馬小敏，范松海，畢茂強(qiáng)，曾 帥，江天炎

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司 電力科學(xué)研究院，成都 610072；2.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054）

耐張線(xiàn)夾作為輸電線(xiàn)路中常用的一種連接金具，其性能的好壞與整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的聯(lián)系［1］。耐張線(xiàn)夾不僅起到連接導(dǎo)線(xiàn)與桿塔的作用，還是電能流動(dòng)的載體［2］。目前由于投入使用的耐張線(xiàn)夾數(shù)量多，且缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢驗(yàn)安裝完成后的耐張線(xiàn)夾是否達(dá)到要求，致使耐張線(xiàn)夾成為所投運(yùn)線(xiàn)路的薄弱環(huán)節(jié)［3-5］。在一些無(wú)人區(qū)的輸電線(xiàn)路中，如沙漠、沼澤、原始森林等氣候環(huán)境條件差異很大，無(wú)人區(qū)的氣候環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)行工況較差，線(xiàn)路耐張線(xiàn)夾比一般條件下更易出現(xiàn)故障［6］，因而，其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)整個(gè)輸電線(xiàn)路的可靠性有著重要意義。而在輸電線(xiàn)路中，耐張線(xiàn)夾的異常發(fā)熱，是輸電線(xiàn)路斷線(xiàn)的潛在威脅之一［7-9］，因而有必要采取措施對(duì)耐張線(xiàn)夾運(yùn)行溫度進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。

運(yùn)行中的耐張線(xiàn)夾不可避免會(huì)出現(xiàn)缺陷甚至損壞等情況，在電流作用下會(huì)產(chǎn)生熱量，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)引起事故的發(fā)生?，F(xiàn)階段可用于耐張線(xiàn)夾缺陷診斷的方法主要有紅外熱成像技術(shù)［10］，其診斷方式是監(jiān)測(cè)線(xiàn)夾在運(yùn)行中熱輻射能量的分布，根據(jù)得到的熱成像圖，分析線(xiàn)夾可能出現(xiàn)的故障。此外，國(guó)內(nèi)外也有采用渦流法來(lái)進(jìn)行設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)［11］，文獻(xiàn)［12］提出了一種基于渦流檢測(cè)的線(xiàn)夾缺陷檢測(cè)方法，根據(jù)缺陷信號(hào)的特征來(lái)分類(lèi)線(xiàn)夾缺陷。

當(dāng)耐張線(xiàn)夾各部位的接觸狀況發(fā)生改變時(shí)，由于輸電線(xiàn)路的電流較大，耐張線(xiàn)夾各連接部位便會(huì)有異常發(fā)熱的現(xiàn)象［13］，嚴(yán)重可使整條線(xiàn)路停運(yùn)。在輸電線(xiàn)路中在線(xiàn)監(jiān)測(cè)耐張線(xiàn)夾的運(yùn)行狀況，因其數(shù)量龐大，而難以實(shí)現(xiàn)［14］。在實(shí)際的工程檢修中，通常通過(guò)測(cè)量耐張線(xiàn)夾各部位的運(yùn)行溫度，來(lái)判斷其工作是否正常。但這種方式只能粗略的判斷其是否出現(xiàn)故障，難以準(zhǔn)確地判斷耐張線(xiàn)夾缺陷發(fā)生的類(lèi)型，往往需要較為繁瑣的人工檢測(cè)步驟來(lái)進(jìn)一步判斷缺陷發(fā)生的程度。

本文提出了一種輸電線(xiàn)路耐張線(xiàn)夾缺陷智能診斷方法，首先建立了輸電線(xiàn)路耐張線(xiàn)夾溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型，通過(guò)改變進(jìn)線(xiàn)端壓接部位、螺栓緊固部位和引流板壓接部位接觸面的接觸電阻，模擬耐張線(xiàn)夾發(fā)生的不同缺陷，分析耐張線(xiàn)夾不同部位出現(xiàn)缺陷的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，并構(gòu)建了耐張線(xiàn)夾缺陷與溫升的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的耐張線(xiàn)夾的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，診斷出溫升異常的耐張線(xiàn)夾出現(xiàn)接觸不良缺陷，停電檢修結(jié)果表明，本文提出的方法可以實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路耐張線(xiàn)夾缺陷的有效診斷。

