一種超溫警示螺栓預(yù)警溫度和最佳安裝位置的確定方法

李紅發(fā)，程紹兵，夏敏，黃哲，董志聰，王榮鵬，胡小慢

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山，528400；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，廣東廣州，510000）

1 超溫警示螺栓裝置的背景

在架空輸電線路的實(shí)際運(yùn)行中，斷線事故往往具有較大的危害性，可能造成大面積停電事故，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和社會(huì)生產(chǎn)生活秩序造成惡劣影響，“三跨”區(qū)域發(fā)生的斷線故障甚至可能危害公眾安全。根據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，大量斷線事故發(fā)生在架空地線連接金具處，而一起斷線事故通常由多個(gè)損傷在時(shí)間上的累加或者多種損傷在同一時(shí)刻的共同作用引起。懸垂線夾是一種在架空線路上用于懸掛導(dǎo)地線的連接金具，其應(yīng)用范圍廣泛、數(shù)量龐大。相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)際事故案例表明，由于應(yīng)力集中、接觸電阻大等原因，目前發(fā)生的架空地線斷線事故多位于線夾內(nèi)部或線夾出口處附近。

懸垂線夾連接處螺栓松動(dòng)、接觸面臟污、金屬的電化學(xué)腐蝕等因素會(huì)導(dǎo)致線路與線夾之間的接觸電阻變大，在雷電流作用下極易造成線路局部溫度過(guò)高，從而引發(fā)線路損傷、斷股，甚至引發(fā)斷線事故。這類(lèi)線路故障往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)，需要投入大量人力物力進(jìn)行搶修，因此需要定時(shí)檢查線路存在的缺陷情況，以便排查風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)行的主要檢測(cè)方法是由運(yùn)行人員按運(yùn)維策略定期對(duì)線路進(jìn)行紅外測(cè)溫。但是紅外測(cè)溫的測(cè)溫周期長(zhǎng)，難以捕捉金具內(nèi)部的線路發(fā)熱缺陷，而且無(wú)法對(duì)雷電斷股等具體的損傷情況及時(shí)進(jìn)行警示。

為此，擬研發(fā)一種依靠感溫玻璃球和機(jī)械聯(lián)動(dòng)的雷擊超溫警示裝置，對(duì)架空地線-懸垂線夾組件（以下統(tǒng)稱為地線-線夾組件）由雷電導(dǎo)致的發(fā)熱進(jìn)行可視化警示，從而補(bǔ)充紅外測(cè)溫技術(shù)的不足。由于目前關(guān)于地線-線夾組件在雷電作用下的各部位暫態(tài)溫升過(guò)程以及絕對(duì)溫度的研究尚不充分，超溫警示裝置尚缺乏明確的超溫閾值和安裝位置，導(dǎo)致裝置無(wú)法直接投入生產(chǎn)運(yùn)行。因此，需要對(duì)地線-線夾組件各部位受雷擊作用后的溫升現(xiàn)象和絕對(duì)溫度變化情況進(jìn)行理論研究，以此確定裝置合適的閾值范圍和安裝位置，從而完成裝置開(kāi)發(fā)。

2 超溫警示螺栓裝置的目的

第一，這種超溫警示螺栓的安裝位置在線夾引流板的最上方。當(dāng)線股上異常發(fā)熱時(shí)，溫度從線股向線夾傳導(dǎo)需要較長(zhǎng)時(shí)間，溫度傳導(dǎo)過(guò)程易受環(huán)境參數(shù)影響，如風(fēng)速等。這可能導(dǎo)致線股異常發(fā)熱時(shí)超溫警示螺栓動(dòng)作失敗，或是線股未異常發(fā)熱時(shí)超溫警示螺栓誤動(dòng)作。

第二，這種超溫警示螺栓的安裝位置在線夾的最上方。若線夾因長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)生松動(dòng)，則過(guò)大的接觸電阻會(huì)導(dǎo)致高溫?zé)o法傳導(dǎo)至超溫警示螺栓，導(dǎo)致超溫警示螺栓在線股異常發(fā)熱時(shí)動(dòng)作失敗。

