巨軒同

摘要：導(dǎo)線溫升校驗(yàn)是導(dǎo)線選擇的一項(xiàng)重要指標(biāo)，牽引負(fù)荷相對(duì)常規(guī)負(fù)荷波動(dòng)性大、隨機(jī)性強(qiáng)，單純依據(jù)導(dǎo)線長(zhǎng)期載流量選擇牽引變電所導(dǎo)線，會(huì)造成導(dǎo)線能力過(guò)剩的情況。以實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了牽引負(fù)荷引起的焦耳熱，分析化簡(jiǎn)了熱平衡方程內(nèi)表面散熱和對(duì)流散熱公式，通過(guò)吸熱與散熱功率在時(shí)間上的積分得到導(dǎo)體凈吸收熱量，從而依據(jù)導(dǎo)線最大允許吸收熱量判斷選擇牽引變電所導(dǎo)線型號(hào)。

關(guān)鍵詞：溫升校驗(yàn);熱平衡方程;導(dǎo)線選擇

中圖分類號(hào)：TM922.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(fù)荷根據(jù)線路條件、列車運(yùn)行圖等因素形成最大負(fù)荷電流[1]。牽引負(fù)荷電流呈現(xiàn)隨機(jī)性強(qiáng)、波動(dòng)性大的特點(diǎn)，單純依據(jù)導(dǎo)線長(zhǎng)期載流量選擇牽引變電所內(nèi)導(dǎo)線會(huì)造成導(dǎo)線能力過(guò)剩的情況。國(guó)內(nèi)外對(duì)于同一種導(dǎo)線載流量均按照其最大允許溫度來(lái)設(shè)置，允許溫度越高，其載流量就越大，輸送的容量也就相應(yīng)提高[2]。牽引變電所牽引變壓器高低壓側(cè)戶外導(dǎo)線常規(guī)選擇鋼芯鋁絞線[3]，27.5 kV饋線常規(guī)選擇鋁包鋼芯鋁絞線。本文通過(guò)研究普速鐵路牽引變電所導(dǎo)線凈吸收熱量和導(dǎo)線最大允許吸收熱量確定牽引變電所導(dǎo)線截面。

1牽引變電所導(dǎo)線熱平衡分析

1.1導(dǎo)線熱平衡計(jì)算模型

導(dǎo)線溫升狀態(tài)與導(dǎo)線本身材料特性和周圍環(huán)境因素密切相關(guān)，當(dāng)導(dǎo)線的焦耳熱功率、日照吸熱功率與輻射散熱功率、對(duì)流散熱功率相平衡時(shí)導(dǎo)線即達(dá)到熱平衡狀態(tài)[4]。焦耳熱表達(dá)式：

1.2導(dǎo)線邊界條件分析

《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》與《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求室外鋁包鋼芯鋁絞線最大工作溫度不超過(guò)80 ℃，室外鋼芯鋁絞線最大工作溫度不超過(guò)70 ℃，因而導(dǎo)線最大工作溫度取上述允許值。室外導(dǎo)體載流量計(jì)算參數(shù)常取：溫度40 ℃，風(fēng)速0.5 m/s，日照強(qiáng)度1 000 W/m，輻射系數(shù)0.9[5]。

1.3導(dǎo)線溫升模型分析

為了簡(jiǎn)化表面散熱公式與對(duì)流散熱公式，將室外導(dǎo)線環(huán)境邊界條件帶入上述2個(gè)方程內(nèi)，同時(shí)約去小數(shù)點(diǎn)后一位計(jì)算結(jié)果，表面散熱功率方程與對(duì)流散熱房方程可化簡(jiǎn)為方程（5）和方程（6）。

2牽引所導(dǎo)線焦耳熱分析

2.1概述

我國(guó)普速干線鐵路建成時(shí)間早，線路坡度小，同一區(qū)段運(yùn)營(yíng)列車對(duì)數(shù)多。目前，普速鐵路電力機(jī)車大面積使用和諧型電力機(jī)車，此類機(jī)車功率因數(shù)高，諧波電流小。和諧型電力機(jī)車型號(hào)有：HXD1型、HXD2型、HXD3型，其中HXD1型電力機(jī)車牽引功率大，運(yùn)行的線路廣泛，部分線路存在雙機(jī)牽引的工況，HXD1實(shí)際持續(xù)運(yùn)營(yíng)速度為65 km/h。