1 輸電線(xiàn)路耐張線(xiàn)夾結(jié)構(gòu)分析

1.1 耐張線(xiàn)夾結(jié)構(gòu)

本文研究對(duì)象是220 kV輸電線(xiàn)路的耐張線(xiàn)夾，其型號(hào)為NY300/40型線(xiàn)夾，承接的導(dǎo)線(xiàn)多采用LGJ300/40 mm2導(dǎo)線(xiàn)，其模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整體結(jié)構(gòu)由鋁管和鋼錨2個(gè)部分組成，通過(guò)液壓的方式，將鋼芯鋁絞線(xiàn)與耐張線(xiàn)夾固定在線(xiàn)路中［15］。其中，鋁管只起到承載電流的作用，外部機(jī)械負(fù)荷由鋼錨承受。其工作方式是：電流由輸電線(xiàn)傳輸至耐張線(xiàn)夾進(jìn)線(xiàn)端，經(jīng)耐張線(xiàn)夾本體后，電流傳輸至螺栓緊固部位，最后由引流板所接導(dǎo)線(xiàn)流出。顯然，電流流經(jīng)整個(gè)過(guò)程所經(jīng)過(guò)的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，很難通過(guò)理論推算來(lái)得到耐張線(xiàn)夾各部位的電阻值。本文將接觸電阻的概念引入，通過(guò)各部位壓接形成的接觸電阻值的不同，來(lái)等效耐張線(xiàn)夾各部位的不同接觸情況。

圖1 耐張線(xiàn)夾模型結(jié)構(gòu)圖

1.2 接觸電阻

接觸電阻產(chǎn)生的來(lái)源主要有2個(gè)方面：第一，由于器件相互接觸的2個(gè)面是粗糙的，當(dāng)2個(gè)器件連接時(shí)，其實(shí)際的接觸面積小于理論的接觸面積。對(duì)于金屬導(dǎo)體而言，接觸面的實(shí)際面積減小，其導(dǎo)電截面也隨之減小，從而，截面間的電阻便會(huì)增大，這部分稱(chēng)為收縮電阻。第二，2個(gè)器件的接觸面在外界環(huán)境中會(huì)形成一層氧化膜，這層氧化膜會(huì)降低器件的導(dǎo)電性能，這也使得截面間的電阻增大，稱(chēng)為膜層電阻［16］。接觸面的接觸電阻Rj可表示為：

式中：Rc1為收縮電阻；Rf1為膜層電阻。

此外，接觸面還是熱能流動(dòng)的載體，熱能在接觸面之間的傳導(dǎo)方式主要是通過(guò)固體接觸點(diǎn)之間的熱傳導(dǎo)。所以接觸熱阻的計(jì)算方式同接觸電阻類(lèi)似，同樣是由收縮熱阻以及膜層熱阻2個(gè)部分組成。接觸面的接觸熱阻Rr可表示為：

式中：Rc2為收縮熱阻；Rf2為膜層熱阻。

通過(guò)對(duì)比Holm接觸電阻理論以及單點(diǎn)接觸熱阻模型，推導(dǎo)得出接觸電阻以及接觸熱阻關(guān)系為［17］：

式中：ρ為接觸面的等效電阻率（Ω·m）；λ為接觸面的等效導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））。

接觸面積比可以有效表征器件的接觸電阻［18］，設(shè)接觸面的理論接觸面積st與實(shí)際接觸面積sa的比值為k（即k=st/sa）。接觸面積比k越大，實(shí)際接觸面積sa越小，接觸電阻Rj越大，因此k與接觸電阻是正比關(guān)系，與接觸面的電阻率也是成正比。同理，式（3）表明接觸面的導(dǎo)熱系數(shù)與電阻率是反比關(guān)系，k與接觸面的導(dǎo)熱系數(shù)呈反比關(guān)系。因此，在仿真時(shí)，可以通過(guò)改變接觸面的電阻率與導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)達(dá)到改變接觸電阻的目的。

