一種基于溫升監(jiān)測的輸電線路耐張線夾缺陷智能診斷方法

馬小敏，范松海，畢茂強，曾 帥，江天炎

（1.國網(wǎng)四川省電力公司 電力科學(xué)研究院，成都 610072；2.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054）

耐張線夾作為輸電線路中常用的一種連接金具，其性能的好壞與整個電網(wǎng)系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行有著重要的聯(lián)系［1］。耐張線夾不僅起到連接導(dǎo)線與桿塔的作用，還是電能流動的載體［2］。目前由于投入使用的耐張線夾數(shù)量多，且缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來檢驗安裝完成后的耐張線夾是否達(dá)到要求，致使耐張線夾成為所投運線路的薄弱環(huán)節(jié)［3-5］。在一些無人區(qū)的輸電線路中，如沙漠、沼澤、原始森林等氣候環(huán)境條件差異很大，無人區(qū)的氣候環(huán)境復(fù)雜，運行工況較差，線路耐張線夾比一般條件下更易出現(xiàn)故障［6］，因而，其運行狀態(tài)監(jiān)測對整個輸電線路的可靠性有著重要意義。而在輸電線路中，耐張線夾的異常發(fā)熱，是輸電線路斷線的潛在威脅之一［7-9］，因而有必要采取措施對耐張線夾運行溫度進(jìn)行檢測評估。

運行中的耐張線夾不可避免會出現(xiàn)缺陷甚至損壞等情況，在電流作用下會產(chǎn)生熱量，長時間會引起事故的發(fā)生。現(xiàn)階段可用于耐張線夾缺陷診斷的方法主要有紅外熱成像技術(shù)［10］，其診斷方式是監(jiān)測線夾在運行中熱輻射能量的分布，根據(jù)得到的熱成像圖，分析線夾可能出現(xiàn)的故障。此外，國內(nèi)外也有采用渦流法來進(jìn)行設(shè)備的無損檢測［11］，文獻(xiàn)［12］提出了一種基于渦流檢測的線夾缺陷檢測方法，根據(jù)缺陷信號的特征來分類線夾缺陷。

當(dāng)耐張線夾各部位的接觸狀況發(fā)生改變時，由于輸電線路的電流較大，耐張線夾各連接部位便會有異常發(fā)熱的現(xiàn)象［13］，嚴(yán)重可使整條線路停運。在輸電線路中在線監(jiān)測耐張線夾的運行狀況，因其數(shù)量龐大，而難以實現(xiàn)［14］。在實際的工程檢修中，通常通過測量耐張線夾各部位的運行溫度，來判斷其工作是否正常。但這種方式只能粗略的判斷其是否出現(xiàn)故障，難以準(zhǔn)確地判斷耐張線夾缺陷發(fā)生的類型，往往需要較為繁瑣的人工檢測步驟來進(jìn)一步判斷缺陷發(fā)生的程度。

本文提出了一種輸電線路耐張線夾缺陷智能診斷方法，首先建立了輸電線路耐張線夾溫度場有限元計算模型，通過改變進(jìn)線端壓接部位、螺栓緊固部位和引流板壓接部位接觸面的接觸電阻，模擬耐張線夾發(fā)生的不同缺陷，分析耐張線夾不同部位出現(xiàn)缺陷的溫度場分布規(guī)律，并構(gòu)建了耐張線夾缺陷與溫升的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最后對現(xiàn)場監(jiān)測得到的耐張線夾的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，診斷出溫升異常的耐張線夾出現(xiàn)接觸不良缺陷，停電檢修結(jié)果表明，本文提出的方法可以實現(xiàn)輸電線路耐張線夾缺陷的有效診斷。

1 輸電線路耐張線夾結(jié)構(gòu)分析

1.1 耐張線夾結(jié)構(gòu)