2.2單列機(jī)車電流分析

電力機(jī)車啟動(dòng)過(guò)程分為恒牽引力啟動(dòng)階段、準(zhǔn)恒速運(yùn)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(guān)系;第3階段車輛在65 km/h速度目標(biāo)值下勻速運(yùn)行。鐵科院車輛研究所推薦HXD型電力機(jī)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(dāng)列車以65 km/h的時(shí)速勻速運(yùn)行，線路坡度為-0.006、0.000、0.006時(shí)，機(jī)車與車輛總阻力分別為0、92.4、395 kN。由于列車已達(dá)到目標(biāo)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(dǎo)線電流分析

鐵路日常運(yùn)營(yíng)時(shí)，同一供電臂會(huì)運(yùn)行多輛機(jī)車，表4為鐵路干線牽引變電所27.5 kV饋線最大負(fù)荷電流統(tǒng)計(jì)值。

由表4可知，牽引變電所27.5 kV饋線最大負(fù)荷電流的平均值為902 A，最大負(fù)荷電流值為974 A。最大負(fù)荷電流值的平均值與一輛機(jī)車在平坡勻速運(yùn)行，一輛萬(wàn)噸機(jī)車啟動(dòng)的總電流值基本吻合。

本文即以此工況校驗(yàn)導(dǎo)線通過(guò)電流產(chǎn)生的焦耳熱。

牽引變電所導(dǎo)線焦耳熱，結(jié)果如表5所示。

2.3所內(nèi)導(dǎo)線熱效應(yīng)分析

機(jī)車勻速運(yùn)行時(shí)，機(jī)車電流為常數(shù);列車啟動(dòng)時(shí)，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(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱為導(dǎo)線焦耳熱功率在時(shí)間軸上的積分。

3牽引變電所導(dǎo)線選擇

當(dāng)導(dǎo)線總吸熱功率大于總散熱功率時(shí)，導(dǎo)線溫度呈現(xiàn)上升現(xiàn)象。導(dǎo)線總吸收熱量引起的最高工作溫度不應(yīng)高于最大允許溫度。依據(jù)鋼芯鋁絞線以及鋁包鋼芯鋁絞線最大允許溫度和導(dǎo)線本身材質(zhì)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(shù)值。

3.127.5 kV側(cè)導(dǎo)線溫升校驗(yàn)

將牽引變電所常規(guī)標(biāo)稱截面的導(dǎo)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(shí)溫升可滿足規(guī)范要求。

牽引變壓器低壓側(cè)導(dǎo)線為全所某一方向母線供電。復(fù)線條件下，一段母線會(huì)引出上行和下行2回供電線。因而，牽引變壓器低壓側(cè)導(dǎo)線電流為27.5 kV饋線電流的2倍。依據(jù)表5和電流關(guān)系可知，牽引變壓器低壓側(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱應(yīng)：

常規(guī)標(biāo)稱截面的導(dǎo)線帶入熱平衡方程可知，單支鋼芯鋁絞線無(wú)法滿足導(dǎo)線溫升要求，牽引變壓器低壓側(cè)導(dǎo)線應(yīng)采取雙支鋼芯鋁絞線。經(jīng)核算，2×240 mm截面鋼芯鋁絞線即可滿足溫升要求。

3.2110 kV側(cè)導(dǎo)線溫升校驗(yàn)

牽引變電所內(nèi)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(cè)接入2個(gè)110 kV線電壓，中間相電流為2個(gè)邊相電流的矢量和[9]，因而高壓側(cè)導(dǎo)線溫升按中間相進(jìn)行校驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)測(cè)27.5 kV饋線電流為基礎(chǔ)，結(jié)合電力機(jī)車負(fù)荷特性及牽引變電所常規(guī)導(dǎo)線材質(zhì)特性校驗(yàn)了牽引變電所高低壓側(cè)導(dǎo)線溫升。通過(guò)校驗(yàn)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(cè)選擇2×240 mm鋼芯鋁絞線;牽引變壓器高壓側(cè)選擇240 mm鋼芯鋁絞線即可滿足導(dǎo)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(yùn)行圖等因素影響，在實(shí)際具體工程設(shè)計(jì)中應(yīng)依據(jù)線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、行車條件調(diào)整焦耳熱方程內(nèi)負(fù)荷電流，從而判斷導(dǎo)線是否滿足溫升要求。當(dāng)牽引變壓器低壓側(cè)饋線數(shù)量較多時(shí)，牽引變壓器低壓側(cè)電流應(yīng)充分考慮同時(shí)系數(shù)再校驗(yàn)導(dǎo)線溫升。

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