敬興東，黃 擁，肖 揚，聶佳焰，趙文瑞，王盼盼

（國網(wǎng)天府新區(qū)供電公司，四川 成都 610036）

0 引言

耐張線夾是將導(dǎo)線連接在耐張絕緣子串上用以緊固導(dǎo)線終端的金具，能承受較大電氣負(fù)荷、保證高壓輸電線路安全運行。負(fù)載增大時導(dǎo)線與耐張線夾工作溫度升高，由螺栓固定的引流板與機械壓接處常因氧化問題造成接觸電阻異常增大，嚴(yán)重情況下易造成耐張線夾工作過熱與拉伸破斷［1-2］。生產(chǎn)安裝時通常將輸電導(dǎo)線的鋼芯部分壓接后連接至鋼錨處，輸電導(dǎo)線則從耐張線夾內(nèi)穿過并在端口處進(jìn)行壓接［3］。

受加工工藝限制、安裝施工人員誤操作、自然環(huán)境與設(shè)備老化的影響，近年的設(shè)備損毀事故日益增多，其中以引流板熱損毀居多［4］。在工作狀態(tài)的判定上，GB/T 2314—2008《電力金具通用技術(shù)條件》指出，導(dǎo)線連接處的溫升與電阻應(yīng)不大于被接續(xù)導(dǎo)線的對應(yīng)值；電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5092—1999《110～500 kV 架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，導(dǎo)線連續(xù)運行時，其溫度必須不超過70 ℃；電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 741—2001《架空送電線路運行規(guī)程》規(guī)定，接續(xù)金具、跳線聯(lián)板運行溫度不得比導(dǎo)線溫度高10 ℃及以上，否則應(yīng)進(jìn)行處理。在工作狀態(tài)的檢測上，紅外檢測法因其非接觸、遠(yuǎn)距離、速度快、操作簡便等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用［5］。DL/T 664—1999《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》針對耐張線夾的故障判別提出了相對溫差判斷法，不同發(fā)熱區(qū)域的相對溫差值會出現(xiàn)較大的分散性［6］。紅外檢測法在檢測過程中易受環(huán)境溫度、氣候變化、檢測距離等因素的影響，給高壓輸電線路的工作溫度診斷帶來較大的測量難度［7］，而利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程只能排查線路金具嚴(yán)重?zé)釗p毀處，無法有效檢測其隱患區(qū)域，使得線路檢修的故障預(yù)防能力大大降低。

因此，提出新的檢測方法、改善傳統(tǒng)檢修模式，對于降低檢修費用、提高工作效率、維持線路安全運行具有積極意義。本文應(yīng)用ANSYS軟件對耐張線夾的工作運行發(fā)熱狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)仿真，結(jié)合相關(guān)檢修規(guī)程得到耐張線夾在不同工作狀態(tài)下的工作溫度與阻值變化范圍，并采用紅外檢測法提高線路檢修精度。

1 耐張線夾過熱缺陷研究

1.1 線路檢修現(xiàn)狀

在現(xiàn)場檢修過程中發(fā)現(xiàn)耐張線夾的過熱故障主要集中在引流板區(qū)域。其主要原因為：接觸面松動氧化產(chǎn)生額外膜電阻，在高溫條件下加劇氧化并進(jìn)一步造成膜電阻增大，從而形成惡性循環(huán)。因此接觸面氧化是導(dǎo)致實際運行中設(shè)備過熱的主要因素。目前，在線路設(shè)備檢修過程中主要利用紅外熱像儀拍攝運行線路，該檢測方法在現(xiàn)場操作中易受紅外設(shè)備輻射率調(diào)試、拍攝距離、環(huán)境溫度、檢測人員等因素干擾造成檢測誤差，影響檢修效果。

進(jìn)行線路溫度計算與狀態(tài)判斷時通常采用絕對溫差法與相對溫差法?？紤]到線路負(fù)載穩(wěn)定時導(dǎo)線溫度穩(wěn)定，采用絕對溫差法計算時可利用離設(shè)備1 m遠(yuǎn)處的導(dǎo)線作為參考點，發(fā)熱點與參考點的溫差為ΔT。絕對溫差法相關(guān)溫差判據(jù)如表1 所示。在實際檢修中出現(xiàn)過ΔT未超過10 ℃卻有明顯發(fā)熱的情況，且夏季檢測所得的工作溫度與溫升均高于冬季所測溫度?？梢姡^對溫差法在負(fù)載率小、溫升小但相對溫差較大的設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用時易造成運行狀態(tài)錯判與漏報。

