芯鋁絞線還發(fā)生了斷股、散股、熔化跡象。同周期下,其他所亭過熱缺陷數(shù)量為:西柏坡變電所3 處,滴流磴變電所1 處,東冶變電所1 處,原平南變電所1 處,神池南變電所3 處。
在風(fēng)力=0.5 m/s 情況下,LGJ-240/40 鋼芯鋁絞線受環(huán)境溫度影響的情況見表1。
表1 鋼芯鋁絞線受環(huán)境溫度影響 ℃
由此可知,當龍宮變電所環(huán)境溫度為30 ℃、風(fēng)力為0.5 m/s時,所內(nèi)鋼芯鋁絞線溫度應(yīng)為42.8 ℃左右。
查閱6 月28 日10:00—6 月29 日10:00 原平市風(fēng)力(圖1)。因為風(fēng)力越小鋼芯鋁絞線散熱效果越差,為了分析龍宮設(shè)備過熱原因,在此尋找過熱峰值的情況,可以看出,龍宮變電所在白天存在0~1 級風(fēng)力的情況。
圖1 夏季24 h 原平市風(fēng)力變化
由表2 可以看出,在龍宮變電所溫度為30 ℃并且無風(fēng)(0 m/s)情況下,溫升可達到20 ℃,即龍宮變電所夏季無風(fēng)時,鋼芯鋁絞線空載狀態(tài)下溫度可能達到50 ℃。
表2 不同環(huán)境溫度下風(fēng)速與導(dǎo)線溫升的關(guān)系
軒崗鎮(zhèn)平均海拔1752 m,裸導(dǎo)體載流能力在不同海拔及溫度下的校正系數(shù)見表3:環(huán)境溫度30 ℃時,龍宮變電所內(nèi)鋼芯鋁絞線校正系數(shù)為0.919,而240/30 鋼芯鋁絞線25 ℃的標準載流量是610 A。
表3 裸導(dǎo)體載流能力在不同海拔及溫度下的校正系數(shù)
鋼芯鋁絞線的允許電流可利用下式計算:
其中,I1為當前溫度下導(dǎo)線的允許電流值;I2為標準溫度下導(dǎo)線的允許電流值;Kt為允許電流的溫度校正系數(shù)。
根據(jù)公式及軒崗鎮(zhèn)海拔高度,測算出龍宮變電所在海拔為1752 m 的情況下,其配備的240 鋼芯鋁絞線在30 ℃環(huán)境溫度時的載流能力為610×0.919=560 A。
經(jīng)過統(tǒng)計,6 月21—25 日,龍宮饋線211~214 出現(xiàn)過的日最大峰值電流分別為:1038 A、515 A、1046 A、510 A,211 與212 由T1、F1母線供電,213、214 由T2、F2母線供電。取極端峰值情況,設(shè)定某一時刻,T1、F1母線或T2、F2母線由于各自兩條饋線的加成,載流達到1500 A,由于龍宮變電所主變低壓側(cè)母線及饋線區(qū)均是雙軟母線并聯(lián)結(jié)構(gòu),考慮并聯(lián)分流,則鋼芯鋁絞線承受的電流為750 A,對比240 鋼芯鋁絞線在30 ℃環(huán)境溫度時海拔為1752 m 的情況下的載流能力560 A,超出了190 A。
若計算龍宮饋線6 月21—25 日的日最大電流平均值,211~214 分別為796 A、446 A、835 A、428 A,這里取25 d 的平均峰值情況,設(shè)定某一時刻,T1、F1母線或T2、F2母線由于各自兩條饋線的加成,載流達到1200 A,由于主變低壓側(cè)母線及饋線區(qū)均是雙軟母線并聯(lián)結(jié)構(gòu),則鋼芯鋁絞線承受的電流為600 A,對比240 鋼芯鋁絞線在30 ℃時、海拔1752 m 的情況下的載流能力560 A,超出了40 A。
