李紅發(fā)，程紹兵，夏敏，黃哲，董志聰，王榮鵬，胡小慢

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山，528400；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評價中心，廣東廣州，510000）

1 超溫警示螺栓裝置的背景

在架空輸電線路的實際運行中，斷線事故往往具有較大的危害性，可能造成大面積停電事故，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和社會生產(chǎn)生活秩序造成惡劣影響，“三跨”區(qū)域發(fā)生的斷線故障甚至可能危害公眾安全。根據(jù)運行統(tǒng)計，大量斷線事故發(fā)生在架空地線連接金具處，而一起斷線事故通常由多個損傷在時間上的累加或者多種損傷在同一時刻的共同作用引起。懸垂線夾是一種在架空線路上用于懸掛導(dǎo)地線的連接金具，其應(yīng)用范圍廣泛、數(shù)量龐大。相關(guān)文獻(xiàn)和實際事故案例表明，由于應(yīng)力集中、接觸電阻大等原因，目前發(fā)生的架空地線斷線事故多位于線夾內(nèi)部或線夾出口處附近。

懸垂線夾連接處螺栓松動、接觸面臟污、金屬的電化學(xué)腐蝕等因素會導(dǎo)致線路與線夾之間的接觸電阻變大，在雷電流作用下極易造成線路局部溫度過高，從而引發(fā)線路損傷、斷股，甚至引發(fā)斷線事故。這類線路故障往往無法實現(xiàn)自恢復(fù)，需要投入大量人力物力進(jìn)行搶修，因此需要定時檢查線路存在的缺陷情況，以便排查風(fēng)險?，F(xiàn)行的主要檢測方法是由運行人員按運維策略定期對線路進(jìn)行紅外測溫。但是紅外測溫的測溫周期長，難以捕捉金具內(nèi)部的線路發(fā)熱缺陷，而且無法對雷電斷股等具體的損傷情況及時進(jìn)行警示。

為此，擬研發(fā)一種依靠感溫玻璃球和機械聯(lián)動的雷擊超溫警示裝置，對架空地線-懸垂線夾組件（以下統(tǒng)稱為地線-線夾組件）由雷電導(dǎo)致的發(fā)熱進(jìn)行可視化警示，從而補充紅外測溫技術(shù)的不足。由于目前關(guān)于地線-線夾組件在雷電作用下的各部位暫態(tài)溫升過程以及絕對溫度的研究尚不充分，超溫警示裝置尚缺乏明確的超溫閾值和安裝位置，導(dǎo)致裝置無法直接投入生產(chǎn)運行。因此，需要對地線-線夾組件各部位受雷擊作用后的溫升現(xiàn)象和絕對溫度變化情況進(jìn)行理論研究，以此確定裝置合適的閾值范圍和安裝位置，從而完成裝置開發(fā)。

2 超溫警示螺栓裝置的目的

第一，這種超溫警示螺栓的安裝位置在線夾引流板的最上方。當(dāng)線股上異常發(fā)熱時，溫度從線股向線夾傳導(dǎo)需要較長時間，溫度傳導(dǎo)過程易受環(huán)境參數(shù)影響，如風(fēng)速等。這可能導(dǎo)致線股異常發(fā)熱時超溫警示螺栓動作失敗，或是線股未異常發(fā)熱時超溫警示螺栓誤動作。

第二，這種超溫警示螺栓的安裝位置在線夾的最上方。若線夾因長期運行發(fā)生松動，則過大的接觸電阻會導(dǎo)致高溫?zé)o法傳導(dǎo)至超溫警示螺栓，導(dǎo)致超溫警示螺栓在線股異常發(fā)熱時動作失敗。