2 耐張線(xiàn)夾缺陷溫升仿真計(jì)算

2.1 耐張線(xiàn)夾溫度場(chǎng)仿真方法

本文依據(jù)導(dǎo)線(xiàn)與耐張線(xiàn)夾的工程結(jié)構(gòu)，進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化模型，利用ANSYS軟件對(duì)該模型進(jìn)行求解，設(shè)置網(wǎng)格劃分參數(shù)，添加材料、邊界條件、激勵(lì)等步驟后，進(jìn)行求解，流程如圖2所示。

圖2 仿真流程框圖

耐張線(xiàn)夾仿真模型如圖3所示，導(dǎo)線(xiàn)被視作單位長(zhǎng)度電阻相同的鋁柱，將耐張線(xiàn)夾的進(jìn)線(xiàn)端壓接部位的接觸面與引流板壓接部位的接觸面等效為同軸的實(shí)心圓筒，接觸層的厚度為1 mm，鋼錨與引流板連接段等效為圓滑彎管，螺栓緊固形成的接觸面等效為平面接觸，接觸層厚度為1 mm。

圖3 耐張線(xiàn)夾仿真模型圖

當(dāng)耐張線(xiàn)夾出現(xiàn)缺陷時(shí)，其運(yùn)行工況將發(fā)生改變，其發(fā)熱可能會(huì)超過(guò)安全閾值。耐張線(xiàn)夾易發(fā)生缺陷部位主要有3個(gè)：一是進(jìn)線(xiàn)端壓接部位；二是螺栓緊固部位；三是引流板壓接部位。本文討論了耐張線(xiàn)夾正常工作狀況與以上3個(gè)部位出現(xiàn)缺陷時(shí)的溫度場(chǎng)分布情況。

2.2 正常狀態(tài)下耐張線(xiàn)夾的溫度場(chǎng)分布

當(dāng)耐張線(xiàn)夾正常工作時(shí)，表示其安裝步驟符合工程標(biāo)準(zhǔn)，且耐張線(xiàn)夾本身無(wú)缺陷，負(fù)荷電流為其正常工作電流，仿真時(shí)，設(shè)接觸面積比k為1 000，模擬正常接觸電阻［18］，負(fù)荷電流設(shè)置為500 A，環(huán)境因素分別設(shè)置為溫度26.00℃，風(fēng)速0.6 m/s，相對(duì)濕度為74%。

耐張線(xiàn)夾正常工作時(shí)的溫度場(chǎng)分布特性如圖4所示，耐張線(xiàn)夾正常工作時(shí)最高溫度在正常范圍內(nèi)，最高溫度為47.278℃，出現(xiàn)在導(dǎo)線(xiàn)與耐張線(xiàn)夾進(jìn)線(xiàn)端壓接部位，耐張線(xiàn)夾兩端導(dǎo)線(xiàn)壓接處的溫度比螺栓緊固部位的溫度要高，原因是耐張線(xiàn)夾整體表面積大，有利于其熱量揮發(fā)，導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱就大于耐張線(xiàn)夾；整體溫度較低，原因是耐張線(xiàn)夾整體的接觸面積比小，從而接觸面的電阻就小，發(fā)熱功率就小。

圖4 耐張線(xiàn)夾正常工作時(shí)溫度場(chǎng)分布圖

2.3 不同缺陷部位下的溫度場(chǎng)分布

耐張線(xiàn)夾各部位的結(jié)構(gòu)不同，出現(xiàn)的缺陷程度也有差異，引起的溫度場(chǎng)分布改變也不同，所以，需要對(duì)發(fā)生缺陷頻率高的部位，分析其缺陷引起的溫度場(chǎng)的變化。仿真時(shí)，設(shè)定缺陷部位接觸面的接觸面積比k為10 000，其余接觸部位按正常標(biāo)準(zhǔn)1 000設(shè)置，材料的電阻率以及導(dǎo)熱系數(shù)按比例設(shè)定。負(fù)荷電流設(shè)置為500 A，環(huán)境因素與正常運(yùn)行工況仿真條件一致。

