王欣伟，刘星廷，郭瑞宙，刘宏

（国网山西电力科学研究院，太原 030001）

引言

架空输电线路跨越地域广阔,所处运行环境复杂，部分线路在恶劣工况环境下（覆冰、舞动、山火）运行不可避免。所谓导线覆冰是指大气中的过冷却水下落到温度低于0 ℃的导线上，过冷却水凝结为固态冰，在导线上不断积累，从而形成导线覆冰，覆冰的主要形式有雨凇、雾凇、混合凇等；舞动是指不均匀轻微覆冰导线在风作用下产生的一种低频率（0.1～3 Hz）、大振幅（可达10 m以上）的自激励振动；山火是指高大灌木区、林区火场对所经输电线路的破坏影响。

恶劣环境工况后，架空导线是否受到损伤，损伤程度如何，是否需要更换导线，或短时间内运行，或长时间继续运行，都与架空导线在运时的机械性能、电气性能等有直接的关系。目前国内外对输电线路的覆冰、舞动和山火的研究主要在预警观测、综合防治、跳闸机理等几个方面，单单针对导线在恶劣环境工况后的性能研究较少。本文通过对新导线、经受了恶劣工况后的运行导线和模拟恶劣工况导线的比对测试，评估导线的性能状况变化。

1 试验设备及导线样品

针对导线机械性能评估使用方法有[1]：抗拉强度及拉伸率的测试[7]、拉伸疲劳性测试[5]、单丝铝线表面硬度测试；导线电气性能验证可通过测试直流电阻进行评估[8, 9]。

主要实验设备情况：材料试验机50 kN（精度0.3级，引伸仪±0.5 %）、数显显微维氏硬度计、电液伺服疲劳试验机（静负荷±100 kN、动负荷±100 kN、频率为0.01～50 Hz）、绝缘子热机试验机（卧式600 kN、精度1级，温控-60～+100 ℃）、双臂电桥直流电阻测试仪。

试验用导线三类：①新导线；②模拟故障跳闸的新导线；③经受覆冰、舞动和山火故障跳闸后的运行取样导线。新导线为故障跳闸线路运维单位提供的备用导线，型号及相关参数如表1[10]。

2 覆冰

2.1 覆冰测试导线

覆冰故障导线情况：2015年4月2日，500 kV左潞Ⅱ线发生雨雪冰冻跳闸，179#-180#导线不均匀脱冰跳跃致BC相间放电，致四分裂子导线一处外层铝线断股散股（具体情况见表2和图1），使用椭圆法测量导线覆冰厚度为25～30 mm。

模拟故障覆冰导线：一根5 m新导线端部用耐张线夹压接，与绝缘子热机试验机钩挂固定连接，施加额定拉断力的90 %（93.4 kN）,试验箱温度控制-30 ℃模拟运行环境，持续时间96 h，模拟覆冰导线运行状况。

2.2 覆冰导线测试[4]

测试环境：温度范围在17.1～22.3 ℃，湿度范围34.5～38.6 %。

抗拉强度及伸长率测试：单丝铝线每层各5根、钢芯3根，夹持端间距15 cm，测试其有效值的平均抗拉强度及伸长率。

维氏硬度测试：单丝铝线表面施加负荷0.1 kg，正四棱锥体金钢石相对面夹角136o，作用时间为15 s，试验误差为3 %，每层单丝铝线各测3个有效数据，测试其平均硬度。测试维式硬度的主要目的，是观察导线长时间运行和恶劣工况后，单丝铝线的机械强度和直流电阻的变化是否与单丝铝线的表面硬度变化有关联。

疲劳性试验[2,6]：单丝铝线每层各2根、钢芯2根，测试其平均疲劳拉伸次数；对JL/G1A-400/35单丝铝线加载力的最大值为900 N，幅值为405 N，均值为496 N，加载频率为27 Hz。对JL/G1A-400/35单丝钢线加载最大力值为5 000 N，幅值为2 250 N，均值为2 750 N，加载频率为27 Hz。

表1 钢芯铝绞线参数(JL/G1A)

表2 覆冰跳闸故障区段情况

图1 500 kV左潞Ⅱ线覆冰跳闸情况

直流电阻测试：单丝铝线每层各3根，测试有效长度50 cm，测其平均阻值；整根导线1根，测试有效长度100 cm。试样与测试夹连接处的表面氧化层用细砂纸打磨除净，试样所处环境变化不大于±1 ℃，测试电阻归算至20 ℃电阻值。相关测试结果见表3。

2.3 覆冰导线测试分析

表3可见，从单丝铝线抗拉强度来看，故障导线强度最低，新导线和模拟故障导线强度相近，但故障导线与新导线单丝铝线强度相差并不大，故障导线单丝铝线最低值不低于新导线的90 %；故障导线与新导线单丝钢芯拉伸强度相近，不低于新导线强度的98 %。从单丝疲劳拉伸次数观察，与单丝抗拉强度情况相似，但故障导线钢芯疲劳拉伸次数却高于新导线；新导线单丝铝线伸长率较故障导线和模拟导线大，但单丝铝线伸长率与其他数据比较无明显规律。单丝铝线机械强度比对见图2。

