一種超溫警示螺栓預警溫度和最佳安裝位置的確定方法

李紅發，程紹兵，夏敏，黃哲，董志聰，王榮鵬，胡小慢

（1.廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東中山，528400；2.廣東電網有限責任公司培訓與評價中心，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際運行中，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，對電力系統安全穩定運行和社會生產生活秩序造成惡劣影響，“三跨”區域發生的斷線故障甚至可能危害公眾安全。根據運行統計，大量斷線事故發生在架空地線連接金具處，而一起斷線事故通常由多個損傷在時間上的累加或者多種損傷在同一時刻的共同作用引起。懸垂線夾是一種在架空線路上用于懸掛導地線的連接金具，其應用范圍廣泛、數量龐大。相關文獻和實際事故案例表明，由于應力集中、接觸電阻大等原因，目前發生的架空地線斷線事故多位于線夾內部或線夾出口處附近。

懸垂線夾連接處螺栓松動、接觸面臟污、金屬的電化學腐蝕等因素會導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高，從而引發線路損傷、斷股，甚至引發斷線事故。這類線路故障往往無法實現自恢復，需要投入大量人力物力進行搶修，因此需要定時檢查線路存在的缺陷情況，以便排查風險。現行的主要檢測方法是由運行人員按運維策略定期對線路進行紅外測溫。但是紅外測溫的測溫周期長，難以捕捉金具內部的線路發熱缺陷，而且無法對雷電斷股等具體的損傷情況及時進行警示。

為此，擬研發一種依靠感溫玻璃球和機械聯動的雷擊超溫警示裝置，對架空地線-懸垂線夾組件（以下統稱為地線-線夾組件）由雷電導致的發熱進行可視化警示，從而補充紅外測溫技術的不足。由于目前關于地線-線夾組件在雷電作用下的各部位暫態溫升過程以及絕對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，導致裝置無法直接投入生產運行。因此，需要對地線-線夾組件各部位受雷擊作用后的溫升現象和絕對溫度變化情況進行理論研究，以此確定裝置合適的閾值范圍和安裝位置，從而完成裝置開發。

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。當線股上異常發熱時，溫度從線股向線夾傳導需要較長時間，溫度傳導過程易受環境參數影響，如風速等。這可能導致線股異常發熱時超溫警示螺栓動作失敗，或是線股未異常發熱時超溫警示螺栓誤動作。

第二，這種超溫警示螺栓的安裝位置在線夾的最上方。若線夾因長期運行發生松動，則過大的接觸電阻會導致高溫無法傳導至超溫警示螺栓，導致超溫警示螺栓在線股異常發熱時動作失敗。

第三，這種超溫警示螺栓的預警溫度還沒有一種普適性的方法來確定。

3 超溫警示螺栓裝置的技術路線

目前關于雷擊架空線路的研究主要集中于雷電作用瞬間，線路本體在接觸點處局部過熱的短暫過程，缺乏對地線-線夾組件的暫態溫升過程以及組件各部件溫升可至的最高絕對溫度的研究。傳統的事故樣本分析方法無法實現對事故發生當時溫度場隨時間變化情況的研究；模擬雷擊實驗方法成本較高、難以復現真實雷擊線路的情況，且具有較大的時間、空間局限性；而近年隨計算機技術發展而出現的有限元仿真計算方法，適用于解決雷電流作用下金具溫升模擬的問題。對于熱學問題，有限元仿真建模是將求解區域網格剖分成有限單元，建立單元內的熱傳導偏微分方程、邊界條件及初始條件進行數值計算。基于傳熱學理論，將描述電力設備熱動態過程的偏微分方程組在時間和空間上進行離散，使用有限元方法進行解算，從而可以得到電力設備任意位置的溫升情況。因此對于不同雷電流作用下的地線-線夾組件暫態溫升以及絕對溫度的理論研究將基于有限元仿真計算進行[1]。