當(dāng)耐張線(xiàn)夾缺陷發(fā)生在進(jìn)線(xiàn)端壓接部位時(shí)，其溫度場(chǎng)分布如圖5所示。耐張線(xiàn)夾最高溫度為68.147℃，最高溫度出現(xiàn)在進(jìn)線(xiàn)端壓接部位，螺栓緊固部位溫度較壓接部位略低，而引流板壓接部位溫度最低為57.623℃。因?yàn)楫?dāng)缺陷出現(xiàn)在進(jìn)線(xiàn)端壓接部位時(shí)，該處的接觸狀況發(fā)生改變，接觸面積比變大，致使接觸部位的接觸電阻增大，從而導(dǎo)致該處接觸面的發(fā)熱功率增大。

圖5 耐張線(xiàn)夾缺陷在進(jìn)線(xiàn)端壓接部位時(shí)溫度場(chǎng)分布圖

當(dāng)缺陷發(fā)生在螺栓緊固部位時(shí)，其溫度場(chǎng)分布如圖6所示。耐張線(xiàn)夾的最高溫度為84.452℃，最高溫度出現(xiàn)在耐張線(xiàn)夾螺栓緊固部位，而最低溫度則出現(xiàn)在進(jìn)線(xiàn)端壓接部位。螺栓緊固處的溫度要比耐張線(xiàn)夾兩端溫度高，該處接觸面的接觸面積比大，即實(shí)際導(dǎo)電面積變小，使得接觸電阻變大，線(xiàn)路運(yùn)行時(shí)，該處溫升變得更加明顯。

圖6 耐張線(xiàn)夾缺陷在螺栓緊固部位時(shí)溫度場(chǎng)分布圖

當(dāng)缺陷發(fā)生在引流板壓接部位時(shí)，其溫度場(chǎng)分布如圖7所示。耐張線(xiàn)夾最高溫度為70.781℃，最高溫度出現(xiàn)在引流板壓接部位，而最低溫度則出現(xiàn)在進(jìn)線(xiàn)端壓接部位。同理，當(dāng)耐張線(xiàn)夾缺陷出現(xiàn)在引流板壓接部位時(shí)，該處的溫度會(huì)較正常值高，長(zhǎng)時(shí)間保持高溫運(yùn)行時(shí)，極易造成耐張線(xiàn)夾損壞。

圖7 耐張線(xiàn)夾缺陷在引流板壓接部位時(shí)溫度場(chǎng)分布圖

3 耐張線(xiàn)夾缺陷與溫度關(guān)聯(lián)關(guān)系

為進(jìn)一步揭示耐張線(xiàn)夾缺陷與溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，本文研究了溫度與接觸面積比之間的關(guān)系，參照文獻(xiàn)［18］，以接觸面積比為1 000、10 000、20 000、30 000、40 000、50 000進(jìn)行仿真，獲取不同接觸狀態(tài)的耐張線(xiàn)夾溫度分布情況并進(jìn)行分析，耐張線(xiàn)夾最高溫度如表1所示，可見(jiàn)溫度隨著接觸面積比的增大而增大。對(duì)比3個(gè)部位的缺陷發(fā)現(xiàn)，螺栓緊固部位發(fā)生缺陷時(shí)，其溫度增大最為突出，表明該部位為耐張線(xiàn)夾的缺陷易發(fā)部位。

表1 不同接觸面積比下的最高溫度 ℃

采用最小二乘方法［19］對(duì)表1中的仿真溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算（斷裂情況不在擬合范圍內(nèi)），擬合得到耐張線(xiàn)夾在不同缺陷程度下的溫升曲線(xiàn)，如圖8所示，其擬合優(yōu)度R2均接近于1（由上到下分別為0.980 1、0.971 3、0.978 1），說(shuō)明該回歸曲線(xiàn)擬合程度較好，溫度分布模型具有對(duì)數(shù)特征。

圖8 耐張線(xiàn)夾溫度擬合曲線(xiàn)

