碳纤维复合芯铝绞线投运后的电晕异常分析

2011-09-12梅冰笑叶自强周国良

浙江电力 2011年10期

梅冰笑，叶自强，周国良

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

碳纤维复合芯铝绞线（ACCC，以下简称复合芯铝绞线）由轻型的复合芯外层缠绕高性能的梯形铝线组成，是一种新型的导线。与常规钢芯铝线相比，在相同外径下，由于复合芯铝绞线外层采用梯形铝绞线结构，其截面比常规铝线增大28%，单位重量与常规钢芯铝绞线相近，而载流量约为常规钢芯铝绞线的两倍，具有低弧垂、高强度、输送容量大的优点。基于复合芯铝绞线的上述特点，该导线已逐步在我国多个省份的不同电压等级电网应用。由于与普通导线有明显差异，因此在运行中也出现了一些新情况。本文通过现场测试和实验室模拟试验，分析了河慈4P67、河溪4P68线投运初期电晕异常增大的原因。

1 线路及电晕情况

220kV河慈4P67、河溪4P68线起自500kV河姆变电站，止于220kV慈溪变电站。其中河慈4P67线长17.658 km，河溪4P68线长18.424 km，全线使用LGJ-500/45导线，于1995年建成投产。为提高线路输送容量，于2007年6月10日通过技术改造将这两条线路的导线改为DRALE-500复合芯铝绞线。

6月12-14日，线路所在地区持续阴雨，线路走廊附近居民向电力部门投诉线路存在异常声响，影响居民日常生活。运行人员至现场查看，发现距离线路10 m处能听到线路上传来的嗡嗡声。技术人员利用紫外电晕成像仪进行测试，结果表明新投运的复合导线普遍存在强烈的电晕放电现象。

6月15日天气转晴，技术人员再次对线路电晕放电情况进行测试，同时还测量了噪声水平。测试分别在约20 m高的小山坡上3号杆塔下方和水库边山顶的14号杆塔下方进行。

紫外电晕成像仪在两个测试点上方的导线上检测到点状分布的电晕放电点，且电晕放电强度较相邻的同电压等级普通钢芯铝绞线小。测试点实测噪声均为49 dB（A），满足环评Ⅰ类要求（噪声限值为白天 55 dB（A））。

2 实验室模拟试验

为了查明复合芯铝绞线雨天电晕噪声大的原因，在实验室对复合芯铝绞线进行了干、湿两种环境的电晕试验。

2.1 试验准备

试验参照GB/T 2317.2-2000《电力金具电晕和无线电干扰试验》进行。

实验室模拟试验采用与河慈4P67、河溪4P68线完全相同的DRALE-500复合芯铝绞线作为试品。此外，还选取了相同截面的普通钢芯铝绞线做比对。试品的具体参数见表1。

表1 试品参数

试验仪器为能清晰反映电晕放电点的位置和电晕放电强烈程度，并能实时记录试验中电晕放电变化的全过程日光型紫外电晕放电成像仪。试验装置的电源由1000 kVA/1000kV交流无晕试验变压器提供。

2.2 试验项目及方法

模拟导线电晕放电试验的电气原理接线如图1所示。

在干、湿两种条件下对试品进行以下试验：

图1 试验电气原理接线

（1）导线电晕起始电压测试。

（2）额定相电压下的电晕放电及噪声测试。

（3）额定线电压下的电晕放电及噪声测试。

为避免试验时高压引线和试品端部的电晕放电影响测量结果，在试品两端分别安装了Φ450×150的铝质均压环，采用扩径导线作为高压引线。

试验采用均匀升压法，逐步升高施加在试品上的电压，加压过程通过紫外电晕成像仪连续观测试品状况，直至观测到试品上出现电晕放电，停止加压并维持试验电压5 min，记录该电压作为电晕起始电压，同时记录此时的噪声水平。然后继续加压，分别在额定相电压（126kV）和额定线电压（220kV）时维持5 min，记录噪声水平和紫外电晕成像仪上的电晕放电光子数。整个试验过程中保持紫外成像仪参数设置一致，以保证检测数据的准确性。

导线表面湿状态试验时，先对试品模拟淋雨，当试品表面有水珠滴落时停止淋雨，再按上述试验方法进行电晕试验。

3 试验结果及分析

3.1 表面干燥状态的电晕试验结果

对复合芯铝绞线和普通钢芯铝绞线进行导线表面干燥状态的起晕电压试验、线电压和相电压电晕放电量及噪声水平测试，测试数据见表2。

表2 导线表面干燥时的电晕情况

从表2可知，两种导线干燥时的起晕电压均高于额定相电压，但低于额定线电压。复合芯铝绞线的起晕电压比钢芯铝绞线高4.9%，电压升到额定线电压时，两种导线均存在点状分布的强烈电晕。复合芯铝绞线的电晕放电光子数达到688个/s，钢芯铝绞线的光子数375个/s。线电压时，两种导线（单根）电晕噪声均超过57 dB（A）。