表1 電流致熱型設(shè)備的絕對溫差判斷

相對溫差法是根據(jù)兩個對應(yīng)測點之間的溫差與其中較熱點的溫升之比的百分?jǐn)?shù)來判斷設(shè)備的熱缺陷情況。相對溫差δt可用以下公式計算：

式中：τ1和T1為發(fā)熱點的溫升和溫度；τ2和T2為正常相對應(yīng)點的溫升和溫度；T0為環(huán)境參照體的溫度。

相比于絕對溫差法，相對溫差法可有效降低環(huán)境溫度波動造成的計算誤差，適用范圍更廣泛。連接部位溫差不超過15 ℃或相對溫差大于35%為一般缺陷；熱點溫度大于80 ℃或相對溫差大于80%為嚴(yán)重缺陷；熱點大于110 ℃或相對溫差大于95%為緊急缺陷。檢測時可結(jié)合環(huán)境溫度與導(dǎo)線溫度，通過相對溫差法得到設(shè)備過熱點的缺陷等級，并按不同情況進(jìn)行修復(fù)處理。

1.2 金具過熱原理

金具的過熱現(xiàn)象主要體現(xiàn)在設(shè)備間的電接觸發(fā)熱，其中電接觸指兩個導(dǎo)體之間相互接觸并通過接觸界面實現(xiàn)電流的傳遞或信號傳輸，按接觸形式可分為點接觸、線接觸和面接觸三類［8-9］。電接觸形式對收縮電阻的影響主要表現(xiàn)在接觸點的數(shù)目上。即使對兩個導(dǎo)體的接觸面進(jìn)行加工，其接觸表面仍是凹凸不平的，隨著接觸壓力增大，起始接觸點首先產(chǎn)生彈性變形，并導(dǎo)致實際接觸面積擴大，原空隙部分相互靠近并產(chǎn)生新的接觸點與平衡。接觸面微觀圖如圖1 所示，顯示了電流線收縮與接觸斑點情況，其接觸面大部分沒有參與實際接觸，只有部分的輪廓峰點真正發(fā)生了接觸并形成導(dǎo)電斑點。

圖1 接觸面微觀圖

接觸電阻主要由收縮電阻與膜電阻組成，其數(shù)值受接觸壓力、環(huán)境溫度、電化學(xué)腐蝕、接觸材料性質(zhì)等因素影響。收縮電阻是因接觸面的電流線在導(dǎo)電斑點附近收縮使電流流過的路徑增長、有效導(dǎo)電面積減小而產(chǎn)生的局部附加電阻。暴露在空氣中的金屬表面常因吸附、氧化、腐蝕以及環(huán)境效應(yīng)等因素形成表面膜，由于膜層的表面效應(yīng)影響了導(dǎo)電斑點內(nèi)電流密度的分布而形成膜電阻。輸電線路在強電流作用下易因電弧與機械作用造成表面膜破裂，在理想接觸狀態(tài)下膜電阻的影響并不明顯。

1.3 接觸電阻計算

接觸電阻大小在微觀上主要表現(xiàn)為接觸面的導(dǎo)電斑點數(shù)目及尺寸形狀。由于計算實際導(dǎo)電斑點數(shù)和其平均半徑非常困難，且膜電阻數(shù)值受接觸情況影響較大，在工程計算中常用以下經(jīng)驗公式計算接觸電阻：

式中：Rc為接觸電阻；F為接觸壓力；m為與接觸形式和實際接觸點的數(shù)目等因素有關(guān)的指數(shù)；kj為與接觸材料、表面狀況有關(guān)的系數(shù)。

在實際操作中還可用測量接觸電壓降的方法來實測接觸電阻值，接觸電壓降是指通過一定電流時電接觸連接處的電壓降：

式中：Uc為接觸電壓降，單位為mV；I為通過電接觸連接的電流，單位為A；Rc為接觸電阻，單位為mΩ。因其測量方式簡單、精確，在實驗測量中常采用此法。

2 耐張線夾發(fā)熱試驗

2.1 實驗方案

為研究耐張線夾的發(fā)熱規(guī)律，分別利用大電流發(fā)生器與力矩扳手通過改變電流載荷與螺栓緊固力來模擬高壓輸電線路耐張線夾的工作狀況與發(fā)熱規(guī)律，將耐張線夾通過軟連接裝置與導(dǎo)電銅線連接，并對耐張線夾進(jìn)行分段標(biāo)注作為電壓測點，如圖2所示。

