惡劣運行工況環(huán)境對架空輸電線路導(dǎo)線的影響研究

王欣偉，劉星廷，郭瑞宙，劉宏

（國網(wǎng)山西電力科學(xué)研究院，太原 030001）

引言

架空輸電線路跨越地域廣闊,所處運行環(huán)境復(fù)雜，部分線路在惡劣工況環(huán)境下（覆冰、舞動、山火）運行不可避免。所謂導(dǎo)線覆冰是指大氣中的過冷卻水下落到溫度低于0 ℃的導(dǎo)線上，過冷卻水凝結(jié)為固態(tài)冰，在導(dǎo)線上不斷積累，從而形成導(dǎo)線覆冰，覆冰的主要形式有雨凇、霧凇、混合凇等；舞動是指不均勻輕微覆冰導(dǎo)線在風(fēng)作用下產(chǎn)生的一種低頻率（0.1～3 Hz）、大振幅（可達(dá)10 m以上）的自激勵振動；山火是指高大灌木區(qū)、林區(qū)火場對所經(jīng)輸電線路的破壞影響。

惡劣環(huán)境工況后，架空導(dǎo)線是否受到損傷，損傷程度如何，是否需要更換導(dǎo)線，或短時間內(nèi)運行，或長時間繼續(xù)運行，都與架空導(dǎo)線在運時的機械性能、電氣性能等有直接的關(guān)系。目前國內(nèi)外對輸電線路的覆冰、舞動和山火的研究主要在預(yù)警觀測、綜合防治、跳閘機理等幾個方面，單單針對導(dǎo)線在惡劣環(huán)境工況后的性能研究較少。本文通過對新導(dǎo)線、經(jīng)受了惡劣工況后的運行導(dǎo)線和模擬惡劣工況導(dǎo)線的比對測試，評估導(dǎo)線的性能狀況變化。

1 試驗設(shè)備及導(dǎo)線樣品

針對導(dǎo)線機械性能評估使用方法有[1]：抗拉強度及拉伸率的測試[7]、拉伸疲勞性測試[5]、單絲鋁線表面硬度測試；導(dǎo)線電氣性能驗證可通過測試直流電阻進(jìn)行評估[8, 9]。

主要實驗設(shè)備情況：材料試驗機50 kN（精度0.3級，引伸儀±0.5 %）、數(shù)顯顯微維氏硬度計、電液伺服疲勞試驗機（靜負(fù)荷±100 kN、動負(fù)荷±100 kN、頻率為0.01～50 Hz）、絕緣子熱機試驗機（臥式600 kN、精度1級，溫控-60～+100 ℃）、雙臂電橋直流電阻測試儀。

試驗用導(dǎo)線三類：①新導(dǎo)線；②模擬故障跳閘的新導(dǎo)線；③經(jīng)受覆冰、舞動和山火故障跳閘后的運行取樣導(dǎo)線。新導(dǎo)線為故障跳閘線路運維單位提供的備用導(dǎo)線，型號及相關(guān)參數(shù)如表1[10]。

2 覆冰

2.1 覆冰測試導(dǎo)線

覆冰故障導(dǎo)線情況：2015年4月2日，500 kV左潞Ⅱ線發(fā)生雨雪冰凍跳閘，179#-180#導(dǎo)線不均勻脫冰跳躍致BC相間放電，致四分裂子導(dǎo)線一處外層鋁線斷股散股（具體情況見表2和圖1），使用橢圓法測量導(dǎo)線覆冰厚度為25～30 mm。

模擬故障覆冰導(dǎo)線：一根5 m新導(dǎo)線端部用耐張線夾壓接，與絕緣子熱機試驗機鉤掛固定連接，施加額定拉斷力的90 %（93.4 kN）,試驗箱溫度控制-30 ℃模擬運行環(huán)境，持續(xù)時間96 h，模擬覆冰導(dǎo)線運行狀況。

2.2 覆冰導(dǎo)線測試[4]

