500 kV輸電線路引流板過(guò)熱研究

杜 毅， 敬興東， 包健康， 王利華， 吳廣寧，曹曉斌，沈金鎖

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

500 kV輸電線路引流板過(guò)熱研究

杜 毅1， 敬興東2， 包健康2， 王利華1， 吳廣寧2，曹曉斌2，沈金鎖2

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著用電需求的日益增長(zhǎng)，線路負(fù)荷大幅增加，在高負(fù)荷的夏季容易出現(xiàn)耐張桿塔的耐張線夾特別是引流板部分出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題，對(duì)電力輸送運(yùn)行造成安全隱患。通過(guò)對(duì)輸電線路耐張線夾部分進(jìn)行加載大電流實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)并記錄在不同電流負(fù)載與接觸壓力下耐張線夾及對(duì)應(yīng)引流板發(fā)熱狀況，研究耐張線夾因電流過(guò)大或引流板接觸不良可能造成的引流板過(guò)熱現(xiàn)象。利用數(shù)據(jù)采集與圖形分析總結(jié)在實(shí)際工程操作中需要改進(jìn)的操作步驟，并對(duì)不同條件下出現(xiàn)的引流板過(guò)熱問(wèn)題給出對(duì)應(yīng)的解決措施。

大電流；電接觸；引流板

0 引 言

隨著中國(guó)電力事業(yè)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)運(yùn)行的電壓等級(jí)與供電可靠性要求逐漸提高。對(duì)于輸電線路而言，外界工作環(huán)境復(fù)雜多變，容易使線路產(chǎn)生銹蝕和過(guò)熱等缺陷，特別是在夏季負(fù)荷高峰期,因耐張線夾的引流板區(qū)域過(guò)熱所造成的熱損毀已成為對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行越來(lái)越突出的問(wèn)題隱患，如在成都地區(qū)某線路上曾監(jiān)測(cè)到耐張線夾的引流板溫度超過(guò)200 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線路溫度,嚴(yán)重影響到安全運(yùn)行。

耐張線夾主要由耐張管、引流板和引流管3部分組成，是用于連接、轉(zhuǎn)免和固定導(dǎo)線承受張力，并將導(dǎo)線掛在桿塔上的線路連接金具。按照其連接方式分為爆壓式、液壓式、螺栓式、楔式等幾種類型，近年來(lái)由于液壓工藝的發(fā)展，所使用的耐張線夾多為液壓式。為了減少自身的電阻,耐張線夾通常采用純鋁制造，其純度在98%以上。目前中國(guó)耐張線夾生產(chǎn)企業(yè)較少,產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《110～500 kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5092-1999)規(guī)定,導(dǎo)線在連續(xù)運(yùn)行時(shí),它們的溫度必須不超過(guò)70 ℃。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《架空送電線路運(yùn)行規(guī)程》(DL/T 741-2001 )規(guī)定,耐張線夾運(yùn)行溫度不得高于導(dǎo)線溫度10 ℃,且導(dǎo)線與導(dǎo)流設(shè)備相對(duì)溫差值超過(guò)35%為一般缺陷，超過(guò)80%則為重大缺陷。從這個(gè)角度講,耐張線夾運(yùn)行時(shí)超過(guò)80℃就會(huì)對(duì)線路的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患[1,2]。下面通過(guò)對(duì)耐張線夾進(jìn)行大電流實(shí)驗(yàn)觀測(cè)在長(zhǎng)時(shí)間工作條件下耐張線夾區(qū)域的溫度分布，研究并總結(jié)引流板在不同電流值及螺栓緊固力情況下的發(fā)熱及溫度分布規(guī)律，探索引起輸電線路中耐張線夾過(guò)熱的主要因素，并提出有效措施減小安全隱患，提高電力輸送可靠性。

1 電接觸與接觸電阻

電接觸是研究固態(tài)導(dǎo)體與固態(tài)導(dǎo)體,固態(tài)導(dǎo)體與液態(tài)導(dǎo)體，固、液態(tài)導(dǎo)體與等離子體接觸過(guò)渡區(qū)中的機(jī)械現(xiàn)象。電接觸形式有3種：點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸，接觸形式對(duì)接觸電阻的影響主要表現(xiàn)在接觸點(diǎn)的數(shù)目上。一般而言,面接觸的接觸點(diǎn)數(shù)n最多,接觸電阻最小。點(diǎn)接觸的接觸點(diǎn)數(shù)n最少,收縮電阻應(yīng)最大，線接觸介于二者之間。引流板接觸區(qū)域表現(xiàn)為平面之間的面接觸，其接觸表面總是凹凸不平的，即使有很大的壓力作用于接觸面時(shí)，也只有少數(shù)的點(diǎn)實(shí)際發(fā)生了接觸，這些點(diǎn)承受了全部的壓力，形成的接觸面是電流唯一的導(dǎo)通通道。為了區(qū)分在實(shí)際接觸點(diǎn)中是否導(dǎo)電，通常將實(shí)際發(fā)生機(jī)械接觸的斑點(diǎn)面稱為接觸斑點(diǎn)，而實(shí)際傳導(dǎo)電流的更小的面稱為導(dǎo)電斑點(diǎn)。

