極限溫度環(huán)境對電氣負荷型器材安全性能的影響研究

孫子涵，張 健，梁建權(quán)

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049； 2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 引 言

輸電線路金具主要由金屬材料制成，隨著環(huán)境溫度降低，盡管金屬材料的屈服強度有所增加，但其自身韌性會隨之下降[1]。一旦溫度低于某一臨界值，其沖擊韌性會急劇下降，從而發(fā)生脆性失效破壞。不同于一般工況下的強度失效損壞，器材金具在脆性失效之前沒有明顯的塑性形變征兆，因而對輸電線路的安全具有極大的威脅[1-3]。

為了保證輸電線路的安全性，電氣負荷型器件的力學性能必須能夠滿足設(shè)備長時間在低溫環(huán)境下可靠運行的要求。從已查文獻可知，我國目前對電氣負荷型電力器材在低溫環(huán)境下的機械特性和電氣性能的研究較少，相關(guān)特性與外界氣溫變化的耦合關(guān)系尚不清楚。為保證輸電線路在低溫地區(qū)安全可靠運行，研究電氣負荷型器件在低溫條件下的機械特性和電氣性能，以及低溫對輸電線路安全性能的影響，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

針對上述問題，本文探索電力器材在高低溫交變和極寒環(huán)境下的電流、溫度等電氣性能的外部影響因素，具體包括：(1)線路上耐張線夾、接續(xù)管等電力器材在高低溫交變和極寒環(huán)境中電流和溫度等參數(shù)的變化規(guī)律；(2)耐張線夾、接續(xù)管等電力器材在實驗室模擬條件下電阻值的變化規(guī)律。

2 金屬材料低溫力學特性研究現(xiàn)狀

很多學者針對輸電線路材料的低溫力學性能進行了研究。常建偉、王元清、李文亮等[4-8]對Q460C高強度鋼材開展了低溫環(huán)境下的拉伸、沖擊、彎曲等試驗。研究發(fā)現(xiàn)，高強度鋼的屈服強度和抗拉強度隨著溫度降低而上升，材料的延伸率和收縮率隨著溫度降低而降低，特別是在-40℃后，鋼材極易發(fā)生脆性失效斷裂。廖小偉等[9]在低溫和常溫環(huán)境下對輸電線路的Q345B、Q420B、Q460C鋼管進行拉伸和沖擊試驗，研究了對應(yīng)材料的塑性指標，并給出了其韌性向脆性轉(zhuǎn)變的失效溫度。Liu、王欣欣、武延民等[11-15]在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對輸電線路焊接接頭的力學性能進行分析，發(fā)現(xiàn)焊接部位更容易受到外界低溫的影響，出現(xiàn)塑性發(fā)脆斷裂的情況。

3 極限溫度環(huán)境下電氣負荷型器材系統(tǒng)性能模擬裝置研制及應(yīng)用

本文研制了一種多參數(shù)多通道的電氣負荷型器件安全性能在線實時監(jiān)測裝置，如圖1所示。該試驗裝置主要包含整體機架、標準重物、架空導(dǎo)線、接續(xù)金具、風速儀、拉壓傳感器、溫度計、太陽能板及控制系統(tǒng)等。圖2為試驗裝置實物，圖3為該裝置的測試軟件界面。

圖1 模擬試驗裝置三維設(shè)計圖

圖2 模擬試驗裝置實物圖

圖3 模擬試驗系統(tǒng)測試軟件界面

由于該裝置系統(tǒng)需放置在戶外極寒環(huán)境中進行測試，傳統(tǒng)的電池供電會出現(xiàn)低溫失效情況?？紤]裝置的安裝要求，采用太陽能板與充電電池相結(jié)合的方式給裝置供電，選用適用于極寒環(huán)境條件下的光合硅能電池，并通過絕熱保溫材料對電池的隔熱層進行隔溫保護，從而減輕惡劣低溫環(huán)境對裝置平穩(wěn)運行的影響。

4 試驗測試數(shù)據(jù)