第三，這種超溫警示螺栓的預(yù)警溫度還沒有一種普適性的方法來確定。

3 超溫警示螺栓裝置的技術(shù)路線

目前關(guān)于雷擊架空線路的研究主要集中于雷電作用瞬間，線路本體在接觸點處局部過熱的短暫過程，缺乏對地線-線夾組件的暫態(tài)溫升過程以及組件各部件溫升可至的最高絕對溫度的研究。傳統(tǒng)的事故樣本分析方法無法實現(xiàn)對事故發(fā)生當(dāng)時溫度場隨時間變化情況的研究；模擬雷擊實驗方法成本較高、難以復(fù)現(xiàn)真實雷擊線路的情況，且具有較大的時間、空間局限性；而近年隨計算機技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的有限元仿真計算方法，適用于解決雷電流作用下金具溫升模擬的問題。對于熱學(xué)問題，有限元仿真建模是將求解區(qū)域網(wǎng)格剖分成有限單元，建立單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)偏微分方程、邊界條件及初始條件進(jìn)行數(shù)值計算。基于傳熱學(xué)理論，將描述電力設(shè)備熱動態(tài)過程的偏微分方程組在時間和空間上進(jìn)行離散，使用有限元方法進(jìn)行解算，從而可以得到電力設(shè)備任意位置的溫升情況。因此對于不同雷電流作用下的地線-線夾組件暫態(tài)溫升以及絕對溫度的理論研究將基于有限元仿真計算進(jìn)行[1]。

4 本裝置的技術(shù)方案

提出一種在20℃的環(huán)境溫度下確定超溫預(yù)警螺栓最佳安裝位置以及預(yù)警溫度的方法。

根據(jù)之前的研究，雷擊架空地線之后雷電流流過接續(xù)金具，很容易導(dǎo)致地線與線夾的接觸點處發(fā)生放電現(xiàn)象。接觸點處放電會導(dǎo)致溫度快速上升，對地線和接續(xù)金具都造成損傷。工程上一般認(rèn)為雷電流的A、B分量不會對設(shè)備造成很大的損傷，而主要使用雷電流的C分量來進(jìn)行模擬計算，即使用一個持續(xù)600ms的恒定電流I(t)來表征雷電流。而發(fā)生放電現(xiàn)象時，在接觸點處會產(chǎn)生一個半徑小于15mm，遵循高斯分布的熱源Q(r,t)[1]：

其中，R(t)是高斯熱源的最大半徑，取15mm。

因此，通過有限元仿真，建立地線和線夾模型，計算在接觸點放電的情況下線夾-地線系統(tǒng)的溫度分布，確定超溫預(yù)警螺栓的最佳安裝位置，以保證超溫預(yù)警螺栓可以正確動作。

超溫預(yù)警螺栓預(yù)警溫度及最佳安裝位置確定方法：

（1）在有限元仿真軟件中建立地線-線夾模型。地線選用目前電網(wǎng)中使用最多的鋼絞線。參考國標(biāo)文件YB/T 5004-2012附錄A，選用結(jié)構(gòu)1*7、橫截面積50mm2的絞線。該型號絞線其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均根據(jù)該國標(biāo)文件確定。線夾選用CGU-3型懸垂線夾。線夾的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，三視圖如圖2所示。

圖1 地線及CGU-3型懸垂線夾結(jié)構(gòu)圖

圖2 地線及CGU-3型懸垂線夾三視圖

（2）根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，雷電流直接效應(yīng)的C分量作用時間一般取250-1000ms，雷電流C分量的幅值一般取200-800A。本裝置選取持續(xù)時間為600ms、幅值為800A的雷電流C分量作為輸入量[2]。根據(jù)之前的研究，放電現(xiàn)象發(fā)生在壓板下方地線與鋁包帶的第一個接觸點。因此將遵循高斯分布的熱源施加在第一個接觸點的位置。如圖3所示。

圖3 激勵設(shè)置

（3）建立仿真模型后，先施加600ms的雷電流和熱源，模擬雷電流流過地線-線夾系統(tǒng)并發(fā)生放電現(xiàn)象的情況。隨后停止施加雷電流和熱源，模型繼續(xù)計算一段時間，直到該模型的邊界發(fā)生溫升。這一步驟是為了模擬真實情況下，在雷電流通過接觸點發(fā)生放電后，高溫傳導(dǎo)至線夾需要一定的時間。而在邊界發(fā)生溫升后停止仿真，是因為此時邊界條件被破壞，絕熱邊界不再適用，可以認(rèn)為熱擴散到此結(jié)束。