本文研究對象是220 kV輸電線路的耐張線夾，其型號為NY300/40型線夾，承接的導(dǎo)線多采用LGJ300/40 mm2導(dǎo)線，其模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整體結(jié)構(gòu)由鋁管和鋼錨2個部分組成，通過液壓的方式，將鋼芯鋁絞線與耐張線夾固定在線路中［15］。其中，鋁管只起到承載電流的作用，外部機械負(fù)荷由鋼錨承受。其工作方式是：電流由輸電線傳輸至耐張線夾進(jìn)線端，經(jīng)耐張線夾本體后，電流傳輸至螺栓緊固部位，最后由引流板所接導(dǎo)線流出。顯然，電流流經(jīng)整個過程所經(jīng)過的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，很難通過理論推算來得到耐張線夾各部位的電阻值。本文將接觸電阻的概念引入，通過各部位壓接形成的接觸電阻值的不同，來等效耐張線夾各部位的不同接觸情況。

圖1 耐張線夾模型結(jié)構(gòu)圖

1.2 接觸電阻

接觸電阻產(chǎn)生的來源主要有2個方面：第一，由于器件相互接觸的2個面是粗糙的，當(dāng)2個器件連接時，其實際的接觸面積小于理論的接觸面積。對于金屬導(dǎo)體而言，接觸面的實際面積減小，其導(dǎo)電截面也隨之減小，從而，截面間的電阻便會增大，這部分稱為收縮電阻。第二，2個器件的接觸面在外界環(huán)境中會形成一層氧化膜，這層氧化膜會降低器件的導(dǎo)電性能，這也使得截面間的電阻增大，稱為膜層電阻［16］。接觸面的接觸電阻Rj可表示為：

式中：Rc1為收縮電阻；Rf1為膜層電阻。

此外，接觸面還是熱能流動的載體，熱能在接觸面之間的傳導(dǎo)方式主要是通過固體接觸點之間的熱傳導(dǎo)。所以接觸熱阻的計算方式同接觸電阻類似，同樣是由收縮熱阻以及膜層熱阻2個部分組成。接觸面的接觸熱阻Rr可表示為：

式中：Rc2為收縮熱阻；Rf2為膜層熱阻。

通過對比Holm接觸電阻理論以及單點接觸熱阻模型，推導(dǎo)得出接觸電阻以及接觸熱阻關(guān)系為［17］：

式中：ρ為接觸面的等效電阻率（Ω·m）；λ為接觸面的等效導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））。

接觸面積比可以有效表征器件的接觸電阻［18］，設(shè)接觸面的理論接觸面積st與實際接觸面積sa的比值為k（即k=st/sa）。接觸面積比k越大，實際接觸面積sa越小，接觸電阻Rj越大，因此k與接觸電阻是正比關(guān)系，與接觸面的電阻率也是成正比。同理，式（3）表明接觸面的導(dǎo)熱系數(shù)與電阻率是反比關(guān)系，k與接觸面的導(dǎo)熱系數(shù)呈反比關(guān)系。因此，在仿真時，可以通過改變接觸面的電阻率與導(dǎo)熱系數(shù)來達(dá)到改變接觸電阻的目的。

2 耐張線夾缺陷溫升仿真計算

2.1 耐張線夾溫度場仿真方法

本文依據(jù)導(dǎo)線與耐張線夾的工程結(jié)構(gòu)，進(jìn)行合理的簡化模型，利用ANSYS軟件對該模型進(jìn)行求解，設(shè)置網(wǎng)格劃分參數(shù)，添加材料、邊界條件、激勵等步驟后，進(jìn)行求解，流程如圖2所示。

圖2 仿真流程框圖

耐張線夾仿真模型如圖3所示，導(dǎo)線被視作單位長度電阻相同的鋁柱，將耐張線夾的進(jìn)線端壓接部位的接觸面與引流板壓接部位的接觸面等效為同軸的實心圓筒，接觸層的厚度為1 mm，鋼錨與引流板連接段等效為圓滑彎管，螺栓緊固形成的接觸面等效為平面接觸，接觸層厚度為1 mm。

圖3 耐張線夾仿真模型圖

當(dāng)耐張線夾出現(xiàn)缺陷時，其運行工況將發(fā)生改變，其發(fā)熱可能會超過安全閾值。耐張線夾易發(fā)生缺陷部位主要有3個：一是進(jìn)線端壓接部位；二是螺栓緊固部位；三是引流板壓接部位。本文討論了耐張線夾正常工作狀況與以上3個部位出現(xiàn)缺陷時的溫度場分布情況。