第三，這種超溫警示螺栓的預(yù)警溫度還沒(méi)有一種普適性的方法來(lái)確定。

3 超溫警示螺栓裝置的技術(shù)路線

目前關(guān)于雷擊架空線路的研究主要集中于雷電作用瞬間，線路本體在接觸點(diǎn)處局部過(guò)熱的短暫過(guò)程，缺乏對(duì)地線-線夾組件的暫態(tài)溫升過(guò)程以及組件各部件溫升可至的最高絕對(duì)溫度的研究。傳統(tǒng)的事故樣本分析方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)事故發(fā)生當(dāng)時(shí)溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化情況的研究；模擬雷擊實(shí)驗(yàn)方法成本較高、難以復(fù)現(xiàn)真實(shí)雷擊線路的情況，且具有較大的時(shí)間、空間局限性；而近年隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的有限元仿真計(jì)算方法，適用于解決雷電流作用下金具溫升模擬的問(wèn)題。對(duì)于熱學(xué)問(wèn)題，有限元仿真建模是將求解區(qū)域網(wǎng)格剖分成有限單元，建立單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)偏微分方程、邊界條件及初始條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。基于傳熱學(xué)理論，將描述電力設(shè)備熱動(dòng)態(tài)過(guò)程的偏微分方程組在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散，使用有限元方法進(jìn)行解算，從而可以得到電力設(shè)備任意位置的溫升情況。因此對(duì)于不同雷電流作用下的地線-線夾組件暫態(tài)溫升以及絕對(duì)溫度的理論研究將基于有限元仿真計(jì)算進(jìn)行[1]。

4 本裝置的技術(shù)方案

提出一種在20℃的環(huán)境溫度下確定超溫預(yù)警螺栓最佳安裝位置以及預(yù)警溫度的方法。

根據(jù)之前的研究，雷擊架空地線之后雷電流流過(guò)接續(xù)金具，很容易導(dǎo)致地線與線夾的接觸點(diǎn)處發(fā)生放電現(xiàn)象。接觸點(diǎn)處放電會(huì)導(dǎo)致溫度快速上升，對(duì)地線和接續(xù)金具都造成損傷。工程上一般認(rèn)為雷電流的A、B分量不會(huì)對(duì)設(shè)備造成很大的損傷，而主要使用雷電流的C分量來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算，即使用一個(gè)持續(xù)600ms的恒定電流I(t)來(lái)表征雷電流。而發(fā)生放電現(xiàn)象時(shí)，在接觸點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)半徑小于15mm，遵循高斯分布的熱源Q(r,t)[1]：

其中，R(t)是高斯熱源的最大半徑，取15mm。

因此，通過(guò)有限元仿真，建立地線和線夾模型，計(jì)算在接觸點(diǎn)放電的情況下線夾-地線系統(tǒng)的溫度分布，確定超溫預(yù)警螺栓的最佳安裝位置，以保證超溫預(yù)警螺栓可以正確動(dòng)作。

超溫預(yù)警螺栓預(yù)警溫度及最佳安裝位置確定方法：

（1）在有限元仿真軟件中建立地線-線夾模型。地線選用目前電網(wǎng)中使用最多的鋼絞線。參考國(guó)標(biāo)文件YB/T 5004-2012附錄A，選用結(jié)構(gòu)1*7、橫截面積50mm2的絞線。該型號(hào)絞線其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均根據(jù)該國(guó)標(biāo)文件確定。線夾選用CGU-3型懸垂線夾。線夾的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，三視圖如圖2所示。

圖1 地線及CGU-3型懸垂線夾結(jié)構(gòu)圖

圖2 地線及CGU-3型懸垂線夾三視圖

（2）根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，雷電流直接效應(yīng)的C分量作用時(shí)間一般取250-1000ms，雷電流C分量的幅值一般取200-800A。本裝置選取持續(xù)時(shí)間為600ms、幅值為800A的雷電流C分量作為輸入量[2]。根據(jù)之前的研究，放電現(xiàn)象發(fā)生在壓板下方地線與鋁包帶的第一個(gè)接觸點(diǎn)。因此將遵循高斯分布的熱源施加在第一個(gè)接觸點(diǎn)的位置。如圖3所示。

圖3 激勵(lì)設(shè)置

（3）建立仿真模型后，先施加600ms的雷電流和熱源，模擬雷電流流過(guò)地線-線夾系統(tǒng)并發(fā)生放電現(xiàn)象的情況。隨后停止施加雷電流和熱源，模型繼續(xù)計(jì)算一段時(shí)間，直到該模型的邊界發(fā)生溫升。這一步驟是為了模擬真實(shí)情況下，在雷電流通過(guò)接觸點(diǎn)發(fā)生放電后，高溫傳導(dǎo)至線夾需要一定的時(shí)間。而在邊界發(fā)生溫升后停止仿真，是因?yàn)榇藭r(shí)邊界條件被破壞，絕熱邊界不再適用，可以認(rèn)為熱擴(kuò)散到此結(jié)束。