測試環(huán)境：溫度范圍在17.1～22.3 ℃，濕度范圍34.5～38.6 %。

抗拉強度及伸長率測試：單絲鋁線每層各5根、鋼芯3根，夾持端間距15 cm，測試其有效值的平均抗拉強度及伸長率。

維氏硬度測試：單絲鋁線表面施加負(fù)荷0.1 kg，正四棱錐體金鋼石相對面夾角136o，作用時間為15 s，試驗誤差為3 %，每層單絲鋁線各測3個有效數(shù)據(jù)，測試其平均硬度。測試維式硬度的主要目的，是觀察導(dǎo)線長時間運行和惡劣工況后，單絲鋁線的機械強度和直流電阻的變化是否與單絲鋁線的表面硬度變化有關(guān)聯(lián)。

疲勞性試驗[2,6]：單絲鋁線每層各2根、鋼芯2根，測試其平均疲勞拉伸次數(shù)；對JL/G1A-400/35單絲鋁線加載力的最大值為900 N，幅值為405 N，均值為496 N，加載頻率為27 Hz。對JL/G1A-400/35單絲鋼線加載最大力值為5 000 N，幅值為2 250 N，均值為2 750 N，加載頻率為27 Hz。

表1 鋼芯鋁絞線參數(shù)(JL/G1A)

表2 覆冰跳閘故障區(qū)段情況

圖1 500 kV左潞Ⅱ線覆冰跳閘情況

直流電阻測試：單絲鋁線每層各3根，測試有效長度50 cm，測其平均阻值；整根導(dǎo)線1根，測試有效長度100 cm。試樣與測試夾連接處的表面氧化層用細(xì)砂紙打磨除凈，試樣所處環(huán)境變化不大于±1 ℃，測試電阻歸算至20 ℃電阻值。相關(guān)測試結(jié)果見表3。

2.3 覆冰導(dǎo)線測試分析

表3可見，從單絲鋁線抗拉強度來看，故障導(dǎo)線強度最低，新導(dǎo)線和模擬故障導(dǎo)線強度相近，但故障導(dǎo)線與新導(dǎo)線單絲鋁線強度相差并不大，故障導(dǎo)線單絲鋁線最低值不低于新導(dǎo)線的90 %；故障導(dǎo)線與新導(dǎo)線單絲鋼芯拉伸強度相近，不低于新導(dǎo)線強度的98 %。從單絲疲勞拉伸次數(shù)觀察，與單絲抗拉強度情況相似，但故障導(dǎo)線鋼芯疲勞拉伸次數(shù)卻高于新導(dǎo)線；新導(dǎo)線單絲鋁線伸長率較故障導(dǎo)線和模擬導(dǎo)線大，但單絲鋁線伸長率與其他數(shù)據(jù)比較無明顯規(guī)律。單絲鋁線機械強度比對見圖2。

故障導(dǎo)線直流電阻值較新導(dǎo)線和模擬故障導(dǎo)線高，單絲鋁線維氏硬度比較變化不大；導(dǎo)線的機械強度（抗拉強度伸長率、疲勞強度）、維氏硬度和直流電阻聯(lián)系不明顯。

通過以上數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，故障導(dǎo)線覆冰厚度雖然超過線路設(shè)計覆冰厚度的15～20 mm，且發(fā)生了跳閘事故，但對故障導(dǎo)線整體性能影響不大，尤其是機械強度性能，不影響其正常運行。

3 舞動

3.1 舞動測試導(dǎo)線

舞動導(dǎo)線故障情況：2013年11月4日，500 kV緊湊型輸電線路朔云線,發(fā)生覆冰舞動跳閘（具體情況見表4和圖4），311#-312#桿塔（3級舞動區(qū)）小號側(cè)第1個相間間隔棒（BC相）自B相脫開懸于空中，BC相子導(dǎo)線表面有放電痕跡，導(dǎo)線間隔棒握持導(dǎo)線部位磨損明顯，外層導(dǎo)線部分?jǐn)喙桑瑑?nèi)層未斷股，取樣導(dǎo)線選取導(dǎo)線間隔棒和相間間隔棒握持磨損部位導(dǎo)線。

