惡劣運(yùn)行工況環(huán)境對(duì)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(guó)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(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，部分線路在惡劣工況環(huán)境下（覆冰、舞動(dòng)、山火）運(yùn)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(dòng)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(lì)振動(dòng)；山火是指高大灌木區(qū)、林區(qū)火場(chǎng)對(duì)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(shí)間內(nèi)運(yùn)行，或長(zhǎng)時(shí)間繼續(xù)運(yùn)行，都與架空導(dǎo)線在運(yùn)時(shí)的機(jī)械性能、電氣性能等有直接的關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)輸電線路的覆冰、舞動(dòng)和山火的研究主要在預(yù)警觀測(cè)、綜合防治、跳閘機(jī)理等幾個(gè)方面，單單針對(duì)導(dǎo)線在惡劣環(huán)境工況后的性能研究較少。本文通過對(duì)新導(dǎo)線、經(jīng)受了惡劣工況后的運(yùn)行導(dǎo)線和模擬惡劣工況導(dǎo)線的比對(duì)測(cè)試，評(píng)估導(dǎo)線的性能狀況變化。

1 試驗(yàn)設(shè)備及導(dǎo)線樣品

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

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況：材料試驗(yàn)機(jī)50 kN（精度0.3級(jí)，引伸儀±0.5 %）、數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)、電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)（靜負(fù)荷±100 kN、動(dòng)負(fù)荷±100 kN、頻率為0.01～50 Hz）、絕緣子熱機(jī)試驗(yàn)機(jī)（臥式600 kN、精度1級(jí)，溫控-60～+100 ℃）、雙臂電橋直流電阻測(cè)試儀。

試驗(yàn)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(dòng)和山火故障跳閘后的運(yùn)行取樣導(dǎo)線。新導(dǎo)線為故障跳閘線路運(yùn)維單位提供的備用導(dǎo)線，型號(hào)及相關(guān)參數(shù)如表1[10]。

2 覆冰

2.1 覆冰測(cè)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(cè)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(jī)試驗(yàn)機(jī)鉤掛固定連接，施加額定拉斷力的90 %（93.4 kN）,試驗(yàn)箱溫度控制-30 ℃模擬運(yùn)行環(huán)境，持續(xù)時(shí)間96 h，模擬覆冰導(dǎo)線運(yùn)行狀況。

2.2 覆冰導(dǎo)線測(cè)試[4]

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

抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率測(cè)試：?jiǎn)谓z鋁線每層各5根、鋼芯3根，夾持端間距15 cm，測(cè)試其有效值的平均抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率。

維氏硬度測(cè)試：?jiǎn)谓z鋁線表面施加負(fù)荷0.1 kg，正四棱錐體金鋼石相對(duì)面夾角136o，作用時(shí)間為15 s，試驗(yàn)誤差為3 %，每層單絲鋁線各測(cè)3個(gè)有效數(shù)據(jù)，測(cè)試其平均硬度。測(cè)試維式硬度的主要目的，是觀察導(dǎo)線長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和惡劣工況后，單絲鋁線的機(jī)械強(qiáng)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(yàn)[2,6]：?jiǎn)谓z鋁線每層各2根、鋼芯2根，測(cè)試其平均疲勞拉伸次數(shù)；對(duì)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(duì)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(cè)試：?jiǎn)谓z鋁線每層各3根，測(cè)試有效長(zhǎng)度50 cm，測(cè)其平均阻值；整根導(dǎo)線1根，測(cè)試有效長(zhǎng)度100 cm。試樣與測(cè)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(cè)試電阻歸算至20 ℃電阻值。相關(guān)測(cè)試結(jié)果見表3。

2.3 覆冰導(dǎo)線測(cè)試分析

表3可見，從單絲鋁線抗拉強(qiáng)度來(lái)看，故障導(dǎo)線強(qiáng)度最低，新導(dǎo)線和模擬故障導(dǎo)線強(qiáng)度相近，但故障導(dǎo)線與新導(dǎo)線單絲鋁線強(qiáng)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(qiáng)度相近，不低于新導(dǎo)線強(qiáng)度的98 %。從單絲疲勞拉伸次數(shù)觀察，與單絲抗拉強(qiáng)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(zhǎng)率較故障導(dǎo)線和模擬導(dǎo)線大，但單絲鋁線伸長(zhǎng)率與其他數(shù)據(jù)比較無(wú)明顯規(guī)律。單絲鋁線機(jī)械強(qiáng)度比對(duì)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(jī)械強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度伸長(zhǎng)率、疲勞強(qiáng)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(jì)覆冰厚度的15～20 mm，且發(fā)生了跳閘事故，但對(duì)故障導(dǎo)線整體性能影響不大，尤其是機(jī)械強(qiáng)度性能，不影響其正常運(yùn)行。