2.2 正常狀態(tài)下耐張線夾的溫度場分布

當(dāng)耐張線夾正常工作時，表示其安裝步驟符合工程標(biāo)準(zhǔn)，且耐張線夾本身無缺陷，負(fù)荷電流為其正常工作電流，仿真時，設(shè)接觸面積比k為1 000，模擬正常接觸電阻［18］，負(fù)荷電流設(shè)置為500 A，環(huán)境因素分別設(shè)置為溫度26.00℃，風(fēng)速0.6 m/s，相對濕度為74%。

耐張線夾正常工作時的溫度場分布特性如圖4所示，耐張線夾正常工作時最高溫度在正常范圍內(nèi)，最高溫度為47.278℃，出現(xiàn)在導(dǎo)線與耐張線夾進(jìn)線端壓接部位，耐張線夾兩端導(dǎo)線壓接處的溫度比螺栓緊固部位的溫度要高，原因是耐張線夾整體表面積大，有利于其熱量揮發(fā)，導(dǎo)線發(fā)熱就大于耐張線夾；整體溫度較低，原因是耐張線夾整體的接觸面積比小，從而接觸面的電阻就小，發(fā)熱功率就小。

圖4 耐張線夾正常工作時溫度場分布圖

2.3 不同缺陷部位下的溫度場分布

耐張線夾各部位的結(jié)構(gòu)不同，出現(xiàn)的缺陷程度也有差異，引起的溫度場分布改變也不同，所以，需要對發(fā)生缺陷頻率高的部位，分析其缺陷引起的溫度場的變化。仿真時，設(shè)定缺陷部位接觸面的接觸面積比k為10 000，其余接觸部位按正常標(biāo)準(zhǔn)1 000設(shè)置，材料的電阻率以及導(dǎo)熱系數(shù)按比例設(shè)定。負(fù)荷電流設(shè)置為500 A，環(huán)境因素與正常運行工況仿真條件一致。

當(dāng)耐張線夾缺陷發(fā)生在進(jìn)線端壓接部位時，其溫度場分布如圖5所示。耐張線夾最高溫度為68.147℃，最高溫度出現(xiàn)在進(jìn)線端壓接部位，螺栓緊固部位溫度較壓接部位略低，而引流板壓接部位溫度最低為57.623℃。因為當(dāng)缺陷出現(xiàn)在進(jìn)線端壓接部位時，該處的接觸狀況發(fā)生改變，接觸面積比變大，致使接觸部位的接觸電阻增大，從而導(dǎo)致該處接觸面的發(fā)熱功率增大。

圖5 耐張線夾缺陷在進(jìn)線端壓接部位時溫度場分布圖

當(dāng)缺陷發(fā)生在螺栓緊固部位時，其溫度場分布如圖6所示。耐張線夾的最高溫度為84.452℃，最高溫度出現(xiàn)在耐張線夾螺栓緊固部位，而最低溫度則出現(xiàn)在進(jìn)線端壓接部位。螺栓緊固處的溫度要比耐張線夾兩端溫度高，該處接觸面的接觸面積比大，即實際導(dǎo)電面積變小，使得接觸電阻變大，線路運行時，該處溫升變得更加明顯。

圖6 耐張線夾缺陷在螺栓緊固部位時溫度場分布圖

當(dāng)缺陷發(fā)生在引流板壓接部位時，其溫度場分布如圖7所示。耐張線夾最高溫度為70.781℃，最高溫度出現(xiàn)在引流板壓接部位，而最低溫度則出現(xiàn)在進(jìn)線端壓接部位。同理，當(dāng)耐張線夾缺陷出現(xiàn)在引流板壓接部位時，該處的溫度會較正常值高，長時間保持高溫運行時，極易造成耐張線夾損壞。

圖7 耐張線夾缺陷在引流板壓接部位時溫度場分布圖

3 耐張線夾缺陷與溫度關(guān)聯(lián)關(guān)系

為進(jìn)一步揭示耐張線夾缺陷與溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，本文研究了溫度與接觸面積比之間的關(guān)系，參照文獻(xiàn)［18］，以接觸面積比為1 000、10 000、20 000、30 000、40 000、50 000進(jìn)行仿真，獲取不同接觸狀態(tài)的耐張線夾溫度分布情況并進(jìn)行分析，耐張線夾最高溫度如表1所示，可見溫度隨著接觸面積比的增大而增大。對比3個部位的缺陷發(fā)現(xiàn)，螺栓緊固部位發(fā)生缺陷時，其溫度增大最為突出，表明該部位為耐張線夾的缺陷易發(fā)部位。

