外部铁磁物质对电力金具能耗测量的影响

赵旭阳，叶 成，杜昭启，林 雪，吴芳芳，章 益

（1.浙江华电器材检测研究院有限公司，杭州 311100；2.南京航空航天大学，南京 211106）

0 引言

非电气接续类线路金具在高压架空输电线路中起到悬挂各类架空导线，维持导线拉伸状态，以及避免输电导线受损从而保证线路正常运行的作用。处于工频交变电流产生的工频交变电磁场中，金属材质制造而成的线路金具会产生不可忽略的能耗，金具能耗是线路损耗的重要组成部分。非电气接续类线路金具在220 kV 及以下电压等级输电线路以造价较低的铸铁、铸钢材质居多，较少采用成本高的铝合金材质［1］。铸铁和铸钢相对磁导率分别是铝合金的200～400 倍和300～1 000倍，铸铁和铸钢材质线路金具的能耗要远大于铝合金线路金具能耗。

由于中国电力产出基地和消耗中心空间分布不均，常采用高压架空输电线路来传送电力，架空输电线路长达上百千米。其中，非电气接续类线路金具数以百万计，仅以220 kV 架空线路中悬垂线夹为例，根据2020年中国电力统计年鉴可知，220 kV 交流输电线路长度为454 585 km。按每千米3基塔、单回路计算［2］，该电压等级架空输电导线上悬垂线夹的个数约为409万个。

数量庞大的线路金具日夜不停地消耗着电能，非电气接续类线路金具能耗主要是涡流损耗，其以热量形式散发易造成金具内部导线温升，严重威胁导线的使用寿命［3］。对各种线路金具开展能耗测量试验可为架空输电线路设计和检验新型材质金具节能效果提供数据支撑。

根据IEC（国际电工委员会）制定的架空线路金具要求和测试标准，线路金具应进行磁损耗试验，并给出了金具适配导线通流数值和试验装置规范［4］。但IEC 的标准只是简单地针对悬垂线夹、耐张线夹开展，且未给出线路金具节能评价系数。国内外科研机构针对电力金具能耗测量开展了系列试验，通过低压大电流试验装置得到了常见电力金具的能耗数据。余虹云［5］分析铸铁材质悬垂线夹的能耗机理并进行了铸铁和铝合金悬垂线夹的能耗对比试验，从原理和试验数据上得到了铝合金材质电力金具能耗要远低于铸铁材质电力金具能耗这一结论。厉天威［6］等通过有限元仿真计算了铸铁悬垂线夹和预扭式铝合金线夹的能耗，并对比了既有的试验结果，验证了有限元仿真在计算电力金具能耗方面的可靠性；通过经济技术分析认识到铝合金线夹经济效益更好。程云堂［7］等对复合材料悬垂线夹进行了有限元仿真，提出了复合材料电力金具能耗远小于铝合金金具能耗的观点。叶成［8］等对于电力金具能耗测试进行了规范，并制定了节能金具判断准则。

电力行业标准《电力金具能耗测试与节能技术评价要求》（DL/T 1288—2013）和《IEEE Guide for Energy Technology Evaluation of Electric Power Fittings》的颁布实施为电力金具的试验方法和节能评价提供了一定的参考依据［9-10］。但是在复杂磁环境下，电力金具能耗测量试验结果常发生变化，尚未有学者提出解决方法。因此，在电力金具研究领域，探究外部铁磁物质对电力金具能耗的影响规律能为获取精确的电力金具能耗测量试验结果提供指导。

IEEE 架空导线能耗测量方法标准［11］（IEEE Std 2772TM—2021）指出铁磁物质的存在会影响导线能耗测量结果，并进行了简单仿真。为探究外部铁磁物质对于非电气接续类线路金具能耗试验测量结果产生影响的规律，本文介绍了目前非电气接续类电力金具能耗测量试验平台，建立防振锤FD-5及适配导线的三维物理模型。利用有限元软件先后对有无铁磁物质情况下防振锤FD-5进行了涡流场仿真，并开展相应试验，得到了不同试验电流下，外部铁磁物质对于防振锤能耗测量结果的影响规律。