圖2 耐張線夾實驗示意圖

2.2 發(fā)熱研究

通過對大電流發(fā)生器分別施加300～500 A 的電流負(fù)載，對引流板處施加30～70 N·m 的螺栓扭力來模擬不同接觸壓力下引流板工作情況，利用紅外熱像儀拍攝并記錄耐張線夾各段發(fā)熱變化。

現(xiàn)將引流板處螺栓扭力設(shè)定為理想條件下的70 N·m，得到耐張線夾不同載荷條件下各段工作溫度曲線，如圖3所示。

圖3 耐張線夾不同段溫度值

通過以上實驗可知：

1）耐張線夾在理想接觸條件下發(fā)熱穩(wěn)定，在不同載荷下耐張線夾各段的工作溫度均呈“M”型分布，即壓接區(qū)域發(fā)熱程度相對較強，引流板處發(fā)熱最弱。

2）耐張線夾最高工作溫度均出現(xiàn)在機械壓接端口處，壓接工藝缺陷導(dǎo)致端口接觸電阻偏大，在金具裝配與線路檢修時需對此現(xiàn)象加以重視。

現(xiàn)對不同工作條件下引流板阻值進(jìn)行測量，結(jié)果如表2所示。

表2 工作中引流板電阻值

由表2可得出以下分析結(jié)果：

1）在不同螺栓扭力條件下，引流板處的接觸電阻并非隨著接觸壓力的增加而線性降低，接觸壓力增大導(dǎo)致接觸面斑點發(fā)生形變并出現(xiàn)新的導(dǎo)電通道。

2）耐張線夾各段的接觸電阻受電流載荷波動影響均不明顯。由于耐張線夾屬于電流致熱型設(shè)備，溫度升高造成材料的電阻率增大，而溫升造成的材料膨脹與硬度降低則使金具有效接觸面積增加，兩者的共同作用導(dǎo)致溫度對耐張線夾的接觸電阻值影響較小。

3 耐張線夾運行狀態(tài)仿真

針對線路檢修中的紅外檢測法，當(dāng)金具熱缺陷不明顯時設(shè)備發(fā)熱溫差較小，并且在不同外界環(huán)境下因溫度變化與周圍空氣的流動易發(fā)生紊亂等現(xiàn)象，使測量相應(yīng)溫度變化與狀態(tài)判斷誤差較大。由于設(shè)備電阻值隨環(huán)境溫度變化微弱，可利用阻值的變化作為金具工作狀態(tài)判斷參考值，結(jié)合相對溫差法得到不同熱缺陷等級下對應(yīng)的過熱點阻值，通過熱缺陷點的阻值變化趨勢判斷其工作狀態(tài)，進(jìn)而避免紅外檢測法因環(huán)境溫度波動與人工誤操作帶來的測量誤差，提高了線路狀態(tài)檢測精度?，F(xiàn)通過ANSYS 仿真軟件模擬高壓輸電線路耐張線夾各區(qū)域的發(fā)熱分布與變化趨勢，結(jié)合相對溫差法判斷對應(yīng)工作狀態(tài)［10］。現(xiàn)對發(fā)熱過程進(jìn)行如下設(shè)定：

1）保持環(huán)境溫度為25 ℃恒溫，確定相關(guān)對流散熱系數(shù)。

2）將熱流源設(shè)定在引流板及機械壓接區(qū)域，所產(chǎn)生的熱量全部傳遞給耐張線夾，忽略體電阻對耐張線夾的發(fā)熱影響。

3）耐張線夾表面與周圍空氣以熱對流方式進(jìn)行熱量交換，不考慮材料物性參數(shù)和邊界條件隨溫度的變化及熱輻射。

4）忽略集膚效應(yīng)及材料電阻率受溫度的影響。

通過實驗測量得到耐張線夾各段初始電阻值，利用仿真模擬得到不同工作狀態(tài)下耐張線夾的溫度分布與阻值變化趨勢，耐張線夾溫度仿真如圖4 所示。其中a、f 為線路導(dǎo)線段，b、e 為耐張線夾機械壓接段，c 為導(dǎo)線段，d 為引流板區(qū)域，仿真所得不同載荷下導(dǎo)線工作溫度值如表3所示。