表1 不同接觸面積比下的最高溫度 ℃

采用最小二乘方法［19］對表1中的仿真溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計算（斷裂情況不在擬合范圍內(nèi)），擬合得到耐張線夾在不同缺陷程度下的溫升曲線，如圖8所示，其擬合優(yōu)度R2均接近于1（由上到下分別為0.980 1、0.971 3、0.978 1），說明該回歸曲線擬合程度較好，溫度分布模型具有對數(shù)特征。

圖8 耐張線夾溫度擬合曲線

常見耐張線夾運行缺陷可以歸納為接觸不良（包括銹蝕與螺絲松動等）與形變?nèi)毕荨Ｎ墨I(xiàn)［18］研究結(jié)果表明接觸面積比大于5 000時，耐張線夾出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。結(jié)合《DL/T664—2016帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》的溫度標(biāo)準(zhǔn)［20］以及溫度擬合曲線，接觸面積比約在5 000～40 000之間為接觸不良缺陷；大于40 000為形變?nèi)毕荩枰鼡Q耐張線夾。在實際運用時可以根據(jù)檢測的溫度值，快速診斷耐張線夾不同部位缺陷所屬類型，從而指導(dǎo)耐張線夾的維修策略。

4 實測耐張線夾溫升診斷結(jié)果

為了驗證本文的診斷方法，對轄區(qū)內(nèi)部分安裝同類型耐張線夾的220 kV輸電線路進(jìn)行檢測，測試前，幾條線路未發(fā)現(xiàn)明顯外部缺陷，測試結(jié)果如表2所示，宣等I路、等駕I路、花園Ⅱ路、城北Ⅱ路耐張線夾最高溫度均正常，碧富Ⅰ路A相耐張線夾溫度偏高。

表2 耐張線夾運行溫度檢測結(jié)果

碧富Ⅰ路的檢測工況如表3所示，圖9為碧富Ⅰ路耐張線夾安裝位置圖，人為觀察耐張線夾，并未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷，通過紅外攝像儀拍攝該部位，得到其熱點圖，檢測結(jié)果如圖10所示，其A相R01耐張線夾熱點溫度為42.6℃，R02熱點溫度為78.5℃。根據(jù)規(guī)范［20］，碧富Ⅰ路耐張線夾溫度偏高，存在一般缺陷，需要在后期停電檢修中進(jìn)行處理。

為進(jìn)一步診斷該耐張線夾的缺陷，拍攝圖像顯示，熱點溫度位于耐張線夾螺栓緊固部位，根據(jù)缺陷與溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，可計算得到其接觸面積比約為6 130，從而診斷該處可能存在接觸不良缺陷。后期停電試驗發(fā)現(xiàn)，耐張線夾螺栓緊固部位有銹蝕痕跡，對線路的安全運行存在隱患，遂對其進(jìn)行打磨處理。停電試驗結(jié)果表明，本文方法診斷的耐張線夾缺陷類型與實際相符，可以指導(dǎo)輸電線路的運維檢修輔助決策。

表3 碧富Ⅰ路檢測工況

圖9 碧富Ⅰ路線路圖

圖10 紅外攝像儀拍攝結(jié)果圖

5 結(jié)論

1）正常工況下，輸電線路耐張線夾的兩端壓接導(dǎo)線處的溫度要高于螺栓緊固部位；當(dāng)耐張線夾不同部位出現(xiàn)缺陷時，螺栓緊固部位的溫升較明顯，其對線夾整體的溫度影響最為嚴(yán)重。

2）構(gòu)建了耐張線夾缺陷與溫升的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，結(jié)果表明溫度擬合曲線具有對數(shù)分布特征，螺栓緊固部位的接觸電阻對耐張線夾的溫度變化影響較大。

3）通過對轄區(qū)內(nèi)輸電線路耐張線夾的溫度檢測，采用關(guān)聯(lián)關(guān)系曲線模型進(jìn)行診斷，結(jié)果表明，本文提出的方法可以有效診斷輸電線路耐張線夾的缺陷類型。