鋼芯鋁絞線斷股缺陷對導(dǎo)線發(fā)熱的影響分析

屈成忠　張瀟北

摘要：在高壓輸電線路當(dāng)中，為了降低傳輸損耗，最常使用的是鋼芯鋁絞線是。鋼芯鋁絞線是由鋁線和鋼線這兩種線形材料絞合制作而成，但是在實際使用過程中在高頻率震動和高負(fù)荷情況下容易出現(xiàn)諸如斷線等損壞情況的出現(xiàn)，這些特殊情況也是造成傳輸導(dǎo)線壽命較短的主要原因。

關(guān)鍵詞：鋼芯鋁絞線 斷股缺陷 導(dǎo)線發(fā)熱

一、引言

鋼芯鋁絞線是通過將鋁線和鋼線兩種線形材料進(jìn)行絞合而制成的導(dǎo)線。在實際使用時經(jīng)常承受多重荷載，比如彎曲磨損作用、張拉荷載、振動疲勞效應(yīng)等。在實際使用過程中幾乎很難發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線各層間內(nèi)部線股之間相互的磨損情況，若不能及時的對電線內(nèi)部的磨損進(jìn)行排查，經(jīng)過長時間的積累最終可能會導(dǎo)致電線內(nèi)部斷股的發(fā)生，最后導(dǎo)致斷線。通過對之前專家學(xué)者的研究結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，目前學(xué)界和業(yè)界對導(dǎo)線斷股后產(chǎn)生的熱場、電場、應(yīng)力場的影響沒有展開研究，因此本文選取該選題有利于更加清楚地了解導(dǎo)線斷股斷線的產(chǎn)生機(jī)理，可以預(yù)知可能存在的隱患，更加有針對性的制定合理的方案。

二、鋼芯鋁絞線斷股分析

1.鋼芯鋁絞線產(chǎn)生受迫振動。層流風(fēng)在遇見鋼芯鋁絞線時會選擇繞行，導(dǎo)致了鋼芯鋁絞線受到風(fēng)力的壓迫并產(chǎn)生振動，層流風(fēng)在鋼芯鋁絞線的背面發(fā)生分離產(chǎn)生了兩個對稱反向的漩渦。當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到100～200時，兩個旋渦之間會產(chǎn)生上下交替、周期性脫落和交錯排列的現(xiàn)象，這也是產(chǎn)生周期性的策動力的原因，在被壓迫的情況下，鋼芯鋁絞線產(chǎn)生一定頻率的震動。鋼芯鋁絞線自身在設(shè)計成型之后就具有固定的頻率，在策動力的作用下系統(tǒng)頻率會一直變化，當(dāng)變化的頻率接近或者和鋼芯鋁絞線固有的頻率相等時，這是會產(chǎn)生微風(fēng)振動，即鋼芯鋁絞線會產(chǎn)生一定程度的共振。

2.鋼芯鋁絞線在振動時所產(chǎn)生的能量關(guān)系。在忽略阻尼的情況下，策動力的頻率即鋼芯鋁絞線的頻率振動是等幅的，策動力的頻率變化和線路的固有頻率之間沒有特定的聯(lián)系。但是在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，鋼芯鋁絞線產(chǎn)生受迫振動時臨近線路也會發(fā)生振動，這樣就會導(dǎo)致整個鋼芯鋁絞線的線路產(chǎn)生波動，最終導(dǎo)致振動能量向四周輻射。

三、鋼芯鋁絞線斷股發(fā)熱特性實驗

（一）實驗設(shè)計

為了對相異型號的架空導(dǎo)線斷股發(fā)熱特征進(jìn)行研究，設(shè)計了像圖2所示的導(dǎo)線溫度測量實驗平臺。

從文獻(xiàn)[4]中鋼芯鋁絞線型導(dǎo)線不同鋁導(dǎo)體層數(shù)交流電阻的特征出發(fā)[4]，研究對象選取最外層導(dǎo)體分別由19，15，6根金屬鋁絞合而成的LGJ500/35mm²型導(dǎo)線（導(dǎo)線1），LGJ240/30 mm²型導(dǎo)線（導(dǎo)線2），LGJ70/10mmz型導(dǎo)線（導(dǎo)線3），其他詳細(xì)的規(guī)格尺寸見表1。