3 舞動(dòng)

3.1 舞動(dòng)測(cè)試導(dǎo)線

舞動(dòng)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(dòng)跳閘（具體情況見表4和圖4），311#-312#桿塔（3級(jí)舞動(dòng)區(qū)）小號(hào)側(cè)第1個(gè)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?，?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(cè)試比對(duì)

圖2 覆冰單絲鋁線抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率對(duì)比

圖3 覆冰單絲鋁線疲勞拉伸次數(shù)對(duì)比

3.2 舞動(dòng)導(dǎo)線測(cè)試

分別進(jìn)行單絲強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率測(cè)試、硬度測(cè)試、疲勞性試驗(yàn)、直流電阻測(cè)試，樣品型號(hào)為JL/G1A-300/40，測(cè)試樣品數(shù)量及測(cè)試方法與本文2.2相同，疲勞性試驗(yàn)加載力值及幅值有所變化：對(duì)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(duì)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(dòng)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(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表5。

3.3 舞動(dòng)導(dǎo)線測(cè)試分析

由表5可見，測(cè)試結(jié)果比對(duì)差異明顯。故障導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率、維氏硬度、疲勞拉伸次數(shù)的測(cè)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(qiáng)度測(cè)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(cè)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(cè)試最大值為新導(dǎo)線的115.1 %；故障導(dǎo)線維氏硬度測(cè)試最小值為新導(dǎo)線的92.9 %。單絲鋁線抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率對(duì)比見圖5，單絲鋁線和鋼芯疲勞拉伸次數(shù)比對(duì)見圖6。從測(cè)試數(shù)據(jù)整體來(lái)觀察，導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率、維氏硬度、疲勞拉伸次數(shù)呈現(xiàn)正比例變化趨勢(shì),直流電阻呈現(xiàn)反比例變化。本次測(cè)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(dòng)跳閘故障區(qū)段情況

圖4 500 kV朔云線舞動(dòng)跳閘情況

通過以上數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，線路舞動(dòng)對(duì)導(dǎo)線性能，尤其是導(dǎo)線機(jī)械性能的影響明顯。故障線路為3級(jí)舞動(dòng)區(qū)緊湊型輸電線路，導(dǎo)線機(jī)械性能下降是經(jīng)歷了多次舞動(dòng)累計(jì)的結(jié)果。

表5 舞動(dòng)導(dǎo)線測(cè)試比對(duì)

圖5 舞動(dòng)單絲鋁線抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率對(duì)比

4 山火

4.1 山火測(cè)試導(dǎo)線

山火故障導(dǎo)線：2013年4月14日11時(shí)45分，500 kV長(zhǎng)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(duì)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(duì)試樣導(dǎo)線進(jìn)行煙熏烘烤，保持時(shí)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，隨機(jī)性很大。二是使用電熱恒溫控制烘箱加熱導(dǎo)線，保持時(shí)間30 min，此方法受熱均勻、溫度范圍相對(duì)可控。分別使用兩種方法，進(jìn)行故障導(dǎo)線模擬（模擬測(cè)試圖見圖8）。

4.2 山火導(dǎo)線測(cè)試比對(duì)

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

4.3 山火導(dǎo)線測(cè)試分析

觀察表7，從抗拉強(qiáng)度來(lái)看，模擬柴草熏烤導(dǎo)線強(qiáng)度明顯低于故障導(dǎo)線和新導(dǎo)線強(qiáng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)看，模擬熏烤導(dǎo)線疲勞強(qiáng)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(cè)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(duì)比圖見圖9～12。

