基于溫升的牽引變電所導線選型研究

巨軒同

摘要：導線溫升校驗是導線選擇的一項重要指標，牽引負荷相對常規負荷波動性大、隨機性強，單純依據導線長期載流量選擇牽引變電所導線，會造成導線能力過剩的情況。以實際測試數據為基礎，研究了牽引負荷引起的焦耳熱，分析化簡了熱平衡方程內表面散熱和對流散熱公式，通過吸熱與散熱功率在時間上的積分得到導體凈吸收熱量，從而依據導線最大允許吸收熱量判斷選擇牽引變電所導線型號。

關鍵詞：溫升校驗;熱平衡方程;導線選擇

中圖分類號：TM922.42 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）07-0161-04

Research onconductor selection of railway traction

substation based on temperature rise

JU Xuantong

（China Railway First Surveyand Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China）

Abstract：Conductor temperature rise verification is an important index of conductor selection. Compared with conventional load， traction load has large fluctuation and strong randomness. Simply selecting traction substation conductor based on long-term current carrying capacity of conductor will lead to excess conductor capacity. Based on the actual test data， this paper studies the Joule heat caused by traction load， analyzes and simplifies the internal surface heat dissipation and convective heat dissipation formula of heat balance equation， obtains the net heat absorbed by conductor through the integration of heat absorption and heat dissipation power in time， and then judges and selects the conductor type of traction substation according to the maximum allowable heat absorbed by conductor.

Key words：temperature rise verification; heat balance equation; conductor selection

電力牽引負荷根據線路條件、列車運行圖等因素形成最大負荷電流[1]。牽引負荷電流呈現隨機性強、波動性大的特點，單純依據導線長期載流量選擇牽引變電所內導線會造成導線能力過剩的情況。國內外對于同一種導線載流量均按照其最大允許溫度來設置，允許溫度越高，其載流量就越大，輸送的容量也就相應提高[2]。牽引變電所牽引變壓器高低壓側戶外導線常規選擇鋼芯鋁絞線[3]，27.5 kV饋線常規選擇鋁包鋼芯鋁絞線。本文通過研究普速鐵路牽引變電所導線凈吸收熱量和導線最大允許吸收熱量確定牽引變電所導線截面。

1牽引變電所導線熱平衡分析

1.1導線熱平衡計算模型

導線溫升狀態與導線本身材料特性和周圍環境因素密切相關，當導線的焦耳熱功率、日照吸熱功率與輻射散熱功率、對流散熱功率相平衡時導線即達到熱平衡狀態[4]。焦耳熱表達式：

1.2導線邊界條件分析

《導體和電器選擇設計技術規定》與《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》要求室外鋁包鋼芯鋁絞線最大工作溫度不超過80 ℃，室外鋼芯鋁絞線最大工作溫度不超過70 ℃，因而導線最大工作溫度取上述允許值。室外導體載流量計算參數常取：溫度40 ℃，風速0.5 m/s，日照強度1 000 W/m，輻射系數0.9[5]。

1.3導線溫升模型分析

為了簡化表面散熱公式與對流散熱公式，將室外導線環境邊界條件帶入上述2個方程內，同時約去小數點后一位計算結果，表面散熱功率方程與對流散熱房方程可化簡為方程（5）和方程（6）。

2牽引所導線焦耳熱分析

2.1概述

我國普速干線鐵路建成時間早，線路坡度小，同一區段運營列車對數多。目前，普速鐵路電力機車大面積使用和諧型電力機車，此類機車功率因數高，諧波電流小。和諧型電力機車型號有：HXD1型、HXD2型、HXD3型，其中HXD1型電力機車牽引功率大，運行的線路廣泛，部分線路存在雙機牽引的工況，HXD1實際持續運營速度為65 km/h。