4.1 溫度對輸電導(dǎo)線牽引張力的影響

為了驗證溫度變化對輸電導(dǎo)線張力的影響，采集了從2020年11月到2021年5月期間模擬試驗裝置的實時數(shù)據(jù)，如圖4所示，圖中繪制了兩組輸電導(dǎo)線張力與室外環(huán)境溫度的均值濾波數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)?？梢钥吹剑軣崦浝淇s的影響，導(dǎo)線的牽引張力均值隨著溫度均值的升高而變小，呈現(xiàn)負相關(guān)的特性。而對實時數(shù)據(jù)而言，當環(huán)境溫差在75℃左右時，輸電導(dǎo)線的最大張力約為最小張力的2.28倍。此外值得注意的是，在溫度接近上下限溫度的中值(約為0℃)時，張力并非處于中值，而是溫度越低，張力增加的幅度越大。另外，從實時張力的振蕩變化特性分析可知，導(dǎo)線的張力具有可逆性，即便經(jīng)過極寒溫度或晝夜溫度波動的作用，導(dǎo)線張力仍會恢復(fù)到原始狀態(tài)。

圖4 環(huán)境溫度作用下導(dǎo)線張力變化圖

4.2 溫度對輸電導(dǎo)線的線夾螺栓緊固力的影響

圖5呈現(xiàn)了兩組線夾螺栓緊固力與室外溫度的均值濾波數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)的變化情況。從圖5的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看到，線夾螺栓緊固力受溫度波動的影響較小，這是由于線夾螺栓自身的剛體特性所決定的，但是線夾螺栓緊固力的均值變化趨勢仍然會隨著溫度升高而降低，呈現(xiàn)負相關(guān)特性。

圖5 環(huán)境溫度作用下線夾螺栓緊固力變化圖

此外，從圖中還可以看到，與導(dǎo)線張力不同，線夾緊固力呈現(xiàn)出一定的不可逆的特性，即其隨著室外環(huán)境溫度波動而發(fā)生變化后，緊固力無法恢復(fù)到原始數(shù)值，且變化后的線夾緊固力比原始數(shù)值更小。因此，從試驗結(jié)果分析可得，極寒溫度會改變線夾螺栓的韌性特性，使之發(fā)生一定的脆性失效，從而導(dǎo)致其緊固力隨著時間的推移，峰值波動幅值會越來越小。

4.3 線夾螺栓緊固力對線夾電阻的影響

為了研究線夾螺栓緊固力對線夾電阻的影響，在實驗室環(huán)境下對線夾螺栓施加不同的緊固力，并測量在不同緊固力作用下線夾電阻的變化值，以此分析線夾螺栓緊固力與線夾電阻的關(guān)系。圖6所示為線夾螺栓緊固力作用下線夾電阻變化圖，可以看到，當線夾螺栓緊固力小于2kN時，線夾電阻的阻值超出了標準允許的最大值(3000μΩ)。隨著施加螺栓緊固力的增加，線夾電阻阻值開始呈現(xiàn)線性減小的特性。當緊固力大于3.6kN后，線夾電阻與螺栓緊固力呈現(xiàn)近似對數(shù)減小的變化特性。從細節(jié)圖中可以看到，當線夾螺栓緊固力大于6kN后，測得的線夾電阻近似保持平穩(wěn)特性，不再發(fā)生變化。

圖6 線夾螺栓緊固力作用下線夾電阻變化圖

4.4 交變環(huán)境對導(dǎo)線接續(xù)管電阻的影響

為探究極限溫度環(huán)境對導(dǎo)線接續(xù)管的影響，將導(dǎo)線接續(xù)管置于高低溫箱中，模擬溫度交變環(huán)境。本文將-40℃下保持1.5h、高溫50℃下保持1.5h并往復(fù)5次定義為一次循環(huán)的交變環(huán)境，而后進行10次溫度循環(huán)交替模擬。每次循環(huán)后，通過儀表測試在50℃時接續(xù)管的電阻值。為減小測試的量化誤差，每次電阻測試時，分別從儀表中進行10次讀數(shù)，并進行整理，以此研究其變化規(guī)律。

