耐熱導線運行溫度對帶電作業(yè)安全距離的影響研究

周炳凌，劉凱，王永強，劉庭，吳田

（1.華北電力大學，北京市 102206；2.江蘇省電力公司檢修分公司，南京市 210024；3.中國電力科學研究院，武漢市 430074；4.南京供電公司，南京市 210008）

0 引 言

耐熱鋁合金導線（以下簡稱耐熱導線）是一種新型的輸變電工程材料，連續(xù)長期運行溫度可達150℃或210℃，在短時間內(nèi)運行溫度可達180℃或240℃，遠高于常規(guī)導線，其輸送能力比相同截面的常規(guī)鋼芯鋁絞線提高了30%100%，在用電負荷增長較快的地區(qū)，在盡量不更換桿塔的情況下，將原導線直接更換為大容量耐熱導線，已經(jīng)成為提高線路輸送容量的新方法［1－2］。

耐熱導線較高的允許溫度不僅會對與導線的復合絕緣子［3］、瓷絕緣子［4］和連接金具［5］等設備的電氣和機械性能產(chǎn)生影響，而且導線溫度的升高可能會對塔頭空氣間隙的放電特性產(chǎn)生影響，從而影響帶電作業(yè)的安全性。目前國內(nèi)外已開展了一些高溫對小間隙空氣放電電壓影響的實驗研究，文獻［6］研究了空氣溫度在1100℃以下的溫度范圍內(nèi)，0.52mm空氣間隙直流電壓的閃絡特性，同時研究了當電極上的熱點溫度在1200℃以下溫度范圍內(nèi)，空氣溫度為常溫時，26cm空氣間隙直流電壓閃絡特性。文獻［7－8］研究了在20cm以下空氣間隙情況下，空氣溫度在252℃以下溫度范圍內(nèi)，對正極性起暈電場、正極性放電影響的模型。文獻［9］研究了在10100℃溫度范圍內(nèi)，1.18cm的絕緣表面及空氣間隙的操作及雷電沖擊放電特性。文獻［10］研究了空氣溫度在500℃以下，25cm棒板間隙雷電沖擊電壓、工頻電壓、慢波前操作沖擊電壓放電特性。文獻［11－12］研究了在630℃以下溫度范圍內(nèi)，46.5cm的棒板間隙操作沖擊放電特性。對于高溫導線與桿塔之間1m以上空氣間隙的操作沖擊放電特性的影響還未見報道。

目前我國已經(jīng)在110220kV輸電線路上應用耐熱鋁合金導線，急需開展高溫導線的帶電作業(yè)，以及時消除線路缺陷［13－17］。因此，本文開展高溫導線對帶電作業(yè)間隙放電特性的研究，并結合氣體放電理論分析高溫導線對間隙放電電壓的影響，得到耐熱導線運行溫度對帶電作業(yè)安全距離的影響，為耐熱導線帶電作業(yè)的安全開展提供技術依據(jù)。

1 試驗裝置與方法

1.1 高溫導線周圍溫度分布的測量

為了解耐熱導線高溫狀態(tài)下，導線本體及附近金具、空氣的溫度情況，進行了導線通流及溫度測量試驗。試驗采用10kA／（200kVA）低壓大電流發(fā)生器，導線采用JNRLH3／LBY 345／55鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線，允許長期運行溫度為210℃。試驗布置示意圖如圖1所示。

耐熱導線用絕緣子懸掛起來，導線兩端連接大電流發(fā)生器。分別在導線表面、懸垂線夾、耐張線夾、碗頭掛板以及距離導線10cm處放置測溫探頭，實時記錄各點溫度情況。探頭布置情況如圖2所示。