常見(jiàn)耐張線(xiàn)夾運(yùn)行缺陷可以歸納為接觸不良（包括銹蝕與螺絲松動(dòng)等）與形變?nèi)毕?。文獻(xiàn)［18］研究結(jié)果表明接觸面積比大于5 000時(shí)，耐張線(xiàn)夾出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。結(jié)合《DL/T664—2016帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》的溫度標(biāo)準(zhǔn)［20］以及溫度擬合曲線(xiàn)，接觸面積比約在5 000～40 000之間為接觸不良缺陷；大于40 000為形變?nèi)毕?，需要更換耐張線(xiàn)夾。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)可以根據(jù)檢測(cè)的溫度值，快速診斷耐張線(xiàn)夾不同部位缺陷所屬類(lèi)型，從而指導(dǎo)耐張線(xiàn)夾的維修策略。

4 實(shí)測(cè)耐張線(xiàn)夾溫升診斷結(jié)果

為了驗(yàn)證本文的診斷方法，對(duì)轄區(qū)內(nèi)部分安裝同類(lèi)型耐張線(xiàn)夾的220 kV輸電線(xiàn)路進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試前，幾條線(xiàn)路未發(fā)現(xiàn)明顯外部缺陷，測(cè)試結(jié)果如表2所示，宣等I路、等駕I路、花園Ⅱ路、城北Ⅱ路耐張線(xiàn)夾最高溫度均正常，碧富Ⅰ路A相耐張線(xiàn)夾溫度偏高。

表2 耐張線(xiàn)夾運(yùn)行溫度檢測(cè)結(jié)果

碧富Ⅰ路的檢測(cè)工況如表3所示，圖9為碧富Ⅰ路耐張線(xiàn)夾安裝位置圖，人為觀察耐張線(xiàn)夾，并未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷，通過(guò)紅外攝像儀拍攝該部位，得到其熱點(diǎn)圖，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，其A相R01耐張線(xiàn)夾熱點(diǎn)溫度為42.6℃，R02熱點(diǎn)溫度為78.5℃。根據(jù)規(guī)范［20］，碧富Ⅰ路耐張線(xiàn)夾溫度偏高，存在一般缺陷，需要在后期停電檢修中進(jìn)行處理。

為進(jìn)一步診斷該耐張線(xiàn)夾的缺陷，拍攝圖像顯示，熱點(diǎn)溫度位于耐張線(xiàn)夾螺栓緊固部位，根據(jù)缺陷與溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，可計(jì)算得到其接觸面積比約為6 130，從而診斷該處可能存在接觸不良缺陷。后期停電試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，耐張線(xiàn)夾螺栓緊固部位有銹蝕痕跡，對(duì)線(xiàn)路的安全運(yùn)行存在隱患，遂對(duì)其進(jìn)行打磨處理。停電試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法診斷的耐張線(xiàn)夾缺陷類(lèi)型與實(shí)際相符，可以指導(dǎo)輸電線(xiàn)路的運(yùn)維檢修輔助決策。

表3 碧富Ⅰ路檢測(cè)工況

圖9 碧富Ⅰ路線(xiàn)路圖

圖10 紅外攝像儀拍攝結(jié)果圖

5 結(jié)論

1）正常工況下，輸電線(xiàn)路耐張線(xiàn)夾的兩端壓接導(dǎo)線(xiàn)處的溫度要高于螺栓緊固部位；當(dāng)耐張線(xiàn)夾不同部位出現(xiàn)缺陷時(shí)，螺栓緊固部位的溫升較明顯，其對(duì)線(xiàn)夾整體的溫度影響最為嚴(yán)重。

2）構(gòu)建了耐張線(xiàn)夾缺陷與溫升的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，結(jié)果表明溫度擬合曲線(xiàn)具有對(duì)數(shù)分布特征，螺栓緊固部位的接觸電阻對(duì)耐張線(xiàn)夾的溫度變化影響較大。

3）通過(guò)對(duì)轄區(qū)內(nèi)輸電線(xiàn)路耐張線(xiàn)夾的溫度檢測(cè)，采用關(guān)聯(lián)關(guān)系曲線(xiàn)模型進(jìn)行診斷，結(jié)果表明，本文提出的方法可以有效診斷輸電線(xiàn)路耐張線(xiàn)夾的缺陷類(lèi)型。