圖4 耐張線夾溫度仿真圖

表3 不同載荷下導(dǎo)線工作溫度值

為研究引流板為過熱區(qū)域時在不同熱缺陷等級下的工作溫度狀態(tài)，現(xiàn)將耐張線夾其余段電阻設(shè)為測量初始值，導(dǎo)線為正常發(fā)熱狀態(tài)，通過仿真計算得到耐張線夾在不同工作狀態(tài)下的溫度與對應(yīng)阻值。過熱點在不同工作狀態(tài)下的溫度如圖5所示。

圖5 不同載荷下過熱點工作溫度

從仿真結(jié)果中可以看出，利用相對溫差法所得過熱點在發(fā)生重大缺陷前的工作溫度均低于80 ℃，符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《架空送電線路運行規(guī)程》對接續(xù)金具的溫度規(guī)定。隨著負(fù)荷與相對溫差值的增加，工作溫度與溫差明顯上升，工作載荷對過熱點溫度值也有較大影響，滿負(fù)荷條件下過熱點在接近發(fā)生重大缺陷時已接近規(guī)程工作溫度上限。

4 阻值法仿真耐張線夾工作狀態(tài)

通過實驗與仿真得到引流板過熱處工作溫度與接觸電阻阻值關(guān)系，如圖6 所示。可看出引流板在不同工作載荷下的發(fā)熱溫度與對應(yīng)阻值均基本呈線性關(guān)系，符合電流致熱型設(shè)備發(fā)熱規(guī)律。仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)誤差均低于10%，實現(xiàn)了較高的仿真精度，由于忽略了工作溫度對設(shè)備電阻率的影響，仿真結(jié)果數(shù)值相較于實驗數(shù)值偏低。

圖6 引流板運行溫度與電阻阻值關(guān)系圖

參照DL/T 741—2001《架空送電線路運行規(guī)程》，現(xiàn)設(shè)定線路工作溫度為70 ℃，將耐張線夾在一般缺陷、重大缺陷和緊急缺陷狀態(tài)下的相對溫差分別設(shè)定為35 ℃、55 ℃、80 ℃。利用仿真模型，通過相對溫差法模擬耐張線夾在不同輸電線路電壓等級以及線徑在不同熱缺陷等級下整個耐張線夾的平均臨界阻值閾值，如表4 所示。在檢修工作中，工作人員對沿線耐張線夾進(jìn)行測值、狀態(tài)記錄與數(shù)據(jù)分析，結(jié)合歷史阻值變化更精確地對其進(jìn)行工作狀態(tài)復(fù)盤與故障預(yù)測。

表4 不同狀態(tài)下耐張線夾電阻閾值

5 結(jié)論

本文通過對高壓輸電線路耐張線夾工作狀態(tài)進(jìn)行研究，利用實驗與溫度仿真得到其引流板區(qū)域溫度與阻值的變化規(guī)律，結(jié)合檢修規(guī)程得到引流板在不同工作條件下的阻值范圍，實現(xiàn)對過熱點工作狀態(tài)的有效檢測與預(yù)測。

1）在正常工作條件下耐張線夾溫度呈“M”型分布，實驗中發(fā)現(xiàn)接觸電阻隨工作溫度變化較小，證明了電流載荷和接觸面壓力是引流板發(fā)熱的主要影響因素。通過溫度仿真得到不同條件下耐張線夾發(fā)熱分布，利用相對溫差法可計算得到不同工作狀態(tài)下過熱點阻值范圍。

2）紅外檢測法易受外界溫度與人工誤操作影響，檢修時可通過電阻測量法測算出不同電壓等級、不同線徑運行線路的耐張線夾工作電阻值與狀態(tài)，提高對隱患發(fā)熱點的狀態(tài)判斷準(zhǔn)確性。

3）通過對耐張線夾各段的阻值變化進(jìn)行連續(xù)觀察記錄并建立相關(guān)檢修臺賬或數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)對線路耐張線夾工作狀態(tài)判定與故障預(yù)測，降低線路事故發(fā)生。對于耐張線夾不同型號、不同過熱點及不同環(huán)境溫度對阻值的影響規(guī)律則需要進(jìn)一步研究。