4 本裝置的技術方案

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

根據之前的研究，雷擊架空地線之后雷電流流過接續金具，很容易導致地線與線夾的接觸點處發生放電現象。接觸點處放電會導致溫度快速上升，對地線和接續金具都造成損傷。工程上一般認為雷電流的A、B分量不會對設備造成很大的損傷，而主要使用雷電流的C分量來進行模擬計算，即使用一個持續600ms的恒定電流I(t)來表征雷電流。而發生放電現象時，在接觸點處會產生一個半徑小于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，通過有限元仿真，建立地線和線夾模型，計算在接觸點放電的情況下線夾-地線系統的溫度分布，確定超溫預警螺栓的最佳安裝位置，以保證超溫預警螺栓可以正確動作。

超溫預警螺栓預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。地線選用目前電網中使用最多的鋼絞線。參考國標文件YB/T 5004-2012附錄A，選用結構1*7、橫截面積50mm2的絞線。該型號絞線其它結構參數均根據該國標文件確定。線夾選用CGU-3型懸垂線夾。線夾的整體結構如圖1所示，三視圖如圖2所示。

圖1 地線及CGU-3型懸垂線夾結構圖

圖2 地線及CGU-3型懸垂線夾三視圖

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

圖3 激勵設置

（3）建立仿真模型后，先施加600ms的雷電流和熱源，模擬雷電流流過地線-線夾系統并發生放電現象的情況。隨后停止施加雷電流和熱源，模型繼續計算一段時間，直到該模型的邊界發生溫升。這一步驟是為了模擬真實情況下，在雷電流通過接觸點發生放電后，高溫傳導至線夾需要一定的時間。而在邊界發生溫升后停止仿真，是因為此時邊界條件被破壞，絕熱邊界不再適用，可以認為熱擴散到此結束。

（4）仿真計算完成后，得到整個線夾在完整仿真過程內的溫度分布。可以發現施加激勵側的線夾船體與壓板溫升明顯，這一側的U型螺栓與夾板、船體接觸，因此其溫升也較為迅速。而另一側線夾船體與夾板以及線夾的引流板都沒有明顯的溫升。在整個溫度擴散過程中，U型螺栓頂部的最高溫度可以達到32℃，即高于室環境溫度12℃。則在這種情況下，應該將U型螺栓內玻璃泡的動作溫度設置為32℃[3]。

圖4 超溫警示U型螺栓結構示意圖

（5）根據仿真結果，可以得到結論：超溫警示螺栓的最佳安裝位置應為U型螺栓所在的位置。U型螺栓與線夾壓板直接接觸，當線夾壓板的溫度達到玻璃泡設置動作溫度時，超溫警示螺栓就可以動作。

（6）由于現有的超溫警示螺栓為傳統圓柱形螺栓，這種螺栓無法安裝到U型螺栓的位置。因此，本裝置根據超溫警示螺栓的原理，開發了一種超溫警示U型螺栓，以保證其可以安裝到最佳安裝位置。開發的超溫警示U型螺栓整體結構如圖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）由于雷擊發生時，無法判斷雷電流會從線夾的哪一側流入，因此應該將線夾上的兩個U型螺栓均設置為超溫預警螺栓，以保證動作的可靠性。

5 一種超溫警示螺栓預警溫度和最佳安裝位置的確定方法優點

（1）確定了超溫預警螺栓的預警溫度，且該確定預警溫度的方法具有普適性，可以適應不同的環境條件做出相應調整。

（2）確定了超溫預警螺栓的最佳安裝位置，避免了超溫警示螺栓因螺栓松動而無法傳導高溫，導致地線異常高溫時超溫警示螺栓無法正確動作。

（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境影響，確保線股異常高溫時可以正確動作，以及確保線股沒有發生異常高溫時不會錯誤動作。

（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警溫度和最佳安裝位置的仿真方法不僅適用于20℃的環境溫度，可以根據不同的環境溫度做出調整；不僅適用于該種型號的地線和線夾，對不同型號的懸垂線夾和耐張線夾、不同截面積的地線、導線均可使用該方法來確定超溫警示螺栓的最佳安裝位置。

6 結束語

本文研發的一種超溫警示螺栓，對線路接續金具發熱進行可視化預警，補充了紅外測溫的測溫周期長和難以捕捉發熱缺陷的不足。且超溫警示螺栓是一種機械式的感溫結構，不受天氣、環境等因素影響，很好地解決了紅外測溫存在的問題。這種超溫警示螺栓可靠性高、裝置小、成本低、易安裝。