可知龍宮變電所目前所配備的240 鋼芯鋁絞線截面積不滿足生產(chǎn)需要,應(yīng)更換為更大截面積鋼芯鋁絞線。300/25 鋼芯鋁絞線25 ℃的標準載流量是690 A,在龍宮變電所30 ℃時的載流能力校正后,690×0.919=634 A,容許的持續(xù)載流值已經(jīng)超過日平均峰值電流下單鋼鋼芯鋁絞線所能承受的600 A 電流。
設(shè)定龍宮變電所海拔1752 m,風(fēng)速v=0.5 m/s,環(huán)境溫度30 ℃。通過上面分析,240/30 鋼芯鋁絞線經(jīng)過校正系數(shù)調(diào)整,載流值為560 A,300/25 鋼芯鋁絞線經(jīng)過校正系數(shù)調(diào)整,載流值為634 A。則正常負荷的發(fā)熱溫度計算如下:
其中,θ0為導(dǎo)體空載無流時的溫度,設(shè)定為龍宮環(huán)境30 ℃時,鋼芯鋁絞線空載50 ℃的極端值;θe為導(dǎo)體的正常最高容許溫度,設(shè)定為70 ℃;IF為導(dǎo)體中通過的長期最大負荷電流,設(shè)定值選擇為單根鋼芯鋁絞線承受的日平均峰值電流600 A;Ie為導(dǎo)體容許電流,為導(dǎo)體額定電流Ie的修正值,240/30 鋼芯鋁絞線為560 A,300/25 鋼芯鋁絞線為634 A。
240/30 鋼芯鋁絞線計算結(jié)果為:
300/25 鋼芯鋁絞線計算結(jié)果為:
所以,配備300/25 鋼芯鋁絞線時,在單根鋼芯鋁絞線日均峰值電流600 A 載流情況下,溫度低于導(dǎo)體最高允許溫度70 ℃,而目前的240/30 鋼芯鋁絞線已經(jīng)溫度超標。
分析過熱時,不應(yīng)只考慮導(dǎo)體本身載流時的發(fā)熱,還應(yīng)考慮在導(dǎo)體末端兩個導(dǎo)體之間的接觸電阻在電流經(jīng)過時產(chǎn)生的發(fā)熱。
考慮線夾與軟母線的接觸電阻過大的情況時,比如電流互感器的線夾每年并不測試回路電阻,如果因為內(nèi)部臟污或螺栓松動,假設(shè)回路電阻達到500 μΩ,則在600 A 電流持續(xù)30 s的情況下,單根鋼芯鋁絞線發(fā)熱量Q=600×600×500×10-6×30=5400 J,又因為:
其中,Q為發(fā)熱量;C為鋁的比熱容,取0.88×103J(/kg·℃);m為導(dǎo)體重量,設(shè)定重量1 kg,求△t:
可以得出,500 μΩ 接觸電阻在600 A 電流做功情況下,溫升6.1 ℃。若如使用鋁質(zhì)的U 形線夾,承受電流是單根軟母線的兩倍,則線夾承受的溫升為兩倍,溫度達到6.1×2=12.2 ℃。
若是銅線夾,比熱容為0.39×103J(/kg·℃),則△t=(Q/C)/m=(5400/390)/1=13.6 ℃,U 形線夾溫度達到13.6×2=27.2 ℃。
綜上分析龍宮變電所在環(huán)境溫度30 ℃,無風(fēng),單根鋼芯鋁絞線載流600 A 并且某處連接部位接觸電阻為500 μΩ 的條件下時,線夾處貼的示溫蠟片溫度可能達到:72.95+27.2=100.15 ℃(240 鋼芯鋁絞線+銅線夾);若改為300/25 鋼芯鋁絞線并配備鋁線夾,67.91+12.2=80.01 ℃(300 鋼芯鋁絞線+鋁線夾)。可以看出,更改配置后,降溫效果明顯。
以上分析,都是取海拔1752 m,風(fēng)力0 m/s,環(huán)境溫度30 ℃,單根鋼芯鋁絞線承受600 A 電流的情況,在實際運行中風(fēng)力的變化對導(dǎo)體散熱影響極大(表3)。
