周炳凌,劉凱,王永強(qiáng),劉庭,吳田
(1.華北電力大學(xué),北京市 102206;2.江蘇省電力公司檢修分公司,南京市 210024;3.中國(guó)電力科學(xué)研究院,武漢市 430074;4.南京供電公司,南京市 210008)
耐熱鋁合金導(dǎo)線(以下簡(jiǎn)稱耐熱導(dǎo)線)是一種新型的輸變電工程材料,連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行溫度可達(dá)150℃或210℃,在短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行溫度可達(dá)180℃或240℃,遠(yuǎn)高于常規(guī)導(dǎo)線,其輸送能力比相同截面的常規(guī)鋼芯鋁絞線提高了30%100%,在用電負(fù)荷增長(zhǎng)較快的地區(qū),在盡量不更換桿塔的情況下,將原導(dǎo)線直接更換為大容量耐熱導(dǎo)線,已經(jīng)成為提高線路輸送容量的新方法[1-2]。
耐熱導(dǎo)線較高的允許溫度不僅會(huì)對(duì)與導(dǎo)線的復(fù)合絕緣子[3]、瓷絕緣子[4]和連接金具[5]等設(shè)備的電氣和機(jī)械性能產(chǎn)生影響,而且導(dǎo)線溫度的升高可能會(huì)對(duì)塔頭空氣間隙的放電特性產(chǎn)生影響,從而影響帶電作業(yè)的安全性。目前國(guó)內(nèi)外已開展了一些高溫對(duì)小間隙空氣放電電壓影響的實(shí)驗(yàn)研究,文獻(xiàn)[6]研究了空氣溫度在1100℃以下的溫度范圍內(nèi),0.52mm空氣間隙直流電壓的閃絡(luò)特性,同時(shí)研究了當(dāng)電極上的熱點(diǎn)溫度在1200℃以下溫度范圍內(nèi),空氣溫度為常溫時(shí),26cm空氣間隙直流電壓閃絡(luò)特性。文獻(xiàn)[7-8]研究了在20cm以下空氣間隙情況下,空氣溫度在252℃以下溫度范圍內(nèi),對(duì)正極性起暈電場(chǎng)、正極性放電影響的模型。文獻(xiàn)[9]研究了在10100℃溫度范圍內(nèi),1.18cm的絕緣表面及空氣間隙的操作及雷電沖擊放電特性。文獻(xiàn)[10]研究了空氣溫度在500℃以下,25cm棒板間隙雷電沖擊電壓、工頻電壓、慢波前操作沖擊電壓放電特性。文獻(xiàn)[11-12]研究了在630℃以下溫度范圍內(nèi),46.5cm的棒板間隙操作沖擊放電特性。對(duì)于高溫導(dǎo)線與桿塔之間1m以上空氣間隙的操作沖擊放電特性的影響還未見報(bào)道。
目前我國(guó)已經(jīng)在110220kV輸電線路上應(yīng)用耐熱鋁合金導(dǎo)線,急需開展高溫導(dǎo)線的帶電作業(yè),以及時(shí)消除線路缺陷[13-17]。因此,本文開展高溫導(dǎo)線對(duì)帶電作業(yè)間隙放電特性的研究,并結(jié)合氣體放電理論分析高溫導(dǎo)線對(duì)間隙放電電壓的影響,得到耐熱導(dǎo)線運(yùn)行溫度對(duì)帶電作業(yè)安全距離的影響,為耐熱導(dǎo)線帶電作業(yè)的安全開展提供技術(shù)依據(jù)。
為了解耐熱導(dǎo)線高溫狀態(tài)下,導(dǎo)線本體及附近金具、空氣的溫度情況,進(jìn)行了導(dǎo)線通流及溫度測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)采用10kA/(200kVA)低壓大電流發(fā)生器,導(dǎo)線采用JNRLH3/LBY 345/55鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線,允許長(zhǎng)期運(yùn)行溫度為210℃。試驗(yàn)布置示意圖如圖1所示。
耐熱導(dǎo)線用絕緣子懸掛起來,導(dǎo)線兩端連接大電流發(fā)生器。分別在導(dǎo)線表面、懸垂線夾、耐張線夾、碗頭掛板以及距離導(dǎo)線10cm處放置測(cè)溫探頭,實(shí)時(shí)記錄各點(diǎn)溫度情況。探頭布置情況如圖2所示。
在導(dǎo)線運(yùn)行過程中,負(fù)荷電流、日光輻射、風(fēng)速以及導(dǎo)線的熱輻射都會(huì)影響導(dǎo)線運(yùn)行溫度。試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,將導(dǎo)線通過穩(wěn)定的工頻電流,并保持室內(nèi)無(wú)陽(yáng)光照射、無(wú)風(fēng),保證導(dǎo)線溫度穩(wěn)定的升高。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度為26℃,濕度為49%,氣壓為101.0kPa,風(fēng)速為0m/s。對(duì)導(dǎo)線通以約1900A的工頻電流,記錄各測(cè)試點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置如圖3所示。