1 电力金具能耗测量试验原理

图1为非电气接续类线路金具能耗测量试验平台。为了使试验导线保持拉伸状态以模拟实际工况，对导线两端施加可控牵引力；白色外壳的控制电源和大电流发生器起到变换电流作用，从而使试验导线上通入有效值可调的工频交变电流；试验导线两端电位钳测量电压，结合电流互感器测量试验电流，数据输送到功率计从而直接读出电位钳间所测对象的能耗。

图1 非电气接续类线路金具能耗测量平台

非电气接续类线路金具能耗测量流程如下：测量额定有效值电流下导线能耗；对导线加装金具，通入相同有效值电流测量导线与金具总能耗；总能耗与导线能耗差值即为金具能耗。

开展电力金具能耗测量试验时，环境中存在拉力机轨道的钢构架、电流发生器和控制电源的金属外壳等铁磁物质。电力金具能耗测量需要对导线通入工频大电流，在周边环境中产生交变磁场，铁磁材料处于交变磁场中会产生涡流损耗［12］，同时改变试验区域磁场环境，进而影响电力金具能耗测量结果。

2 防振锤能耗仿真

图2为外部铁磁物质对防振锤能耗测量影响仿真流程，对于各类能耗进行了定义：无外部铁磁物质导线两端能耗P1；无外部铁磁物质且加装防振锤后，导线两端能耗P2；P2与P1的差值为根据目前电力金具能耗测量试验原理获取的无外部铁磁物质导线两端金具能耗（即无外部铁磁物质防振锤能耗）P3；有外部铁磁物质且加装防振锤后导线两端能耗P4；P4与P1的差值即为有外部铁磁物质导线两端金具能耗P5；通过场计算器求解的防振锤能耗P6和铁磁物质能耗P7。

图2 外部铁磁物质对防振锤能耗测量影响流程

为研究外部铁磁物质对防振锤能耗测量结果的影响规律，对如图3所示防振锤在三维建模软件Solidworks 中进行物理建模，在有限元软件ANSYS Maxwell涡流场求解器下分别进行500 A、650 A、800 A电流有效值下的涡流场仿真。

图3 FD型防振锤实物

2.1 仿真模型搭建

本次仿真中，将模型在建模软件中进行适当简化从而达到更好的精度和计算速度。如图4 所示，导线用圆柱结构替代复杂的绞线结构［13］，并且采取足够长度以模拟实际情况，防振锤线夹舍去了紧固螺栓螺母部分。图5中使用长度、宽度均为500 mm，厚度为20 mm的铁磁物质模拟试验环境中存在的钢构架；D为铁磁物质表面中心至导线中心的水平间距，数值可以调整。

图4 防振锤FD-5及适配导线物理模型

图5 防振锤FD-5外加铁磁物质模型示意图

2.2 求解参数设置

将物理模型导入到有限元仿真软件中，求解器设置为涡流场，并对防振锤及适配导线赋予材料：防振锤FD-5的两端重锤为灰铸铁材质，其余部件材质为镀锌钢；适配导线为钢芯铝绞线LGJ-400/35，根据20 ℃下直流电阻进行相应折算，得到导线的电导率［14］。

各组件材料参数如表1所示。以足够大的求解域包裹防振锤和导线，对导线通入有效值为500 A、650 A、800 A 的工频交变电流，求解域边界条件设为自然边界。对导线和外部铁磁物质采用基于集肤效应透入深度的表面网格剖分方法［15］。

表1 防振锤和适配导线各材料主要参数

3 仿真结果分析

根据图2定义，通过仿真计算可得无外部铁磁物质防振锤FD-5 能耗P3，外部铁磁物质存在时，P5（据试验原理所求值）和防振锤FD-5能耗P6，将三者数值进行比较。

3.1 不同电流下，外部铁磁物质对电力金具能耗测量结果的影响

按照现行电力行业标准《电力金具能耗测试与节能技术评价要求》（DL/T 1288—2013），通过改变导线通入电流大小、保持外加铁磁物质与导线间距D不变，探究铁磁物质对于防振锤能耗测量结果的影响。

图6为导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，D为100 mm时，P5和P6以及P3变化曲线。从图6 中可知：D为100 mm 时，导线通入不同有效值电流，铁磁物质的存在导致防振锤能耗测量结果大于P3测量结果；随着电流升高，能耗P5与能耗P3的曲线纵坐标差值提升，铁磁物质对于防振锤能耗测量结果影响增大。