在導線運行過程中，負荷電流、日光輻射、風速以及導線的熱輻射都會影響導線運行溫度。試驗在室內(nèi)進行，將導線通過穩(wěn)定的工頻電流，并保持室內(nèi)無陽光照射、無風，保證導線溫度穩(wěn)定的升高。實驗室內(nèi)環(huán)境溫度為26℃，濕度為49%，氣壓為101.0kPa，風速為0m／s。對導線通以約1900A的工頻電流，記錄各測試點溫度隨時間的變化情況。現(xiàn)場試驗布置如圖3所示。

圖3 溫度分布試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Testing picture of temperature distribution

1.2 高溫導線－桿塔放電試驗

利用模擬試驗研究耐熱線路較高的運行溫度對帶電作業(yè)間隙放電特性的影響。試驗電源采用2400kV沖擊電壓發(fā)生器。模擬導線－塔身間隙平行布置，模擬導線長2m、直徑20mm，內(nèi)置2根長1m、220V／2000W的加熱棒；模擬塔身采用1m×1.5m的鍍鋅鋼板。模擬導線接高壓引線，通過一段耐高溫絕緣繩懸掛于橫梁上，距地面2.5m；模擬塔身接地，用絕緣繩懸掛于橫梁上，距地面1.5m。由于目前耐熱導線多用于110kV或220kV線路，塔上帶電作業(yè)多采用地電位作業(yè)，此時可不考慮作業(yè)人員的影響［18］。試驗布置示意圖如圖45所示，實驗現(xiàn)場如圖6所示。

試驗時先對加熱棒施加220V電源以對模擬導線加熱，并采用鉑電阻測溫儀對模擬導線溫度進行測量。當模擬導線溫度達到試驗溫度范圍時，斷開加熱電源，并移開220V電源線和測溫儀表等設備，然后在模擬導線上施加操作沖擊電壓。試驗過程中保持導線溫度在試驗溫度（160℃或240℃）附近，溫度變化范圍為±10℃。每次操作沖擊后，測量模擬導線溫度，當模擬導線溫度降低到試驗溫度范圍時，重復接通導線內(nèi)加熱棒電源，使導線溫度升至試驗溫度范圍。

2 試驗結果

2.1 導線及金具的溫度分布特性

試驗持續(xù)了約75min，導線溫度升至約180℃。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。導線上各點溫度隨時間的變化如圖7所示。

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由試驗結果可知，耐熱導線在約180℃高溫運行時，本體溫度最高；與導線直接接觸的金具溫度次之，如預絞絲、耐張線夾接續(xù)處、懸垂線夾等金具的溫度在100℃以上；沒有與導線直接接觸的金具，如聯(lián)板、耐張線夾的掛環(huán)處，溫度約為60℃；碗頭掛板處，由于與導線距離較遠，溫度比環(huán)境溫度高約7℃；離導線表面10cm的空氣，溫度比環(huán)境溫度高約3℃。

2.2 高溫導線對帶電作業(yè)間隙放電影響

本文分別在常溫、160℃和240℃下進行了間隙距離為1.0、1.2、1.5m 的＋250μs／2500μs正極性標準操作沖擊放電試驗。試驗采用升降法求取其操作沖擊50%放電電壓（U50）。表2為在常溫、160℃和240℃下，間隙距離為1.0、1.2和1.5m 的U50，圖8為不同間隙下U50隨溫度的變化曲線。為了削弱實驗室氣象條件變化帶來的影響，試驗結果按照實驗室環(huán)境氣象條件校正到標準大氣條件下。

由試驗結果可知，當導線溫度為240℃左右時，1.0m空氣間隙的50%操作沖擊放電電壓，與常溫相比變化較大，降低了約6%。在其他空氣間隙距離下，50%操作沖擊放電電壓，與常溫相比變化不大，變化范圍在2%左右。不同導線運行溫度對空氣間隙的放電有一定影響。

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3 溫度對帶電作業(yè)間隙放電的影響

3.1 溫度對導線表面電子發(fā)射的影響

根據(jù)氣體放電理論［19－24］可知，導線本體及其周圍空氣的溫度對氣隙放電的影響主要有以下2個方面：（1）電極溫度上升，金屬電極上的電子動能增大，更容易從電極逸出形成自由電子；（2）氣體溫度上升，空氣密度下降，空氣中自由電子的平均自由程增長，更容易造成碰撞電離。