從DL/T1069 2016《架空輸電線路導(dǎo)地線修補(bǔ)導(dǎo)則》中導(dǎo)地線損傷程度的分類出發(fā)，計算3種型號導(dǎo)線的斷股程度遵循丁類和11類的損傷截面積；在正常運(yùn)行溫度和最高允許運(yùn)行溫度（70℃或80℃）附近施加電流梯度。

（二）實驗結(jié)果與分析

三種型號導(dǎo)線的斷股發(fā)熱特性實驗結(jié)果詳情見表2。

1.不同斷股數(shù)各自的發(fā)熱特性。由表格2到表格4可以得出結(jié)論：在負(fù)載電流相同的時候，導(dǎo)線的溫度會隨著段股數(shù)的增加而增加，并且非常明顯。但是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的一個重要原因是由于在實驗中斷股的位置都是鋼芯鋁絞線最外層的鋁導(dǎo)體，導(dǎo)線的有效導(dǎo)電橫截面積會隨著斷股數(shù)的增加而減小。在在負(fù)載電流不變的情況下，又會增加電流密度，這與增大導(dǎo)線電阻值的效果一致，就造成越來越明顯的斷股處發(fā)熱。

2.不同負(fù)載電流時斷股位置發(fā)熱特性。由表格2到表格4可以得出結(jié)論：如果斷股數(shù)相同，導(dǎo)線負(fù)載流量增加則會引起斷股處與完整斷的溫差的增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于在斷股時電流被迫從剩余導(dǎo)線截面流通，使得電線中的電流密度在短時間內(nèi)上升，在斷股處產(chǎn)生了劇烈且明顯的發(fā)熱情況。兩個測溫點的溫差隨著導(dǎo)線電流的增大而越發(fā)明顯。

3.不同截面導(dǎo)線斷股時的發(fā)熱特性。由表格2到表格4得出結(jié)論：在斷股數(shù)相同和負(fù)載電流變化的情況下，導(dǎo)線截面積的減小會加劇導(dǎo)線斷股處溫升的上升。

四、結(jié)論

通過以上的計算和使用有限元分析軟件對不同的截面積導(dǎo)線在斷股后歐姆損耗分布的分析，以及所設(shè)計的溫度實驗結(jié)果，可以得出如下三個結(jié)論：

1.導(dǎo)線斷股后的歐姆損耗分布更加不均勻，斷股處及其附近是歐姆損耗的主要分布區(qū)域，且離斷股處越近時歐姆損耗越大，歐姆損耗出現(xiàn)的最大位置是導(dǎo)線的最外層與斷股處相鄰的鋁導(dǎo)體。

2.斷股數(shù)的增加會引起負(fù)載電流的增大，同時導(dǎo)線斷股位置的發(fā)熱特性也來越明顯。

3.導(dǎo)線層數(shù)越少時，斷股位置的溫度升高地越劇烈。

上文中提到220kV輸電線斷股現(xiàn)象的產(chǎn)生會帶來一系列不穩(wěn)定后果，那該如何去規(guī)避和解決這一現(xiàn)象，這里提出一些小小建議：首先，在建設(shè)鋼芯鋁絞線的時候，要更細(xì)致地勘探好周圍的環(huán)境，并且設(shè)計出最合理的實施方案，要盡可能繞開微風(fēng)振動發(fā)生可能性較高的區(qū)域，也要盡量減小鋼芯鋁絞線線路與風(fēng)向之間的夾角。其次，應(yīng)該適當(dāng)?shù)亟档弯撔句X絞線的最大使用應(yīng)力和運(yùn)行應(yīng)力。最后，在選擇鋼芯鋁絞線的時候，要側(cè)重于選擇阻尼性能較好的。