對(duì)于引流板而言，其體電阻相對(duì)接觸電阻較小，而接觸電阻隨接觸表面的材質(zhì)、接觸壓力、接觸面積等影響較大。圖1顯示了電流線收縮與接觸斑點(diǎn)情況，其中接觸面絕大部分是空隙，沒(méi)有參與到實(shí)際接觸，只有部分的輪廓峰點(diǎn)真正發(fā)生了接觸形成導(dǎo)電斑點(diǎn)。當(dāng)電流線通過(guò)導(dǎo)電斑點(diǎn)附近時(shí)發(fā)生收縮，使電流流過(guò)的路徑增長(zhǎng)，有效導(dǎo)電面積減少，從而產(chǎn)生收縮電阻。

圖1 接觸面的微觀形式圖

20世紀(jì)50年代德國(guó)學(xué)者R.Holm[3]提出,總接觸電阻應(yīng)是所有實(shí)際接觸點(diǎn)電阻的并聯(lián)值(即自身電阻Rs)與因相互影響而造成的電阻值(即相互電阻Ri)相串聯(lián)。

式中，Rj為總接觸電阻;a是圓形斑點(diǎn)的平均半徑；α稱為斑點(diǎn)群的半徑或Holm半徑。

在工程計(jì)算中，由于計(jì)算導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)n和平均半徑非常困難，通常使用下面經(jīng)驗(yàn)公式代替計(jì)算。

式中，Rj為接觸電阻,mΩ；F為接觸壓力,N；m為與接觸點(diǎn)數(shù)目、壓力范圍等因素相關(guān)的指數(shù)，在面接觸形式下通常取m=1；kj為與接觸材料、表面氧化程度等因素相關(guān)的系數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)決定。但此公式的局限性很大，不能概括各種因素對(duì)接觸電阻的影響。在工廠中常使用測(cè)量接觸電壓的方法來(lái)實(shí)測(cè)接觸電阻值，其中接觸電壓降是指通過(guò)一定電流時(shí)電接觸連接處的電壓降，即：Uj=RIj。

近年來(lái)通過(guò)對(duì)熱損毀線路的停電檢修發(fā)現(xiàn)，大部分過(guò)熱現(xiàn)象均由于戶外環(huán)境造成引流板螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致引流板接觸電阻增大并使周圍溫度不均勻升高，當(dāng)設(shè)備產(chǎn)熱量高于散熱量時(shí)會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)直至熱損毀[4,5]。使引流板接觸電阻變化的因素主要有以下幾方面：連接設(shè)備材料性質(zhì)、接觸面處理、螺栓緊固壓力、環(huán)境溫度、外界腐蝕等。

2 大電流實(shí)驗(yàn)下耐張線夾受熱分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

利用大電流發(fā)生器模擬在500kV輸電線路中耐張線夾的工作狀況，擬通過(guò)變化電流載荷與引流板螺栓緊固力研究耐張線夾引流板處的發(fā)熱變化，利用紅外熱像儀分析對(duì)應(yīng)熱流分布與溫升，并利用萬(wàn)用表測(cè)量相關(guān)部分電勢(shì)差，分析對(duì)應(yīng)電阻的變化情況。由于耐張線夾電阻的大小影響著線路發(fā)熱情況，其電阻變化規(guī)律成為實(shí)驗(yàn)中研究重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中將要使用到以下設(shè)備。

(1)大電流發(fā)生器

圖2 大電流發(fā)生器產(chǎn)品圖

大電流發(fā)生器又稱升流器,型號(hào)HYDDL-3000A,具有實(shí)時(shí)顯示輸出、改變電流的能力。使用時(shí)按照調(diào)試要求，將大電流發(fā)生器與被試品接好，按所需實(shí)驗(yàn)電流值設(shè)定輸出電流。

(2)耐張線夾

將用螺栓連接好的耐張線夾通過(guò)軟連接裝置與導(dǎo)電銅線進(jìn)行連接，并將耐張線夾進(jìn)行分段標(biāo)注作為電壓測(cè)點(diǎn),標(biāo)示如圖3所示。

圖3 耐張線夾實(shí)驗(yàn)示意圖

此外，實(shí)驗(yàn)還需要紅外熱像儀對(duì)耐張線夾溫度分布進(jìn)行拍攝，并用導(dǎo)電銅線作為載流體將耐張線夾設(shè)備與大電流發(fā)生器連接形成回路。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象

將實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接后，使用大電流發(fā)生器對(duì)耐張線夾分別通以100A、200A、300A、400A、500A、600A電流值，利用紅外熱像儀對(duì)實(shí)驗(yàn)線路進(jìn)行拍攝，記錄并研究主要發(fā)熱點(diǎn)與溫度值；調(diào)節(jié)引流板處螺栓扭力大小，分別以不同螺栓力矩模擬不同接觸狀態(tài)下引流板發(fā)熱現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)中使用萬(wàn)用表對(duì)耐張線夾標(biāo)注點(diǎn)測(cè)量電壓值，利用對(duì)應(yīng)電流載荷得出電阻值，并通過(guò)電壓值變化趨勢(shì)研究耐張線夾發(fā)熱情況。紅外成像儀測(cè)量的引流板處在不同工作條件下溫度值如表1所示。

