鋼芯鋁絞線斷股缺陷對導線發熱的影響分析

屈成忠　張瀟北

摘要：在高壓輸電線路當中，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荷情況下容易出現諸如斷線等損壞情況的出現，這些特殊情況也是造成傳輸導線壽命較短的主要原因。

關鍵詞：鋼芯鋁絞線 斷股缺陷 導線發熱

一、引言

鋼芯鋁絞線是通過將鋁線和鋼線兩種線形材料進行絞合而制成的導線。在實際使用時經常承受多重荷載，比如彎曲磨損作用、張拉荷載、振動疲勞效應等。在實際使用過程中幾乎很難發現導線各層間內部線股之間相互的磨損情況，若不能及時的對電線內部的磨損進行排查，經過長時間的積累最終可能會導致電線內部斷股的發生，最后導致斷線。通過對之前專家學者的研究結果進行分析發現，目前學界和業界對導線斷股后產生的熱場、電場、應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線斷股斷線的產生機理，可以預知可能存在的隱患，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.鋼芯鋁絞線產生受迫振動。層流風在遇見鋼芯鋁絞線時會選擇繞行，導致了鋼芯鋁絞線受到風力的壓迫并產生振動，層流風在鋼芯鋁絞線的背面發生分離產生了兩個對稱反向的漩渦。當雷諾數達到100～200時，兩個旋渦之間會產生上下交替、周期性脫落和交錯排列的現象，這也是產生周期性的策動力的原因，在被壓迫的情況下，鋼芯鋁絞線產生一定頻率的震動。鋼芯鋁絞線自身在設計成型之后就具有固定的頻率，在策動力的作用下系統頻率會一直變化，當變化的頻率接近或者和鋼芯鋁絞線固有的頻率相等時，這是會產生微風振動，即鋼芯鋁絞線會產生一定程度的共振。

2.鋼芯鋁絞線在振動時所產生的能量關系。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系。但是在實際應用中發現，鋼芯鋁絞線產生受迫振動時臨近線路也會發生振動，這樣就會導致整個鋼芯鋁絞線的線路產生波動，最終導致振動能量向四周輻射。

三、鋼芯鋁絞線斷股發熱特性實驗

（一）實驗設計

為了對相異型號的架空導線斷股發熱特征進行研究，設計了像圖2所示的導線溫度測量實驗平臺。

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

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

（二）實驗結果與分析

三種型號導線的斷股發熱特性實驗結果詳情見表2。

1.不同斷股數各自的發熱特性。由表格2到表格4可以得出結論：在負載電流相同的時候，導線的溫度會隨著段股數的增加而增加，并且非常明顯。但是產生這種現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體，導線的有效導電橫截面積會隨著斷股數的增加而減小。在在負載電流不變的情況下，又會增加電流密度，這與增大導線電阻值的效果一致，就造成越來越明顯的斷股處發熱。

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

3.不同截面導線斷股時的發熱特性。由表格2到表格4得出結論：在斷股數相同和負載電流變化的情況下，導線截面積的減小會加劇導線斷股處溫升的上升。

四、結論

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線在斷股后歐姆損耗分布的分析，以及所設計的溫度實驗結果，可以得出如下三個結論：

1.導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域，且離斷股處越近時歐姆損耗越大，歐姆損耗出現的最大位置是導線的最外層與斷股處相鄰的鋁導體。

2.斷股數的增加會引起負載電流的增大，同時導線斷股位置的發熱特性也來越明顯。

3.導線層數越少時，斷股位置的溫度升高地越劇烈。

上文中提到220kV輸電線斷股現象的產生會帶來一系列不穩定后果，那該如何去規避和解決這一現象，這里提出一些小小建議：首先，在建設鋼芯鋁絞線的時候，要更細致地勘探好周圍的環境，并且設計出最合理的實施方案，要盡可能繞開微風振動發生可能性較高的區域，也要盡量減小鋼芯鋁絞線線路與風向之間的夾角。其次，應該適當地降低鋼芯鋁絞線的最大使用應力和運行應力。最后，在選擇鋼芯鋁絞線的時候，要側重于選擇阻尼性能較好的。