表3 覆冰導(dǎo)線測試比對

圖2 覆冰單絲鋁線抗拉強度及伸長率對比

圖3 覆冰單絲鋁線疲勞拉伸次數(shù)對比

3.2 舞動導(dǎo)線測試

分別進(jìn)行單絲強度及伸長率測試、硬度測試、疲勞性試驗、直流電阻測試，樣品型號為JL/G1A-300/40，測試樣品數(shù)量及測試方法與本文2.2相同，疲勞性試驗加載力值及幅值有所變化：對JL/G1A-300/40導(dǎo)線單絲鋁線（鋁線平均直徑為3.22 mm）加載力的最大值為1 400 N，幅值為630 N，均值為771.2 N，加載頻率為27 Hz。對JL/G1A-400/35導(dǎo)線單絲鋼線（鋼線平均直徑為2.50 mm）加載力的最大值為6 500 N，幅值為2 925 N，均值為3 575 N，加載頻率為27 Hz。由于輸電線路舞動的惡劣環(huán)境工況模擬難度較大，未進(jìn)行模擬導(dǎo)線的測試。測試結(jié)果見表5。

3.3 舞動導(dǎo)線測試分析

由表5可見，測試結(jié)果比對差異明顯。故障導(dǎo)線的抗拉強度及伸長率、維氏硬度、疲勞拉伸次數(shù)的測試值低于新導(dǎo)線，直流電阻高于新導(dǎo)線。故障導(dǎo)線單絲鋁線抗拉強度測試最低值為新導(dǎo)線的51.3 %，單絲鋼芯為84.3 %；故障導(dǎo)線單絲鋁線疲勞拉伸次數(shù)測試最低值為新導(dǎo)線的22 %，單絲鋼芯為75.3 %；故障導(dǎo)線直流電阻，測試最大值為新導(dǎo)線的115.1 %；故障導(dǎo)線維氏硬度測試最小值為新導(dǎo)線的92.9 %。單絲鋁線抗拉強度及伸長率對比見圖5，單絲鋁線和鋼芯疲勞拉伸次數(shù)比對見圖6。從測試數(shù)據(jù)整體來觀察，導(dǎo)線的抗拉強度及伸長率、維氏硬度、疲勞拉伸次數(shù)呈現(xiàn)正比例變化趨勢,直流電阻呈現(xiàn)反比例變化。本次測試故障導(dǎo)線試樣主要為線路金具握持磨損部位。

表4 舞動跳閘故障區(qū)段情況

圖4 500 kV朔云線舞動跳閘情況

通過以上數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，線路舞動對導(dǎo)線性能，尤其是導(dǎo)線機械性能的影響明顯。故障線路為3級舞動區(qū)緊湊型輸電線路，導(dǎo)線機械性能下降是經(jīng)歷了多次舞動累計的結(jié)果。

表5 舞動導(dǎo)線測試比對

圖5 舞動單絲鋁線抗拉強度及伸長率對比

4 山火

4.1 山火測試導(dǎo)線

山火故障導(dǎo)線：2013年4月14日11時45分，500 kV長晉Ⅱ線B相發(fā)生山火跳閘，重合復(fù)跳。故障巡視發(fā)現(xiàn)65#-66#檔中導(dǎo)線有放電痕跡。B相導(dǎo)線對地放電，造成四分裂子導(dǎo)線外層鋁線熔斷散股，地面有少部分導(dǎo)線灼燒后掉落的熔鋁錠，山火跳閘導(dǎo)線情況見6表、圖7。取樣導(dǎo)線為過火斷股散股導(dǎo)線。