圖3 溫度分布試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3 Testing picture of temperature distribution
利用模擬試驗(yàn)研究耐熱線路較高的運(yùn)行溫度對(duì)帶電作業(yè)間隙放電特性的影響。試驗(yàn)電源采用2400kV沖擊電壓發(fā)生器。模擬導(dǎo)線-塔身間隙平行布置,模擬導(dǎo)線長(zhǎng)2m、直徑20mm,內(nèi)置2根長(zhǎng)1m、220V/2000W的加熱棒;模擬塔身采用1m×1.5m的鍍鋅鋼板。模擬導(dǎo)線接高壓引線,通過一段耐高溫絕緣繩懸掛于橫梁上,距地面2.5m;模擬塔身接地,用絕緣繩懸掛于橫梁上,距地面1.5m。由于目前耐熱導(dǎo)線多用于110kV或220kV線路,塔上帶電作業(yè)多采用地電位作業(yè),此時(shí)可不考慮作業(yè)人員的影響[18]。試驗(yàn)布置示意圖如圖45所示,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。
試驗(yàn)時(shí)先對(duì)加熱棒施加220V電源以對(duì)模擬導(dǎo)線加熱,并采用鉑電阻測(cè)溫儀對(duì)模擬導(dǎo)線溫度進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)模擬導(dǎo)線溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度范圍時(shí),斷開加熱電源,并移開220V電源線和測(cè)溫儀表等設(shè)備,然后在模擬導(dǎo)線上施加操作沖擊電壓。試驗(yàn)過程中保持導(dǎo)線溫度在試驗(yàn)溫度(160℃或240℃)附近,溫度變化范圍為±10℃。每次操作沖擊后,測(cè)量模擬導(dǎo)線溫度,當(dāng)模擬導(dǎo)線溫度降低到試驗(yàn)溫度范圍時(shí),重復(fù)接通導(dǎo)線內(nèi)加熱棒電源,使導(dǎo)線溫度升至試驗(yàn)溫度范圍。
試驗(yàn)持續(xù)了約75min,導(dǎo)線溫度升至約180℃。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。導(dǎo)線上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化如圖7所示。
?
由試驗(yàn)結(jié)果可知,耐熱導(dǎo)線在約180℃高溫運(yùn)行時(shí),本體溫度最高;與導(dǎo)線直接接觸的金具溫度次之,如預(yù)絞絲、耐張線夾接續(xù)處、懸垂線夾等金具的溫度在100℃以上;沒有與導(dǎo)線直接接觸的金具,如聯(lián)板、耐張線夾的掛環(huán)處,溫度約為60℃;碗頭掛板處,由于與導(dǎo)線距離較遠(yuǎn),溫度比環(huán)境溫度高約7℃;離導(dǎo)線表面10cm的空氣,溫度比環(huán)境溫度高約3℃。
本文分別在常溫、160℃和240℃下進(jìn)行了間隙距離為1.0、1.2、1.5m 的+250μs/2500μs正極性標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊放電試驗(yàn)。試驗(yàn)采用升降法求取其操作沖擊50%放電電壓(U50)。表2為在常溫、160℃和240℃下,間隙距離為1.0、1.2和1.5m 的U50,圖8為不同間隙下U50隨溫度的變化曲線。為了削弱實(shí)驗(yàn)室氣象條件變化帶來的影響,試驗(yàn)結(jié)果按照實(shí)驗(yàn)室環(huán)境氣象條件校正到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下。
由試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)導(dǎo)線溫度為240℃左右時(shí),1.0m空氣間隙的50%操作沖擊放電電壓,與常溫相比變化較大,降低了約6%。在其他空氣間隙距離下,50%操作沖擊放電電壓,與常溫相比變化不大,變化范圍在2%左右。不同導(dǎo)線運(yùn)行溫度對(duì)空氣間隙的放電有一定影響。
?