由費米－狄拉克分布公式可以計算出鋁顯著發(fā)射熱電子的溫度理論值約為1700K（1400℃）。而耐熱鋁合金導線的運行溫度最高為240℃時，其實際熱電離與常溫相差不大。耐熱導線較高的運行溫度，對導線表面熱電子發(fā)射影響較小。

3.2 溫度對導線附近空氣流注放電的影響

外絕緣破壞性放電（包括自由氣隙的擊穿和沿絕緣外表面的閃絡）電壓值正比于大氣校正因素［19］。大氣條件對放電影響一般通過相對空氣密度的函數(shù)修正，但是氣體溫度和壓強2個參數(shù)都同時對放電發(fā)展有影響。溫度對放電過程的影響大于氣體密度影響［11－12］。Rizk［25］基于臨界操作過電壓下先導起始電壓公式，根據(jù)流注發(fā)展所需強度隨空氣相對密度降低而下降的關系分析了空氣的相對密度對長間隙擊穿電壓的影響，即

式中：ES1為流注在δ＝1時的流注發(fā)展所需要電場強度，450kV／m；δ為空氣相對密度［22］，即

式中：p為實試時的大氣壓強，kPa；θ為實試時的溫度，℃。

由于本試驗中主要施加正極性操作波，根據(jù)流注和先導放電理論，在僅出現(xiàn)正極性流注和先導的情況下（ES／＝1；G≤1），U50擊穿電壓［26］可以表示為

式中：EL為先導區(qū)的平均場強；ES為流注區(qū)的平均場強；lL和lS分別為放電過程中先導和流注的長度。

先導和流注長度的比值近似為

根據(jù)氣體放電試驗的結果，先導的比例很小，在不考慮先導對擊穿電壓影響的條件下，正流注在導線附近的高溫區(qū)和遠離導線的常溫區(qū)發(fā)展的擊穿電壓U′50可近似為

根據(jù)式（2）、式（3）和式（5）可以得到導線附近高溫對間隙擊穿電壓的影響的公式，即

根據(jù)試驗測量導線表面的溫度一般不超過240℃，在距離導線約10cm處，空氣的溫度約比周圍溫度高3℃，在導線附近一個高溫空間的溫度可以近似為122℃，根據(jù)式（7）計算，1.0、1.2和1.5m 的高溫導線－桿塔間隙的擊穿電壓分別下降到標準條件下的97.4%，97.8%和98.2%，放電電壓下降程度很小，且隨間隙長度的增加高溫對擊穿電壓的影響下降，理論分析計算結果和試驗結果一致性較好。在間隙長度增加到4m時，擊穿電壓約為標準條件下的99.4%。根據(jù)以上分析可知，導線溫度升高對1.0m以上空氣間隙的50%操作沖擊放電電壓影響不大，對110220kV電壓等級輸電線路帶電作業(yè)安全距離無影響。

4 結 論

（1）耐熱導線較高的運行溫度會使線路金具及周圍空氣溫度升高，離導線10cm以外的空氣溫度與環(huán)境溫度相近。

（2）耐熱導線最高運行溫度遠低于金屬熱電子發(fā)射所需的溫度，不會造成顯著熱電子發(fā)射，對空氣間隙的放電影響較小。

（3）高溫導線附近空氣溫度的升高，可能會使輸電線路塔頭間隙的放電電壓降低。對1.0m以上的空氣間隙，導線240℃的運行溫度對其50%操作沖擊放電電壓的影響可忽略。

（4）110220kV電壓等級耐熱導線輸電線路帶電作業(yè)，按常規(guī)輸電線路帶電作業(yè)規(guī)定的安全距離要求開展即可。

（5）結合流注和先導放電理論，給出了耐熱導線對間隙放電特性的評估方法和公式，理論計算結果和試驗結果的一致性較好。

（6）耐熱導線高溫運行時，導線及其周圍溫度較高，需要進一步開展等電位作業(yè)人員的高溫防護措施研究。

［1］張瑞永，趙新宇，李明，等.輸電線路新型節(jié)能導線的推廣應用［J］.電力建設，2012，33（06）：89－92.