2.2單列機車電流分析

電力機車啟動過程分為恒牽引力啟動階段、準恒速運行階段;HXD1的牽引力牽引特性如表2[7]所示。

第1階段為恒牽引力階段;第2階段列車速度與牽引力具有線性關系;第3階段車輛在65 km/h速度目標值下勻速運行。鐵科院車輛研究所推薦HXD型電力機車單位基本阻力公式及車輛單位基本阻力公式分別為方程（8）及方程（9）[8]：

當列車以65 km/h的時速勻速運行，線路坡度為-0.006、0.000、0.006時，機車與車輛總阻力分別為0、92.4、395 kN。由于列車已達到目標速度，牽引力僅克服阻力;因而牽引力與總阻力相等。

2.227.5 kV饋線導線電流分析

鐵路日常運營時，同一供電臂會運行多輛機車，表4為鐵路干線牽引變電所27.5 kV饋線最大負荷電流統計值。

由表4可知，牽引變電所27.5 kV饋線最大負荷電流的平均值為902 A，最大負荷電流值為974 A。最大負荷電流值的平均值與一輛機車在平坡勻速運行，一輛萬噸機車啟動的總電流值基本吻合。

本文即以此工況校驗導線通過電流產生的焦耳熱。

牽引變電所導線焦耳熱，結果如表5所示。

2.3所內導線熱效應分析

機車勻速運行時，機車電流為常數;列車啟動時，第1階段電流與速度成正比;第2階段電流與速度的平方成正比。導線產生的焦耳熱為導線焦耳熱功率在時間軸上的積分。

3牽引變電所導線選擇

當導線總吸熱功率大于總散熱功率時，導線溫度呈現上升現象。導線總吸收熱量引起的最高工作溫度不應高于最大允許溫度。依據鋼芯鋁絞線以及鋁包鋼芯鋁絞線最大允許溫度和導線本身材質特性可知，鋼芯鋁絞線與鋁包鋼芯鋁絞線最大允許吸收總熱量為下列數值。

3.127.5 kV側導線溫升校驗

將牽引變電所常規標稱截面的導線帶入熱平衡方程可知，27.5 kV饋線鋁包鋼芯鋁絞線截面不小于240 mm截面時溫升可滿足規范要求。

牽引變壓器低壓側導線為全所某一方向母線供電。復線條件下，一段母線會引出上行和下行2回供電線。因而，牽引變壓器低壓側導線電流為27.5 kV饋線電流的2倍。依據表5和電流關系可知，牽引變壓器低壓側導線產生的焦耳熱應：

常規標稱截面的導線帶入熱平衡方程可知，單支鋼芯鋁絞線無法滿足導線溫升要求，牽引變壓器低壓側導線應采取雙支鋼芯鋁絞線。經核算，2×240 mm截面鋼芯鋁絞線即可滿足溫升要求。

3.2110 kV側導線溫升校驗

牽引變電所內牽引變壓器接線型式常選用三相V、v接線型式，此接線型式的牽引變壓器高壓側接入2個110 kV線電壓，中間相電流為2個邊相電流的矢量和[9]，因而高壓側導線溫升按中間相進行校驗。

4結語

本文以實測27.5 kV饋線電流為基礎，結合電力機車負荷特性及牽引變電所常規導線材質特性校驗了牽引變電所高低壓側導線溫升。通過校驗可知，典型普速鐵路牽引變電所27.5 kV饋線選擇單支240 mm鋁包鋼芯鋁絞線;牽引變壓器低壓側選擇2×240 mm鋼芯鋁絞線;牽引變壓器高壓側選擇240 mm鋼芯鋁絞線即可滿足導線溫升要求。

值得注意的是27.5 kV饋線電流受線路條件、列車運行圖等因素影響，在實際具體工程設計中應依據線路設計標準、行車條件調整焦耳熱方程內負荷電流，從而判斷導線是否滿足溫升要求。當牽引變壓器低壓側饋線數量較多時，牽引變壓器低壓側電流應充分考慮同時系數再校驗導線溫升。

【參考文獻】

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