表1為JYD-400/35型器材在交變環(huán)境下10次電阻測量均值的變化情況，表2是JYD-300/50型器材在交變環(huán)境下10次電阻測量均值的變化情況。其中，每組測試金具的試樣數(shù)量為3個，分別定義為1#、2#、3#，接續(xù)導(dǎo)線的試樣數(shù)量為1個。

表1 JYD-400/35型器材在交變環(huán)境下的電阻變化情況 (單位：μΩ)

表2 JYD-300/50型器材在交變環(huán)境下的電阻變化情況 (單位：μΩ)

為了進一步呈現(xiàn)JYD-400/35型器材和JYD-300/50型器材在每次交變環(huán)境循環(huán)后的電阻測試均值和分布情況，對JYD-400/35型器材和JYD-300/50型器材的接續(xù)管測試電阻值結(jié)果進行整理，繪制了對應(yīng)的箱型圖，如圖7所示。箱型圖可以有效呈現(xiàn)原始數(shù)據(jù)分布的特征，并對多組數(shù)據(jù)分布特征進行比較。圖中分別標注了測試電阻的上邊緣、下邊緣、中位數(shù)和兩個四分位數(shù)，可以看到，經(jīng)過長時間高低溫交變處理后，接續(xù)管的電阻均值變化不大，但是總體有增大的趨勢。此外，經(jīng)過高低溫循環(huán)作用的接續(xù)管電阻離散分布較大。

圖7 高低溫循環(huán)作用下JYD-400/35和JYD-300/50型器材接續(xù)管電阻變化分布圖

4.5 極寒環(huán)境對導(dǎo)線接續(xù)管電阻的影響

為了探究極寒低溫環(huán)境對導(dǎo)線接續(xù)管的影響，接續(xù)管放置在低溫-50℃下保持500h，每保持50h，測量接續(xù)管的電阻值。每次電阻測試時，分別從儀表中進行10次讀數(shù)，并進行整理，以此研究其變化規(guī)律。

表3呈現(xiàn)了JYD-400/35型器材在極寒環(huán)境下10次電阻測量均值的變化情況，表4呈現(xiàn)了JYD-300/50型器材在極寒環(huán)境下10次電阻測量均值的變化情況。其中，每組測試金具的試樣數(shù)量為3個，分別定義為1#、2#、3#，接續(xù)導(dǎo)線的試樣數(shù)量為1個。

表3 JYD-400/35型器材在極寒環(huán)境下的電阻變化情況 (單位：μΩ)

表4 JYD-300/50型器材在極寒環(huán)境下的電阻變化情況 (單位：μΩ)

為了進一步呈現(xiàn)JYD-400/35型器材和JYD-300/50型器材在極寒環(huán)境作用下的電阻測試均值和分布情況，對測試電阻值結(jié)果進行整理，繪制了對應(yīng)的箱型圖，如圖8所示。從圖中可以看到，經(jīng)過長時間極寒溫度處理后，接續(xù)管的電阻值基本保持恒定，且測試電阻的分布情況保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 極寒環(huán)境作用下JYD-400/35和JYD-300/50型器材接續(xù)管電阻變化分布圖

5 結(jié) 論

針對我國北方極寒區(qū)域電氣負荷型器材存在極大安全隱患的問題，本文以輸電導(dǎo)線接續(xù)管與緊固螺栓為研究對象，通過采集實驗室模擬試驗和試驗現(xiàn)場真實數(shù)據(jù)，對電氣負荷型電力器材(耐張線、接續(xù)金具、導(dǎo)線)的力學和電氣安全性能進行實時在線監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合外界監(jiān)測的環(huán)

境參數(shù)，給出了極限溫度作用下輸電導(dǎo)線金具特性變化曲線。真實環(huán)境試驗和高低溫模擬試驗結(jié)果表明，交變循環(huán)溫度會改變輸電線路電力器材的韌性特性，使之發(fā)生一定的脆性失效。該研究給出了電力器材安全性能的邊界條件，為形成電力器材的安全性能數(shù)據(jù)庫，保證電力器材在極限溫度環(huán)境下的安全特性奠定了堅實的基礎(chǔ)。