（4）仿真計(jì)算完成后，得到整個(gè)線夾在完整仿真過(guò)程內(nèi)的溫度分布?？梢园l(fā)現(xiàn)施加激勵(lì)側(cè)的線夾船體與壓板溫升明顯，這一側(cè)的U型螺栓與夾板、船體接觸，因此其溫升也較為迅速。而另一側(cè)線夾船體與夾板以及線夾的引流板都沒(méi)有明顯的溫升。在整個(gè)溫度擴(kuò)散過(guò)程中，U型螺栓頂部的最高溫度可以達(dá)到32℃，即高于室環(huán)境溫度12℃。則在這種情況下，應(yīng)該將U型螺栓內(nèi)玻璃泡的動(dòng)作溫度設(shè)置為32℃[3]。

圖4 超溫警示U型螺栓結(jié)構(gòu)示意圖

（5）根據(jù)仿真結(jié)果，可以得到結(jié)論：超溫警示螺栓的最佳安裝位置應(yīng)為U型螺栓所在的位置。U型螺栓與線夾壓板直接接觸，當(dāng)線夾壓板的溫度達(dá)到玻璃泡設(shè)置動(dòng)作溫度時(shí)，超溫警示螺栓就可以動(dòng)作。

（6）由于現(xiàn)有的超溫警示螺栓為傳統(tǒng)圓柱形螺栓，這種螺栓無(wú)法安裝到U型螺栓的位置。因此，本裝置根據(jù)超溫警示螺栓的原理，開(kāi)發(fā)了一種超溫警示U型螺栓，以保證其可以安裝到最佳安裝位置。開(kāi)發(fā)的超溫警示U型螺栓整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，三視圖如圖6所示。

圖5 超溫警示U型螺栓三視圖

（7）由于雷擊發(fā)生時(shí)，無(wú)法判斷雷電流會(huì)從線夾的哪一側(cè)流入，因此應(yīng)該將線夾上的兩個(gè)U型螺栓均設(shè)置為超溫預(yù)警螺栓，以保證動(dòng)作的可靠性。

5 一種超溫警示螺栓預(yù)警溫度和最佳安裝位置的確定方法優(yōu)點(diǎn)

（1）確定了超溫預(yù)警螺栓的預(yù)警溫度，且該確定預(yù)警溫度的方法具有普適性，可以適應(yīng)不同的環(huán)境條件做出相應(yīng)調(diào)整。

（2）確定了超溫預(yù)警螺栓的最佳安裝位置，避免了超溫警示螺栓因螺栓松動(dòng)而無(wú)法傳導(dǎo)高溫，導(dǎo)致地線異常高溫時(shí)超溫警示螺栓無(wú)法正確動(dòng)作。

（3）確定了超溫警示螺栓的最佳安裝位置，使得超溫警示螺栓可以最大程度地避免受到環(huán)境影響，確保線股異常高溫時(shí)可以正確動(dòng)作，以及確保線股沒(méi)有發(fā)生異常高溫時(shí)不會(huì)錯(cuò)誤動(dòng)作。

（4）改造了超溫警示螺栓，提出了一種超溫警示U型螺栓，使超溫警示螺栓可以安裝在最佳安裝位置。

該確定超溫警示螺栓預(yù)警溫度和最佳安裝位置的仿真方法不僅適用于20℃的環(huán)境溫度，可以根據(jù)不同的環(huán)境溫度做出調(diào)整；不僅適用于該種型號(hào)的地線和線夾，對(duì)不同型號(hào)的懸垂線夾和耐張線夾、不同截面積的地線、導(dǎo)線均可使用該方法來(lái)確定超溫警示螺栓的最佳安裝位置。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研發(fā)的一種超溫警示螺栓，對(duì)線路接續(xù)金具發(fā)熱進(jìn)行可視化預(yù)警，補(bǔ)充了紅外測(cè)溫的測(cè)溫周期長(zhǎng)和難以捕捉發(fā)熱缺陷的不足。且超溫警示螺栓是一種機(jī)械式的感溫結(jié)構(gòu)，不受天氣、環(huán)境等因素影響，很好地解決了紅外測(cè)溫存在的問(wèn)題。這種超溫警示螺栓可靠性高、裝置小、成本低、易安裝。