觀察表8電爐烘烤導(dǎo)線測(cè)試情況。除直流電阻無(wú)明顯規(guī)律趨勢(shì)變化外，其他測(cè)試數(shù)據(jù)都有一定規(guī)律趨勢(shì)。鋁線抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，但鋁線伸長(zhǎng)率卻大幅增大；鋼芯隨溫度升高，強(qiáng)度下降，鋼芯伸長(zhǎng)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(shì)不大。鋁線疲勞拉伸次數(shù)由100 ℃升高至300 ℃時(shí)疲勞拉伸次數(shù)增加，由300 ℃升高至500 ℃時(shí)疲勞拉伸次數(shù)減小，呈“下拋物線”趨勢(shì)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(duì)比圖見圖9～12。

圖6 舞動(dòng)單絲鋁線和鋼芯疲勞拉伸次數(shù)比對(duì)

表6 山火跳閘故障區(qū)段情況

圖7 500 KV長(zhǎng)晉Ⅱ線山火跳閘情況

圖8 模擬山火測(cè)試導(dǎo)線

表7 山火導(dǎo)線測(cè)試比對(duì)情況

表8 電爐烘烤導(dǎo)線測(cè)試比對(duì)情況

圖9 山火單絲鋁線抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率比對(duì)

圖10 山火單絲鋁線疲勞拉伸次數(shù)比對(duì)

圖11 山火單絲鋼芯抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率比對(duì)

圖12 山火鋼芯疲勞拉伸次數(shù)比對(duì)

通過以上數(shù)據(jù)分析，柴火熏烤和電爐烘烤都對(duì)模擬故障導(dǎo)線性能有較大影響，且變化趨勢(shì)明顯，但實(shí)際山火故障導(dǎo)線與新導(dǎo)線相比，性能測(cè)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(shuō)明故障導(dǎo)線的實(shí)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(duì)地植被距離大，山火火焰直接炙烤導(dǎo)線的情況不能說(shuō)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(duì)地放電灼燒所致。

5 綜合分析

抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率是導(dǎo)線性能的一個(gè)重要指標(biāo)。不進(jìn)行單個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)比，從整體的測(cè)試數(shù)據(jù)觀察，覆冰和舞動(dòng)的單絲鋁線、單絲鋼芯的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)正比例趨勢(shì)變化，抗拉強(qiáng)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(shì)變化，但山火單絲鋁線正好相反，抗拉強(qiáng)度越小拉伸率越大，而且伸長(zhǎng)率變化明顯，這也是高溫過火后鋁線的一個(gè)顯著特征。舞動(dòng)和山火導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度與疲勞拉伸升次數(shù)成正比例趨勢(shì)變化關(guān)系明顯，覆冰導(dǎo)線由于測(cè)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(dòng)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(qiáng)度及伸長(zhǎng)率、疲勞拉伸次數(shù)和維氏硬度相互之間聯(lián)系不明顯，無(wú)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(wú)規(guī)律。

6 結(jié)語(yǔ)

通過新導(dǎo)線、運(yùn)行故障取樣導(dǎo)線、模擬故障導(dǎo)線的試驗(yàn)比對(duì)，我們對(duì)惡劣工況后的覆冰、舞動(dòng)和山火跳閘導(dǎo)線狀態(tài)有了一個(gè)較為清晰的認(rèn)識(shí)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，覆冰對(duì)導(dǎo)線的影響最小，舞動(dòng)對(duì)導(dǎo)線的影響最大，山火對(duì)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(yùn)行。舞動(dòng)對(duì)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(yùn)維人員應(yīng)根據(jù)線路所處地域的舞動(dòng)等級(jí)、導(dǎo)線投運(yùn)時(shí)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(píng)價(jià)，合理縮短導(dǎo)線使用期限。山火對(duì)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(yùn)維人員在保證人身安全的前提下，應(yīng)及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)觀察火情；若只是山火短時(shí)“煙熏”，則導(dǎo)線的性能基本不受影響；若山火直接對(duì)導(dǎo)線有較長(zhǎng)時(shí)間的高溫炙烤，則應(yīng)及時(shí)更換導(dǎo)線；若情況不確定，應(yīng)對(duì)過火部位導(dǎo)線進(jìn)行取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率與新導(dǎo)線相比變化明顯時(shí)，應(yīng)更換導(dǎo)線。