表1 不同條件下引流板處溫度值(℃)

在不同接觸條件下，萬(wàn)用表所測(cè)各標(biāo)記點(diǎn)電壓值如表2、表3所示。

綜合以上的溫度分布圖與各表格可以得出以下結(jié)論。

1)在相同電流不同螺栓扭力的情況下,引流板處的溫度不同。這是由于隨著接觸壓力的增大，引流板接觸面輪廓發(fā)生壓縮形變，導(dǎo)電斑點(diǎn)的數(shù)量開始增加。宏觀上表現(xiàn)為接觸電阻開始減小，引流板處的工作溫度降低；

表2 螺栓擰緊情況下電壓數(shù)據(jù)表(力矩50 N.m)

表3 螺栓松動(dòng)情況下電壓數(shù)據(jù)表(力矩10 N.m)

2)在相同扭力不同電流值的情況下，引流板處的溫度隨所加電流值遞增。驗(yàn)證了電阻是引流板發(fā)熱的主要因素，在用電高峰期需格外注意線路發(fā)熱，防止出現(xiàn)輸電線路熱損毀；

3)在紅外圖片中還發(fā)現(xiàn)引流管及耐張線夾與輸電線路連接處也出現(xiàn)明顯發(fā)熱現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谀蛷埦€夾與線路壓接過(guò)程中由于工藝問(wèn)題產(chǎn)生較大的接觸電阻，嚴(yán)重情況下也會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱損毀，在裝配與更換過(guò)程中需要注意此類情況。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)分析得出，要解決引流板處的發(fā)熱問(wèn)題，就要減少發(fā)熱功率。通過(guò)減小電流強(qiáng)度或降低接觸電阻均可達(dá)到要求，但在實(shí)際工作中降低線路電流是比較困難的，常用的措施是降低接觸電阻。一般采用在接觸面涂抹導(dǎo)電膏以增大實(shí)際接觸面積，防止表面氧化生成氧化膜，并對(duì)耐張線夾定期檢修更換，始終保證螺栓處的良好接觸以提高輸電線路安全運(yùn)行[6]。

(2)改進(jìn)耐張線夾結(jié)構(gòu)，增加引流板有效接觸面積并提高產(chǎn)品制作時(shí)引流板表面平整度均能減小發(fā)熱現(xiàn)象。也可改進(jìn)耐張線夾材料，研究表明在鋁中添加鋯(Zr)、鎳(Ni)、鈦(Ti)和釩(V)等金屬做成相應(yīng)的鋁合金時(shí)，可以大大提升金屬鋁的發(fā)、耐熱性能[7]，以滿足更高的負(fù)荷電流并提升材料的耐熱性能。

(3)經(jīng)對(duì)發(fā)熱檢修處理的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)故障引流部件電流進(jìn)行分流或加裝輔助引流線，也能有效解決發(fā)熱缺陷，達(dá)到降低引流板溫度的目的。

[1] 北京電力工業(yè)局.電力設(shè)備過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程SDJ7-76：試行修訂說(shuō)明[M].北京：水利電力出版社,1977.

[2] DL/T 71-2001,架空送電線路運(yùn)行規(guī)程[S].

[3] Holm R.Electrical Contacts[M].New York:Springer, 1979.

[4] 葛猛,姜大宇,梁之林.架空地線耐張線夾過(guò)熱原因分析[J].電力安全技術(shù),2005，7(4)：17，22.

[5] 郭曉飛,李擁春，趙元林.耐張引流發(fā)熱的分析與處理[J].電氣技術(shù),2010(8)：136-139.

[6] 孟波. 電氣靜態(tài)接觸發(fā)熱的原因及處理方法[J]. 電氣開關(guān), 2008, 46(4): 58-59.

[7] 李雪. 耐熱導(dǎo)線耐張線夾發(fā)熱問(wèn)題解決方案研究[D]. 保定：華北電力大學(xué), 2010.

With the growing demand of electricity, line load increases significantly, the strain clamp of strain tower, especially the current plate, becomes easy to occur overheating problems which leads to security issues for power transmission during the summer with high load. Through the test of loading large current to strain clamp in transmission line, the heat condition of strain clamp and the corresponding current plate under different load current and contact pressure is observed and recorded, and the overheating of current plate caused by the large current or the poor contact of current plate is studied. The operation steps which need to be improved in the actual project are summarized by using data acquisition and graphical analysis, and the corresponding solutions are given to deal with the overheating of current plate under different conditions.

heavy current; electrical contact; current plate

TM732

A

1003-6954(2015)01-0019-03

2014-09-22)

敬興東(1989)，碩士，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>