图6 导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，D为100 mm，P5和P6变化情况

图7为导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，D为500 mm时，P5和P6以及P3变化曲线。从图7 可知：D为500 mm 时，导线通入不同有效值电流，铁磁物质的存在导致P5大于P3；P5与P6曲线数值变化接近。

图7 导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，D为500 mm，P5和P6变化情况

图8为导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，D为1 000 mm时，P5和P6以及P3变化曲线。从图8 可知：D为1 000 mm时，虽然电流升高，但P5曲线与P3曲线基本重合，说明铁磁物质对于防振锤能耗干扰极小，有铁磁物质防振锤能耗测量结果接近无铁磁物质防振锤能耗测量结果。

图8 导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，D为1 000 mm，P5和P6变化情况

图9为导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，D为100 mm、500 mm、1 000 mm时的P7变化曲线。从图9中可得：处于交变磁场中，铁磁物质的能耗导致有外部铁磁物质防振锤能耗测量结果大于P3测量结果；D不变的情况下，随着导线通流升高，铁磁物质对于电力金具能耗测量结果影响增大；导线通入相同有效值电流，铁磁物质对于防振锤能耗测量结果的影响随着D增大而减小。

图9 导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，D为100 mm、500 mm、1 000 mm，P7变化情况

3.2 铁磁物质与导线不同间距下，外部铁磁物质对电力金具能耗测量试验结果的影响

为探究D逐渐增大过程，防振锤能耗测量结果受到影响的程度，分别绘制导线通入500 A、650 A、800 A 有效值电流，D依次增大情况下的各类能耗曲线。

图10 为D依次增大，导线通入500 A 有效值电流情况下，P5和P6变化曲线。从图10 中可知：导线通入500 A 有效值电流，D为100 mm 时，P5远大于P6；随着D由1 000 mm 增加至2 000 mm，P5逐渐减小并与P6曲线趋于重合，铁磁物质对于防振锤能耗测量结果影响减小。

图10 D依次增大，有效值电流为500 A时，P5和P6变化情况

图11 为D依次增大，导线通入650 A 有效值电流情况下，P5和防振锤P6能耗变化曲线。从图11中可知：导线通入650 A有效值电流，D为100 mm 时，铁磁物质对防振锤能耗测量结果影响最大；随着D由100 mm 增至1 000 mm，P5逐渐减小，当D由1 000 mm增至2 000 mm，P5与P6两者曲线趋于重合。

图11 D依次增大，有效值电流为650 A时，P5和P6变化情况

图12 为D依次增大，导线通入800 A 有效值电流情况下，P5和P6变化曲线。从图12中看出：导线通入800 A 有效值电流，随着D由100 mm 增至1 000 mm，P5逐渐减小；当D由1 000 mm 增至2 000 mm，P5与P6两者曲线趋于重合。

图12 D依次增大，有效值电流为800 A时，P5和P6变化情况

图13为D依次增大，导线通入500 A、650 A、800 A有效值电流情况下，P7的变化曲线。从图13可知：导线分别通入500 A、650 A、800 A 有效值电流，P7曲线变化趋势与图10—12 中P5曲线变化趋势一致，说明P7是影响防振锤能耗测量结果的主要原因；随着D依次增加，环境中磁场强度减弱，铁磁物质自身能耗在不断减小，对于防振锤能耗测量结果的影响也逐渐降低。

图13 D依次增加，有效值电流分别为500 A、650 A、800 A时，P7变化趋势

4 防振锤能耗测量试验

图14 为外加铁磁物质导线两端金具能耗试验装置，支架保持铁磁物质与导线两者中心水平。使用如图14 所示装置开展防振锤能耗测量试验，验证仿真所得到的外部铁磁物质对防振锤能耗测量结果的影响规律。

图14 外加铁磁物质，导线两端金具能耗测量试验装置

试验分为3个阶段：

1）采用热电偶固定至导线中部，对导线通入额定电流后，导线温度15 min 内变化不超过1 ℃，即判定试验进入稳定状态；维持导线通入电流不变，导线恒温30 min后，记录导线能耗P1。