模擬山火故障導(dǎo)線[3]：一是使用柴草對試樣導(dǎo)線進(jìn)行煙熏烘烤，保持時間30 min，此方法具有一定局限性，即導(dǎo)線受熱均勻度、溫度高低、火焰大小是不可控的，且不同燃燒物發(fā)熱量的差異，也對試驗結(jié)果有影響，隨機性很大。二是使用電熱恒溫控制烘箱加熱導(dǎo)線，保持時間30 min，此方法受熱均勻、溫度范圍相對可控。分別使用兩種方法，進(jìn)行故障導(dǎo)線模擬（模擬測試圖見圖8）。

4.2 山火導(dǎo)線測試比對

分別進(jìn)行單絲強度及伸長率測試、硬度測試、疲勞性試驗、直流電阻測試；樣品型號為JL/G1A-400/35，樣品數(shù)量及測試方法與本文2.2相同，測試結(jié)果見表7、表8。

4.3 山火導(dǎo)線測試分析

觀察表7，從抗拉強度來看，模擬柴草熏烤導(dǎo)線強度明顯低于故障導(dǎo)線和新導(dǎo)線強度，故障導(dǎo)線單絲鋁線最低值與新導(dǎo)線相比不低于73.2 %，最高值不低于93.2；從伸長率觀察，故障導(dǎo)線單絲鋁線與新導(dǎo)線相近，模擬熏烤導(dǎo)線則是前二者的5～6倍，而單線鋼芯伸長率則是故障導(dǎo)線和新導(dǎo)線60 %。從鋁線維氏硬度觀察，新導(dǎo)線最高、故障導(dǎo)線次之、模擬熏烤導(dǎo)線最低。從疲勞拉伸次數(shù)來看，模擬熏烤導(dǎo)線疲勞強度明顯低于新導(dǎo)線，而故障導(dǎo)線整體略低于新導(dǎo)線。從直流電阻測試結(jié)果觀察，新導(dǎo)線最低、故障導(dǎo)線最高、模擬熏烤導(dǎo)線次之。具體對比圖見圖9～12。

觀察表8電爐烘烤導(dǎo)線測試情況。除直流電阻無明顯規(guī)律趨勢變化外，其他測試數(shù)據(jù)都有一定規(guī)律趨勢。鋁線抗拉強度隨溫度的升高而降低，但鋁線伸長率卻大幅增大；鋼芯隨溫度升高，強度下降，鋼芯伸長率也隨之降低。鋁線維氏硬度隨溫度升高，硬度降低，但300～500 ℃后，硬度變化趨勢不大。鋁線疲勞拉伸次數(shù)由100 ℃升高至300 ℃時疲勞拉伸次數(shù)增加，由300 ℃升高至500 ℃時疲勞拉伸次數(shù)減小，呈“下拋物線”趨勢變化；鋼芯則隨著溫度的升高，而疲勞拉伸次數(shù)減小。具體對比圖見圖9～12。

圖6 舞動單絲鋁線和鋼芯疲勞拉伸次數(shù)比對

表6 山火跳閘故障區(qū)段情況

圖7 500 KV長晉Ⅱ線山火跳閘情況

圖8 模擬山火測試導(dǎo)線

表7 山火導(dǎo)線測試比對情況

表8 電爐烘烤導(dǎo)線測試比對情況

圖9 山火單絲鋁線抗拉強度及伸長率比對

圖10 山火單絲鋁線疲勞拉伸次數(shù)比對

圖11 山火單絲鋼芯抗拉強度及伸長率比對

圖12 山火鋼芯疲勞拉伸次數(shù)比對

通過以上數(shù)據(jù)分析，柴火熏烤和電爐烘烤都對模擬故障導(dǎo)線性能有較大影響，且變化趨勢明顯，但實際山火故障導(dǎo)線與新導(dǎo)線相比，性能測試變化不大，遠(yuǎn)低于柴火熏烤和電爐烘烤的模擬故障導(dǎo)線，說明故障導(dǎo)線的實際過火溫度要低于模擬故障導(dǎo)線溫度。500 kV線路導(dǎo)線對地植被距離大，山火火焰直接炙烤導(dǎo)線的情況不能說沒有，但概率較低，絕大部分情況為“煙熏”。山火故障跳閘的取樣導(dǎo)線雖然出現(xiàn)了鋁線斷股散股的情況，但不是山火炙烤所造成的，是導(dǎo)線對地放電灼燒所致。