3.2 表面湿润状态的电晕试验结果

表3为导线表面湿润时复合芯铝绞线及钢芯铝绞线起晕电压、额定相电压和线电压时电晕放电量和噪声水平测试结果。

表3 导线表面湿润时的电晕情况

由表2、表3可知，当导线湿润时，复合芯铝绞线的起晕电压为100kV，比干燥时低52kV，降幅达34.2%，比钢芯铝绞线湿润时的起晕电压低26kV。由图2-5可知，两种导线在干燥状态的额定线电压时，导线表面的电晕均为点状分布；相同电压下，湿润状态复合芯铝绞线表面电晕连续分布，而钢芯铝绞线电晕仍为点状分布。

3.3 试验结果分析

上述试验表明，两种导线在湿润和干燥条件下的电晕特性存在差异。

3.3.1 导线结构对表面电晕的影响

图2 额定线电压时干燥状态的复合芯铝绞线电晕

图3 额定线电压时干燥状态的钢芯铝绞线电晕

图4 额定线电压时湿润状态的复合芯铝绞线电晕

图5 额定线电压时湿润状态的钢芯铝绞线电晕

复合芯铝绞线采用梯形铝线绞制而成，梯形结构使导线绕制更紧密，表面更平滑，类似于光滑圆管，结构如图6所示。钢芯铝绞线是在钢芯外采用圆形铝线绞制而成，单根铝线之间是线接触，接触面小，整根导线表面呈现连续的圆弧形突起，如图7所示。导线结构的不同是导致其电晕特性差异的重要原因之一。

图6 复合芯铝绞线截面

3.3.2 导线表面粗糙度对电晕的影响

电晕起始场强的计算可用皮克（F.W.Peek）公式计算：

图7 钢芯铝绞线截面

式中：Ec为表面电位梯度；r0为导线半径；δ为空气的相对密度，标准大气条件和温度20℃时，δ=1；m1为导线表面粗糙系数，对于表面平滑的非绞制导线，m1=1，否则m1＜1；m2为气象系数，根据不同气象情况，m2约为0.8～1.0。

由式（1）可以看出，同样截面的导线，表面越粗糙、m1值越小，导线起晕电压越低。由图6可知，复合芯铝绞线比同截面的钢芯铝绞线表面光滑，计算电晕起始场强的导线表面粗糙系数m1取值大于钢芯铝绞线，因此在其它条件相同时，复合芯铝绞线电晕起始场强大于钢芯铝绞线。

3.3.3 导线表面特性对导线电晕的影响

雨水在导线上的流动状况以及形成的水滴都会直接影响导线表面电场的变化。特别是水滴，会使导线表面电场场强发生较大畸变，局部表面电场场强增大，电晕点增多，电晕放电强度增加，影响电晕起始场强的m1值变小。由表2和表3可以看出，表面湿润时两种导线的起晕电压均低于表面干燥时的起晕电压。

导线表面状况直接影响雨水在导线上的流动及形成水滴的大小。导线湿润的表面有两种极端状态，一种是可以使水沿导线均匀扩散，称为亲水状态，另一种则类似于表面涂蜡，雨水只形成小水珠，称为憎水状态。图8、图9为复合芯铝绞线和钢芯铝绞线充分湿润后的表面水分分布状况。从图中可以看出，复合芯铝导线表面属于憎水性，而钢芯铝绞线则属于亲水性。仔细观测两种导线表面，发现复合芯表面存在一层薄的油膜，由于油酯的憎水性，导致复合芯铝绞线表现为憎水性。旧的钢芯铝绞线表面累积了厚厚的污秽，这种污秽具有吸水性，导致钢芯铝绞线表面的水分迅速被污秽吸收，导线表现为亲水性。

图8 复合芯铝绞线表面湿润状况

图9 钢芯铝绞线表面湿润状况

在施加电压情况下，电场力有时能克服憎水性导线上水滴的表面张力，使尖端喷射出微小的带电微滴，从而使m1值的下降幅度比亲水性更大。因此，复合芯铝绞线的这种憎水性导致其湿润时的起晕电压仅为干燥时起晕电压的65.8%，而湿润钢芯铝绞线起晕电压为其干燥时起晕电压的87%。

复合钢芯铝绞线上的油膜是制造厂生产过程中使用润滑剂后的残留，制造钢芯铝绞线时同样也会有油膜残留。多年来的运行经验表明，钢芯铝绞线投运后并无雨天电晕噪声扰人的报道。究其原因，圆形股线绕制的导线之间空隙较大，当导线因油膜呈现憎水性时，湿润后的绝大部分水滴在重力作用下滑入股线空隙或滴落，未增加导线表面的粗糙度，起晕场强降低并不明显。复合芯铝绞线采用梯形铝线绕成，表面类似光滑的圆柱，当导线呈现憎水性时，水在导线表面以水珠形式分布，严重影响导线表面光洁度，粗糙系数m1变小，起晕电压下降。

复合芯铝绞线和钢芯铝绞线一样，随着运行时间的增加和导线表面污秽物积累，导线将逐渐由憎水性转变为亲水性。因此，河慈4P67、河溪4P68线随运行时间的增加，将逐渐转变为亲水性，雨天时的电晕噪声也将显著降低。