［2］Zamora I，Mazon A J，Eguia P，et al. High－temperature conductors：a solution in the uprating of overhead transmission lines［C］／／Power Tech Proceedings.Porto：IEEE，2001：1－6.

［3］Springer P，Callaway D.Effect of conductor high－temperature on porcelain suspension insulators［C］／／Power and Energy Society General Meeting.Minneapolis：IEEE，2010 ：1－3.

［4］Ostendorp M，Cannon D，Young J.Performance of transmission line components at increasing operating temperatures［C］／／EPRI，Palo Alto，CA：2003.100209.

［5］Hill R J.The effect of high temperature conductors on composite suspension insulator performance［C］／／Power and Energy Society General Meeting.Minneapolis：IEEE，2010 ：1－4.

［6］Alston L L.High－temperature effects on flashover in air［J］.The Institution of Electrical Enginerrs 1958，105（24）：549－553.

［7］Allen N L，Kong J C P.Positive corona inception in air at elevated temperature［J］.IEE Proceeding－Science， Measurement and Technology，2006，153（1）：31－38.

［8］Allen N L，Ghaffar A.The variation with temperature of positive streamer properties in air［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，1995，28（2）：338－343.

［9］Allen N L，EI－Naili M.Impluse breakdown of insulators and air gaps of similar electrode configurations effects of temperature［J］.IEEE Transactions on Dielectries and Electrical Insulation，1994，1（6）：1148－1155.

［10］Allen N L，Greaves D A.Tests on the breakdown of air at elevated temperatures in non－uniform electric fields［J］.IEEProceedings－Science，Measurement and Technology，2000，147（6）：291－295.

［11］Aleksandrov N L，Bazelyan E M.Temperature and density effects on the properties of a long positive streamer in air［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，1996，29（11）：1873－2880.

［12］Aleksandrov N.L，Bazelyan E.M.The effect of initial NO content on spark breakdown in high－temperature air［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，1999，27（5）：1454－1457.

［13］尤傳永.耐熱鋁合金導線的耐熱機理及其在輸電線路中的應用［J］.電力建設，2003，24（8）：4－8.

［14］許大成，黃欲成，韓鵬飛，等.耐熱鋁合金導線在實際工程中的應用［J］.電力科學與工程，2011，27（11）：68－71.

［15］GB 26859—2011電力安全工作規(guī)程 電力線路部分［S］.

［16］戚柏林.超耐熱間隙型導線在220kV輸電線路中應用與實踐［J］.電力建設，2010，31（8）：46－49.

［17］劉俊勇，羅文.用于架空輸電線的不同耐熱導線的比較分析［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011（3）：29－33.

［18］胡毅.送變電帶電作業(yè)技術［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［19］周澤存.高電壓技術［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［20］嚴璋，朱德恒.高電壓絕緣技術［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［21］武占成.氣體放電［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［22］GB／T 16927.1—2011高電壓試驗技術 第1部分：一般定義及試驗要求［S］.

［23］王偉，丁燕生，李成榕，等.空氣溫度對電暈籠中導線直流電暈特性的影響［J］.高電壓技術，2009，35（3）：613－617.

［24］李金梅，李強.發(fā)熱對載流導體絕緣性能不良影響的實驗研究［C］／／第十一屆中國科協(xié)年會，北京，2009.

［25］Rizk F A M.Critical switching impulse strength of long air gaps：Modelling of air density effects［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（3）：1507－1515.

［26］Pigini A，Sortorio G，Moreno M，et al.Influence of air density on the impulse strength of external insulation ［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus System，1985，PAS－104（10）：2888－2900.