龍宮變電所同樣在環(huán)境溫度30 ℃情況下,風(fēng)力0 級(0 m/s)與風(fēng)力1 級(0.3~1.5 m/s)的溫升可相差10 ℃左右,在風(fēng)力達2級時,日照對鋼芯鋁絞線的影響可以忽略。而龍宮變電所的地理位置,風(fēng)力0 級的情況為少數(shù)。
通過上述分析可知,龍宮變電所牽引側(cè)27.5 kV 母線及饋線區(qū)應(yīng)更換300/25 鋼芯鋁絞線,可以使30 ℃環(huán)境溫度時校正系數(shù)為0.919 情況下的鋼芯鋁絞線的載流能力從560 A 提高到634 A,即使導(dǎo)體載流為日均峰值電流600 A,溫度也低于最高允許溫度70 ℃。線夾應(yīng)為全鋁質(zhì),若有銅鋁接觸面則應(yīng)放置過渡板。
改造后除了使牽引變電所載流能力提升外,在節(jié)能與降耗方面產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。LGJ-240 鋼芯鋁絞線單位電阻為0.131 Ω/km,雙股并聯(lián)后近似為0.066 Ω/km,LGJ-300 鋼芯鋁絞線單位電阻為0.105 Ω/km,雙股并聯(lián)后近似為0.053 Ω/km。設(shè)定龍宮牽引變電所功率因數(shù)為0.9,則有功功率為1 kV·A×0.9=900 W。
設(shè)定T1、F1或T2、F2母線上的鋼芯鋁絞線此刻載流1200 A,則1 km 的2×LGJ-240 鋼芯鋁絞線在1 s 時間做功為1200×1200×0.066×1=95 040 J,即95.04 kW,1 km 的LGJ-240 鋼芯鋁絞線載流做功占用變壓器額定容量為95 040/900=105.6 kV·A。
設(shè)定T1、F1或T2、F2母線上的鋼芯鋁絞線此刻載流1200 A,則1 km 的2×LGJ-300 鋼芯鋁絞線在1 s 內(nèi)做功為1200×1200×0.053×1=76 320 J,即76.32 kW,1 km 的2×LGJ-300 鋼芯鋁絞線載流做功占用變壓器額定容量為76 320/900=84.8 kV·A。
在上述情況下,1 km 的2×LGJ-300 鋼芯鋁絞線每秒節(jié)省105.6-84.8=20.8 kV·A。1 s 節(jié)省95.04-76.32=18.72 kW,1 h 節(jié)省18.72×3600=67 392 kW·h,即67 392kW·h。按大工業(yè)用電0.5 元(/kW·h)計算,67 392×0.5=33 696 元。這只是T1、F1或T2、F2一條母線的節(jié)省情況,兩條母線則翻倍為67 392 元。
通過計算可以看出,在鋼芯鋁絞線從2×LGJ-240 更換為2×LGJ-300 后,除了使母線載流能力提升,過熱問題得到緩解外,由于母線單位阻抗降低而節(jié)省的電費,也可以在日積月累下變的相當可觀,隨著運行時間的持續(xù)逐漸收回改造工程成本。
鋼芯鋁絞線與其線夾的過熱及載流容量匹配問題,應(yīng)從環(huán)境、載流、接觸電阻等因素多方面考慮,而不能在只掌握部分數(shù)據(jù)時武斷定下結(jié)論。在綜合計算后,對于確實有必要進行改造的變電所,還應(yīng)比對改造施工經(jīng)費與施工后節(jié)能降耗效益的關(guān)系,確定最佳施工方案。