2）导线加装防振锤后，重复第一阶段操作，待导线温度稳定，记录导线与防振锤总能耗P2，P2与P1的差值即为额定有效值电流对应的防振锤FD-5的能耗P3。

3）如图14 所示，引入与仿真模型尺寸相同的铁磁物质，使其与导线中心水平间距D依次为100 mm、500 mm、1 000 mm、2 000 mm，记录有外部铁磁物质时，导线两端能耗P4，其中P4与P1的差值即为外加铁磁物质时，导线两端金具能耗P5。

表2为无外部铁磁物质，导线分别通入500 A、650 A、800 A 有效值电流，防振锤FD-5 能耗P3试验测量结果。可以看出，随着导线通入有效值电流由500 A 增至800 A，防振锤能耗P3逐渐升高。

表2 无外部铁磁物质，导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，防振锤FD-5能耗P3试验测量结果

表3 为D依次增大，导线分别通入500 A、650 A、800 A 有效值电流，P5试验测量结果。由表3 可知，随着D由100 mm 增至1 000 mm，P5逐渐减小；当D由1 000 mm继续增至2 000 mm，P5逐渐接近P3（见表2）。

表3 D依次增大，导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，P5试验测量结果

5 讨论

5.1 仿真与试验结果对比分析

图15 为无外部铁磁物质，导线分别通入500 A、650 A、800 A 有效值电流时，防振锤能耗P3的仿真计算与试验测量结果对比分析。由图15 可知，随着导线通入有效值电流逐渐增大，防振锤能耗P3的仿真计算值与试验测量值变化趋势相同，均逐渐增大；在导线通入相同有效值电流情况下，对防振锤能耗P3仿真计算值和试验测量值进行误差分析，其最大误差为4.1%。

图15 无外部铁磁物质，导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，防振锤FD-5能耗P3仿真计算与试验测量结果对比分析

图16 为D依次增大，导线通入800 A 有效值电流，P5仿真计算与试验测量结果对比分析。由图16可知：随着D由100 mm逐渐增至2 000 mm，P5的仿真计算值与试验测量值均逐渐减小；随着D依次增大，P5仿真计算值与试验测量值两者的误差逐渐升高，且误差最大为4%。

图16 D依次增大，导线通入800 A有效值电流，P5仿真计算与试验测量结果对比分析

由图15 可知，无外部铁磁物质，导线通入800 A 有效值电流，防振锤能耗P3试验测量值为24.3 W。从图16可知，D在500 mm及以上时，P5试验测量值维持在24.3～24.5 W 范围内。因此，可认为，D大于等于500 mm，P5测量结果基本为P3测量结果。

5.2 外部铁磁物质对电力金具能耗测量结果的影响分析

开展电力金具能耗测量试验时，外部铁磁物质的存在会对电力金具能耗测量试验结果产生干扰，P5为无外部铁磁物质电力金具能耗P3与P7之和。确定合理的D对于提高电力金具能耗测量试验结果精度十分重要。

图17 为D依次增大，导线分别通入500 A、650 A、800 A 有效值电流情况，铁磁物质对于防振锤能耗测量试验结果的影响趋势。从图17 可以看出：随着D由100 mm 增至2 000 mm，铁磁物质对于防振锤能耗试验测量结果的影响逐渐减小；外部铁磁物质与导线中心间距D由100 mm 增至500 mm，铁磁物质对于防振锤能耗测量结果由最大为13.7%降低至2.3%；外部铁磁物质与导线中心间距D继续由500 mm 增至2 000 mm，铁磁物质对于防振锤能耗测量结果影响始终低于2.3%。因此可以认为，在开展电力金具能耗测量试验时，D大于等于500 mm，铁磁物质对于电力金具能耗测量试验结果干扰可以忽略。

图17 D依次增大，导线分别通入500 A、650 A、800 A有效值电流，铁磁物质对防振锤能耗试验测量结果的影响

6 结语

本文围绕防振锤FD-5和外部铁磁物质搭建三维物理模型，通过仿真研究在导线通入500 A、650 A、800 A 有效值电流，D依次增大对电力金具能耗测量的影响，并开展试验进行验证。得到以下结论：

1）铁磁物质的存在会导致电力金具能耗测量结果大于无外部铁磁物质电力金具能耗测量结果，且随着导线通流升高，铁磁物质对电力金具能耗测量结果影响增大。

2）为保证线路金具能耗测量试验时，外部铁磁物质对防振锤能耗测量影响始终低于2.3%，试验导线周围500 mm之内不应存在铁磁物质。