耐熱導(dǎo)線運(yùn)行溫度對(duì)帶電作業(yè)安全距離的影響研究

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.中國電力科學(xué)研究院，武漢市 430074；4.南京供電公司，南京市 210008）

0 引 言

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)。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 高溫導(dǎo)線周圍溫度分布的測(cè)量

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)無陽光照射、無風(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?，F(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

1.2 高溫導(dǎo)線－桿塔放電試驗(yàn)

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。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 導(dǎo)線及金具的溫度分布特性

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℃。

2.2 高溫導(dǎo)線對(duì)帶電作業(yè)間隙放電影響

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。

?

3 溫度對(duì)帶電作業(yè)間隙放電的影響

3.1 溫度對(duì)導(dǎo)線表面電子發(fā)射的影響

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。

3.2 溫度對(duì)導(dǎo)線附近空氣流注放電的影響

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)安全距離無影響。

4 結(jié) 論

（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。

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