根據(jù)氣體放電理論[19-24]可知,導(dǎo)線本體及其周圍空氣的溫度對(duì)氣隙放電的影響主要有以下2個(gè)方面:(1)電極溫度上升,金屬電極上的電子動(dòng)能增大,更容易從電極逸出形成自由電子;(2)氣體溫度上升,空氣密度下降,空氣中自由電子的平均自由程增長(zhǎng),更容易造成碰撞電離。
由費(fèi)米-狄拉克分布公式可以計(jì)算出鋁顯著發(fā)射熱電子的溫度理論值約為1700K(1400℃)。而耐熱鋁合金導(dǎo)線的運(yùn)行溫度最高為240℃時(shí),其實(shí)際熱電離與常溫相差不大。耐熱導(dǎo)線較高的運(yùn)行溫度,對(duì)導(dǎo)線表面熱電子發(fā)射影響較小。
外絕緣破壞性放電(包括自由氣隙的擊穿和沿絕緣外表面的閃絡(luò))電壓值正比于大氣校正因素[19]。大氣條件對(duì)放電影響一般通過相對(duì)空氣密度的函數(shù)修正,但是氣體溫度和壓強(qiáng)2個(gè)參數(shù)都同時(shí)對(duì)放電發(fā)展有影響。溫度對(duì)放電過程的影響大于氣體密度影響[11-12]。Rizk[25]基于臨界操作過電壓下先導(dǎo)起始電壓公式,根據(jù)流注發(fā)展所需強(qiáng)度隨空氣相對(duì)密度降低而下降的關(guān)系分析了空氣的相對(duì)密度對(duì)長(zhǎng)間隙擊穿電壓的影響,即
式中:ES1為流注在δ=1時(shí)的流注發(fā)展所需要電場(chǎng)強(qiáng)度,450kV/m;δ為空氣相對(duì)密度[22],即
式中:p為實(shí)試時(shí)的大氣壓強(qiáng),kPa;θ為實(shí)試時(shí)的溫度,℃。
由于本試驗(yàn)中主要施加正極性操作波,根據(jù)流注和先導(dǎo)放電理論,在僅出現(xiàn)正極性流注和先導(dǎo)的情況下(ES/=1;G≤1),U50擊穿電壓[26]可以表示為
式中:EL為先導(dǎo)區(qū)的平均場(chǎng)強(qiáng);ES為流注區(qū)的平均場(chǎng)強(qiáng);lL和lS分別為放電過程中先導(dǎo)和流注的長(zhǎng)度。
先導(dǎo)和流注長(zhǎng)度的比值近似為
根據(jù)氣體放電試驗(yàn)的結(jié)果,先導(dǎo)的比例很小,在不考慮先導(dǎo)對(duì)擊穿電壓影響的條件下,正流注在導(dǎo)線附近的高溫區(qū)和遠(yuǎn)離導(dǎo)線的常溫區(qū)發(fā)展的擊穿電壓U′50可近似為
根據(jù)式(2)、式(3)和式(5)可以得到導(dǎo)線附近高溫對(duì)間隙擊穿電壓的影響的公式,即
根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量導(dǎo)線表面的溫度一般不超過240℃,在距離導(dǎo)線約10cm處,空氣的溫度約比周圍溫度高3℃,在導(dǎo)線附近一個(gè)高溫空間的溫度可以近似為122℃,根據(jù)式(7)計(jì)算,1.0、1.2和1.5m 的高溫導(dǎo)線-桿塔間隙的擊穿電壓分別下降到標(biāo)準(zhǔn)條件下的97.4%,97.8%和98.2%,放電電壓下降程度很小,且隨間隙長(zhǎng)度的增加高溫對(duì)擊穿電壓的影響下降,理論分析計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。在間隙長(zhǎng)度增加到4m時(shí),擊穿電壓約為標(biāo)準(zhǔn)條件下的99.4%。根據(jù)以上分析可知,導(dǎo)線溫度升高對(duì)1.0m以上空氣間隙的50%操作沖擊放電電壓影響不大,對(duì)110220kV電壓等級(jí)輸電線路帶電作業(yè)安全距離無(wú)影響。
(1)耐熱導(dǎo)線較高的運(yùn)行溫度會(huì)使線路金具及周圍空氣溫度升高,離導(dǎo)線10cm以外的空氣溫度與環(huán)境溫度相近。
(2)耐熱導(dǎo)線最高運(yùn)行溫度遠(yuǎn)低于金屬熱電子發(fā)射所需的溫度,不會(huì)造成顯著熱電子發(fā)射,對(duì)空氣間隙的放電影響較小。
(3)高溫導(dǎo)線附近空氣溫度的升高,可能會(huì)使輸電線路塔頭間隙的放電電壓降低。對(duì)1.0m以上的空氣間隙,導(dǎo)線240℃的運(yùn)行溫度對(duì)其50%操作沖擊放電電壓的影響可忽略。
(4)110220kV電壓等級(jí)耐熱導(dǎo)線輸電線路帶電作業(yè),按常規(guī)輸電線路帶電作業(yè)規(guī)定的安全距離要求開展即可。
(5)結(jié)合流注和先導(dǎo)放電理論,給出了耐熱導(dǎo)線對(duì)間隙放電特性的評(píng)估方法和公式,理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。
(6)耐熱導(dǎo)線高溫運(yùn)行時(shí),導(dǎo)線及其周圍溫度較高,需要進(jìn)一步開展等電位作業(yè)人員的高溫防護(hù)措施研究。
[1]張瑞永,趙新宇,李明,等.輸電線路新型節(jié)能導(dǎo)線的推廣應(yīng)用[J].電力建設(shè),2012,33(06):89-92.