（4）仿真計算完成后，得到整個線夾在完整仿真過程內(nèi)的溫度分布?？梢园l(fā)現(xiàn)施加激勵側(cè)的線夾船體與壓板溫升明顯，這一側(cè)的U型螺栓與夾板、船體接觸，因此其溫升也較為迅速。而另一側(cè)線夾船體與夾板以及線夾的引流板都沒有明顯的溫升。在整個溫度擴散過程中，U型螺栓頂部的最高溫度可以達(dá)到32℃，即高于室環(huán)境溫度12℃。則在這種情況下，應(yīng)該將U型螺栓內(nèi)玻璃泡的動作溫度設(shè)置為32℃[3]。

圖4 超溫警示U型螺栓結(jié)構(gòu)示意圖

（5）根據(jù)仿真結(jié)果，可以得到結(jié)論：超溫警示螺栓的最佳安裝位置應(yīng)為U型螺栓所在的位置。U型螺栓與線夾壓板直接接觸，當(dāng)線夾壓板的溫度達(dá)到玻璃泡設(shè)置動作溫度時，超溫警示螺栓就可以動作。

（6）由于現(xiàn)有的超溫警示螺栓為傳統(tǒng)圓柱形螺栓，這種螺栓無法安裝到U型螺栓的位置。因此，本裝置根據(jù)超溫警示螺栓的原理，開發(fā)了一種超溫警示U型螺栓，以保證其可以安裝到最佳安裝位置。開發(fā)的超溫警示U型螺栓整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，三視圖如圖6所示。

圖5 超溫警示U型螺栓三視圖

（7）由于雷擊發(fā)生時，無法判斷雷電流會從線夾的哪一側(cè)流入，因此應(yīng)該將線夾上的兩個U型螺栓均設(shè)置為超溫預(yù)警螺栓，以保證動作的可靠性。

5 一種超溫警示螺栓預(yù)警溫度和最佳安裝位置的確定方法優(yōu)點

（1）確定了超溫預(yù)警螺栓的預(yù)警溫度，且該確定預(yù)警溫度的方法具有普適性，可以適應(yīng)不同的環(huán)境條件做出相應(yīng)調(diào)整。

（2）確定了超溫預(yù)警螺栓的最佳安裝位置，避免了超溫警示螺栓因螺栓松動而無法傳導(dǎo)高溫，導(dǎo)致地線異常高溫時超溫警示螺栓無法正確動作。

（3）確定了超溫警示螺栓的最佳安裝位置，使得超溫警示螺栓可以最大程度地避免受到環(huán)境影響，確保線股異常高溫時可以正確動作，以及確保線股沒有發(fā)生異常高溫時不會錯誤動作。

（4）改造了超溫警示螺栓，提出了一種超溫警示U型螺栓，使超溫警示螺栓可以安裝在最佳安裝位置。

該確定超溫警示螺栓預(yù)警溫度和最佳安裝位置的仿真方法不僅適用于20℃的環(huán)境溫度，可以根據(jù)不同的環(huán)境溫度做出調(diào)整；不僅適用于該種型號的地線和線夾，對不同型號的懸垂線夾和耐張線夾、不同截面積的地線、導(dǎo)線均可使用該方法來確定超溫警示螺栓的最佳安裝位置。

6 結(jié)束語

本文研發(fā)的一種超溫警示螺栓，對線路接續(xù)金具發(fā)熱進(jìn)行可視化預(yù)警，補充了紅外測溫的測溫周期長和難以捕捉發(fā)熱缺陷的不足。且超溫警示螺栓是一種機械式的感溫結(jié)構(gòu)，不受天氣、環(huán)境等因素影響，很好地解決了紅外測溫存在的問題。這種超溫警示螺栓可靠性高、裝置小、成本低、易安裝。