金属线夹类设备温度与电流关系

邹学伟，李日波，王 文，刘郑哲

(国网湖南省电力公司衡阳供电分公司，湖南衡阳421001)

金属线夹类设备温度与电流关系

邹学伟，李日波，王 文，刘郑哲

(国网湖南省电力公司衡阳供电分公司，湖南衡阳421001)

分析不同接触状况下金属线夹类设备的温度与电流关系，提出一种温度与电流关系的二阶模型，根据轻载状态下的发热情况来预测重载时的温度。

红外检测；线夹类设备；温度预测

随着红外检测技术的不断成熟和日臻完善，其作为一项简单、快捷的检测手段，广泛应用在电力设备的带电检测中。通过红外检测技术获得带电设备表面发出的红外辐射信息〔1〕，进而诊断设备是否存在缺陷并判断缺陷类型，使得电力设备从传统的预防性检修提高到预知性状态检修，对增加设备运行可靠性、提高电力系统经济效益有着重要的意义。

金属线夹类设备作为电力系统中各个设备之间的连接部位，种类和数量繁多，且由于长时间运行在空气中，表面易被氧化锈蚀。表面锈蚀以及连接螺栓紧固程度等原因都会影响到其接触电阻，从而导致不同程度发热〔2〕。文中通过一系列试验模拟金属线夹类设备一定条件下的发热情况，分析不同接触条件下线夹温度与电流的关系。根据轻载状态下的发热情况来预测重载时的温度，结合DL/T 664《带电设备红外诊断技术应用导则》，对金属线夹类设备发热情况给出判断，尽量在高温高负荷前进行消缺，以指导电力生产，保障电力供应。

1 理论基础

首先引入相对温差的概念，即两个检测点之间的温差与其中较热点温升的比值，如下式:

式中 T0为环境参照体的温度；T1，τ1为发热点的温度及温升；T2，τ2为正常点的温度及温升。

根据参考文献〔2〕，假设温升τ1＝B1R1Ik1和τ2＝B2R2Ik

2，B1≈B2时，可推导出:

式中 B1，B2为检测点与散热条件有关的系数；R1，R2为检测点的接触电阻值。一般情况下，正常相的接触电阻R2和厂家的规定值比较接近。

当金属线类导体通过一定的负荷电流时，其发热功率为:

式中 Kf为附加损耗系数；I为通过的负荷电流，A；R为载流导体的电阻，Ω。对于空心导体或多股绞线，通常均可认为Kf＝1。对于金属类导体的连接部位而言，式(3)的电阻R可用连接部位的接触电阻Rc代替。故可将式(3)改写为:

研究表明，当运行温度在200℃以下时，接触电阻与温度的变化关系可以表示为〔4〕:

式中 Rc0为0℃时的接触电阻，Ω；α为接触金属的电阻温度系数，1/℃；T为运行温度，℃。接触电阻Rc与接点温度呈线性关系。

综合式(2)、式(4)和式(5)可知，当金属类导体的负荷电流一定时，其发热功率、运行温度以及相对温差都随接触电阻的增大而增大；当负荷电流在变化时，发热功率发生相应变化，运行温度随之变化，进而影响相对温差。

2 试验过程与数据分析

从负荷电流特征来看，导体发热原因可以分为长期运行发热和短时冲击发热，且热点温度和负荷电流大小有关。将试验分为连续性负载试验和冲击负载试验。如图1所示，模拟金属线夹类设备的发热情况，分为以下4个试验过程。

图1 金属线夹类设备的发热模拟

2.1 接触不良状况下的连续性负载试验

试验1:单独螺栓紧固，导电情况不良，在不通流情况下，接触电阻约为10 mΩ，通流范围0～230 A，每次增加10 A电流，待线夹温度稳定后进行测量，该发热最高点主要是两个铜铝对接线夹的接触面外端，试验结果如图2所示。

图2 接触不良连续试验结果

图3为模拟后的函数曲线与原始曲线图比对图，从图3中可以看到，拟合曲线与实际曲线非常接近，说明在电流小于200 A下的温升-电流曲线近似于二阶模型。因为此模型在数据分析做拟合的时候，采用的是设备实际温度，故此模型包含了环境温度、接触电阻的影响，再做其他设备的预测模型时应修正其参数，即式(6)中的二阶修正系数“0.001 3”、一阶修正系数“-0.028 8”和零阶修正系数“30.4”均会发生相应变化。

表1 选取点的电流及其对应温度

图3 连续试验模拟与原始曲线图

2.2 接触良好情况下的连续负载试验

试验2:单独螺栓紧固，接触情况良好，不通流情况下，接触电阻约为50 μΩ，通流范围0～150 A，每次增加10 A电流，待温度确定后进行测量。试验结果如图4所示，可见在正常通流情况下，接触良好的导电线夹，随着电流的增加温升不明显。

图4 接触良好连续试验结果

2.3 接触不良情况下的冲击负载试验

试验3:单独螺栓紧固，导电情况不良，不通流情况下，接触电阻约为10 mΩ。进行0～100 A，0～200 A，0～300 A以及0～400 A冲击试验，待温度稳定后进行测量，其试验结果如图5所示。