[2]Zamora I,Mazon A J,Eguia P,et al. High-temperature conductors:a solution in the uprating of overhead transmission lines[C]//Power Tech Proceedings.Porto:IEEE,2001:1-6.
[3]Springer P,Callaway D.Effect of conductor high-temperature on porcelain suspension insulators[C]//Power and Energy Society General Meeting.Minneapolis:IEEE,2010 :1-3.
[4]Ostendorp M,Cannon D,Young J.Performance of transmission line components at increasing operating temperatures[C]//EPRI,Palo Alto,CA:2003.100209.
[5]Hill R J.The effect of high temperature conductors on composite suspension insulator performance[C]//Power and Energy Society General Meeting.Minneapolis:IEEE,2010 :1-4.
[6]Alston L L.High-temperature effects on flashover in air[J].The Institution of Electrical Enginerrs 1958,105(24):549-553.
[7]Allen N L,Kong J C P.Positive corona inception in air at elevated temperature[J].IEE Proceeding-Science, Measurement and Technology,2006,153(1):31-38.
[8]Allen N L,Ghaffar A.The variation with temperature of positive streamer properties in air[J].Journal of Physics D:Applied Physics,1995,28(2):338-343.
[9]Allen N L,EI-Naili M.Impluse breakdown of insulators and air gaps of similar electrode configurations effects of temperature[J].IEEE Transactions on Dielectries and Electrical Insulation,1994,1(6):1148-1155.
[10]Allen N L,Greaves D A.Tests on the breakdown of air at elevated temperatures in non-uniform electric fields[J].IEEProceedings-Science,Measurement and Technology,2000,147(6):291-295.
[11]Aleksandrov N L,Bazelyan E M.Temperature and density effects on the properties of a long positive streamer in air[J].Journal of Physics D:Applied Physics,1996,29(11):1873-2880.
[12]Aleksandrov N.L,Bazelyan E.M.The effect of initial NO content on spark breakdown in high-temperature air[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1999,27(5):1454-1457.
[13]尤傳永.耐熱鋁合金導(dǎo)線的耐熱機(jī)理及其在輸電線路中的應(yīng)用[J].電力建設(shè),2003,24(8):4-8.
[14]許大成,黃欲成,韓鵬飛,等.耐熱鋁合金導(dǎo)線在實(shí)際工程中的應(yīng)用[J].電力科學(xué)與工程,2011,27(11):68-71.
[15]GB 26859—2011電力安全工作規(guī)程 電力線路部分[S].
[16]戚柏林.超耐熱間隙型導(dǎo)線在220kV輸電線路中應(yīng)用與實(shí)踐[J].電力建設(shè),2010,31(8):46-49.
[17]劉俊勇,羅文.用于架空輸電線的不同耐熱導(dǎo)線的比較分析[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011(3):29-33.
[18]胡毅.送變電帶電作業(yè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004.
[19]周澤存.高電壓技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.
[20]嚴(yán)璋,朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.
[21]武占成.氣體放電[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2012.
[22]GB/T 16927.1—2011高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第1部分:一般定義及試驗(yàn)要求[S].
[23]王偉,丁燕生,李成榕,等.空氣溫度對(duì)電暈籠中導(dǎo)線直流電暈特性的影響[J].高電壓技術(shù),2009,35(3):613-617.
[24]李金梅,李強(qiáng).發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體絕緣性能不良影響的實(shí)驗(yàn)研究[C]//第十一屆中國(guó)科協(xié)年會(huì),北京,2009.
[25]Rizk F A M.Critical switching impulse strength of long air gaps:Modelling of air density effects[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1992,7(3):1507-1515.
[26]Pigini A,Sortorio G,Moreno M,et al.Influence of air density on the impulse strength of external insulation [J].IEEE Transactions on Power Apparatus System,1985,PAS-104(10):2888-2900.