5 綜合分析

抗拉強度及伸長率是導(dǎo)線性能的一個重要指標(biāo)。不進(jìn)行單個數(shù)據(jù)對比，從整體的測試數(shù)據(jù)觀察，覆冰和舞動的單絲鋁線、單絲鋼芯的抗拉強度與伸長率呈現(xiàn)正比例趨勢變化，抗拉強度越大拉伸率越大；山火導(dǎo)線的單絲鋼芯也為正比例趨勢變化，但山火單絲鋁線正好相反，抗拉強度越小拉伸率越大，而且伸長率變化明顯，這也是高溫過火后鋁線的一個顯著特征。舞動和山火導(dǎo)線的抗拉強度與疲勞拉伸升次數(shù)成正比例趨勢變化關(guān)系明顯，覆冰導(dǎo)線由于測試數(shù)據(jù)趨近，變化不明顯。

單絲鋁線表面維氏硬度與導(dǎo)線是否過火有關(guān)，過火后的鋁線維氏硬度降低，但隨著溫度升高，鋁線維氏硬度幅值變化不大；舞動磨損的單絲鋁線表面的維氏硬度較新導(dǎo)線低。覆冰導(dǎo)線的單絲鋁線的維氏硬度與新導(dǎo)線相比變化不大。

導(dǎo)線直流電阻與抗拉強度及伸長率、疲勞拉伸次數(shù)和維氏硬度相互之間聯(lián)系不明顯，無規(guī)律可循；故障導(dǎo)線的直流電阻普遍要比新導(dǎo)線的阻值高；不同溫度山火模擬導(dǎo)線之間的直流電阻變化無規(guī)律。

6 結(jié)語

通過新導(dǎo)線、運行故障取樣導(dǎo)線、模擬故障導(dǎo)線的試驗比對，我們對惡劣工況后的覆冰、舞動和山火跳閘導(dǎo)線狀態(tài)有了一個較為清晰的認(rèn)識。從實驗數(shù)據(jù)來看，覆冰對導(dǎo)線的影響最小，舞動對導(dǎo)線的影響最大，山火對導(dǎo)線的影響應(yīng)視山火情況而定。輸電線路覆冰跳閘后，只要未發(fā)生由于覆冰過載荷而產(chǎn)生的導(dǎo)線斷股問題，覆冰導(dǎo)線可繼續(xù)保持正常運行。舞動對導(dǎo)線的影響主要是線路金具握夾導(dǎo)線部位的反復(fù)拉伸和磨損，運維人員應(yīng)根據(jù)線路所處地域的舞動等級、導(dǎo)線投運時間、線路是否跨越重要通道和導(dǎo)線的磨損情況等進(jìn)行綜合狀態(tài)評價，合理縮短導(dǎo)線使用期限。山火對導(dǎo)線的影響，主要取決于導(dǎo)線的過火溫度，因此線路周邊發(fā)現(xiàn)山火后，運維人員在保證人身安全的前提下，應(yīng)及時到達(dá)現(xiàn)場觀察火情；若只是山火短時“煙熏”，則導(dǎo)線的性能基本不受影響；若山火直接對導(dǎo)線有較長時間的高溫炙烤，則應(yīng)及時更換導(dǎo)線；若情況不確定，應(yīng)對過火部位導(dǎo)線進(jìn)行取樣檢測，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線抗拉強度及伸長率與新導(dǎo)線相比變化明顯時，應(yīng)更換導(dǎo)線。