图5 接触不良冲击试验结果

对结果的数据进行分析，得到如图6所示的冲击试验温度曲线，将曲线趋于平稳后的温度与电流形成表2。将表2中的数据进行分析，用如下的数学模型来拟合:

图6 冲击试验的温度曲线

表2 冲击电流与稳定温度数据表

图7为模拟后的函数曲线与原始曲线比对图，从图7中可以看到，拟合曲线与实际曲线比较接近，误差很小，说明在冲击负荷(＜400 A)下金属线夹类设备的电流和温升曲线也近似于二阶模型。

图7 冲击试验下模拟与原始曲线图

2.4 接触良好情况下的连续冲击负载试验

试验4:采用单独螺栓紧固，导电情况较好，不通流情况下，接触电阻约为50 μΩ。在0～400 A的负荷电流下，每间隔50 A进行连续增流冲击试验，其温度原始曲线如图8所示。可见其温升与电流近似为线性关系。

图8 接触良好连续冲击试验结果

根据以上试验及数据分析，可得到如下的初步结论:

1)当金属线夹类导体导电情况不好，接触电阻较大时，在连续电流作用下，其稳定温度与电流关系可近似用二阶模型拟合，二阶修正系数较小；在突变增流作用下，温升过程快，其温度与电流关系也可近似用二阶模型拟合。

2)当金属线夹类导体导电情况较好，接触电阻较小时，在连续电流作用下，温升不明显，其稳定温度与电流关系不大；在突变增流作用下，温升过程较快，其温度与电流关系近似于线性关系(由于升压过程较快，此时的温度并不是最终的温度)。

3 案例实践

对220 kV真武变电站和110 kV高兴变电站的各一处金属线夹发热点进行测量，在负荷电流较低时各测量了一组数据，如表3所示。根据表3的数据，可以得到类似的数学模型，如式(8)和式(9)所示。

表3 低负荷下的实测数据

采用上述模型式(8)和式(9)预测高负荷时的温度，并与实际测量温度进行对比，结果见表4—5。

表5 高兴变高桥A3163隔离开关B相出线侧线夹发热点

从表4可知，在负荷电流小于200 A的情况下，二阶预测模型有一定的预测效果，但存在一定的误差，此时应该根据其他情况对其系数进一步修正；而从表5可知，采用单一的预测模型不具有普遍性，只有对某一类设备(材料相同、紧固情况及运行环境相似的设备)，根据其低负荷电流下的数据形成此类设备的预测模型。

从上述两个案例可知，在试验时以单独螺栓紧固的线夹模拟运行的金属线夹类设备局限性很大。受接触电阻、环境散热能力等影响，单一的二阶模型不具有预测的普遍性，对于不同运行环境下的金属线夹类设备应采用不同的预测模型。

4 结论

通过一系列模拟试验初步探讨了金属线夹类设备的电流与温度关系，以期根据在轻载状态下的发热情况来提前预测重载时的温度，提出了一种简单的二阶温度-电流预测模型，得到如下结论:

1)在负荷电流较小(＜200 A)时，特定的接触电阻和散热能力下，金属线夹类设备的温度与电流具有二阶的约束关系。针对某一类设备(材料相同、紧固情况及运行环境相似的设备)，可以根据其低负荷电流下的数据形成此类设备的预测模型，在一定负荷电流范围内来预测其运行温度。

2)在用该二阶温度-电流模型进行预测时，由于受到现场散热能力、线夹接触电阻随温度变化等因素的影响，单一温度-电流模型不具有普遍性，需要进行修正。

〔1〕王华伟.基于红外热成像的温度场测量关键技术研究〔D〕.北京:中国科学院大学，2013.

〔2〕晏敏，彭楚武，颜永红，等.红外测温原理及误差分析〔J〕.湖南大学学报，2004，31(5):110-112.

〔3〕郎成，金光熙，徐丹，等.电气设备相对温差判断法的影响因素分析〔J〕.红外与激光工程，2011，40(1):28-31.

〔4〕平丽.基于红外热像技术的电接触故障诊断〔D〕.焦作:河南理工大学，2010.

Discussion of the relationship between temperature and current for the metal clip devices

ZOU Xuewei，LI Ribo，WANG Wen，LIU Zhengzhe
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Hengyang Supply Company，Hengyang 421001，China)

In this paper，it is explored to the metal clip relationship between temperature and current through a series of experiments and data analysis.The second-order model of temperature and current is put forward.Then，the temperature can be predicted according to the hearting situation under light load.

infrared detection；clamp device；temperature prediction

TM835.4

B

1008-0198(2016)02-0050-04

邹学伟(1989)，男，硕士，助理工程师，主要从事电气试验和带电检测工作。

李日波(1983)，男，硕士，工程师，技师，从事电气设备技术监督与绝缘技术管理工作。

王文(1967)，男，高级技师，从事电气试验和带电检测。

刘郑哲(1983)，男，技师，从事电气设备技术监督与绝缘技术管理工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.012

2015-12-29 改回日期:2016-02-24