故障导线直流电阻值较新导线和模拟故障导线高，单丝铝线维氏硬度比较变化不大；导线的机械强度（抗拉强度伸长率、疲劳强度）、维氏硬度和直流电阻联系不明显。

通过以上数据分析发现，故障导线覆冰厚度虽然超过线路设计覆冰厚度的15～20 mm，且发生了跳闸事故，但对故障导线整体性能影响不大，尤其是机械强度性能，不影响其正常运行。

3 舞动

3.1 舞动测试导线

舞动导线故障情况：2013年11月4日，500 kV紧凑型输电线路朔云线,发生覆冰舞动跳闸（具体情况见表4和图4），311#-312#杆塔（3级舞动区）小号侧第1个相间间隔棒（BC相）自B相脱开悬于空中，BC相子导线表面有放电痕迹，导线间隔棒握持导线部位磨损明显，外层导线部分断股，内层未断股，取样导线选取导线间隔棒和相间间隔棒握持磨损部位导线。

表3 覆冰导线测试比对

图2 覆冰单丝铝线抗拉强度及伸长率对比

图3 覆冰单丝铝线疲劳拉伸次数对比

3.2 舞动导线测试

分别进行单丝强度及伸长率测试、硬度测试、疲劳性试验、直流电阻测试，样品型号为JL/G1A-300/40，测试样品数量及测试方法与本文2.2相同，疲劳性试验加载力值及幅值有所变化：对JL/G1A-300/40导线单丝铝线（铝线平均直径为3.22 mm）加载力的最大值为1 400 N，幅值为630 N，均值为771.2 N，加载频率为27 Hz。对JL/G1A-400/35导线单丝钢线（钢线平均直径为2.50 mm）加载力的最大值为6 500 N，幅值为2 925 N，均值为3 575 N，加载频率为27 Hz。由于输电线路舞动的恶劣环境工况模拟难度较大，未进行模拟导线的测试。测试结果见表5。

3.3 舞动导线测试分析

由表5可见，测试结果比对差异明显。故障导线的抗拉强度及伸长率、维氏硬度、疲劳拉伸次数的测试值低于新导线，直流电阻高于新导线。故障导线单丝铝线抗拉强度测试最低值为新导线的51.3 %，单丝钢芯为84.3 %；故障导线单丝铝线疲劳拉伸次数测试最低值为新导线的22 %，单丝钢芯为75.3 %；故障导线直流电阻，测试最大值为新导线的115.1 %；故障导线维氏硬度测试最小值为新导线的92.9 %。单丝铝线抗拉强度及伸长率对比见图5，单丝铝线和钢芯疲劳拉伸次数比对见图6。从测试数据整体来观察，导线的抗拉强度及伸长率、维氏硬度、疲劳拉伸次数呈现正比例变化趋势,直流电阻呈现反比例变化。本次测试故障导线试样主要为线路金具握持磨损部位。

表4 舞动跳闸故障区段情况

图4 500 kV朔云线舞动跳闸情况

通过以上数据分析发现，线路舞动对导线性能，尤其是导线机械性能的影响明显。故障线路为3级舞动区紧凑型输电线路，导线机械性能下降是经历了多次舞动累计的结果。

表5 舞动导线测试比对

图5 舞动单丝铝线抗拉强度及伸长率对比

4 山火

4.1 山火测试导线

山火故障导线：2013年4月14日11时45分，500 kV长晋Ⅱ线B相发生山火跳闸，重合复跳。故障巡视发现65#-66#档中导线有放电痕迹。B相导线对地放电，造成四分裂子导线外层铝线熔断散股，地面有少部分导线灼烧后掉落的熔铝锭，山火跳闸导线情况见6表、图7。取样导线为过火断股散股导线。

模拟山火故障导线[3]：一是使用柴草对试样导线进行烟熏烘烤，保持时间30 min，此方法具有一定局限性，即导线受热均匀度、温度高低、火焰大小是不可控的，且不同燃烧物发热量的差异，也对试验结果有影响，随机性很大。二是使用电热恒温控制烘箱加热导线，保持时间30 min，此方法受热均匀、温度范围相对可控。分别使用两种方法，进行故障导线模拟（模拟测试图见图8）。

4.2 山火导线测试比对

分别进行单丝强度及伸长率测试、硬度测试、疲劳性试验、直流电阻测试；样品型号为JL/G1A-400/35，样品数量及测试方法与本文2.2相同，测试结果见表7、表8。

4.3 山火导线测试分析

观察表7，从抗拉强度来看，模拟柴草熏烤导线强度明显低于故障导线和新导线强度，故障导线单丝铝线最低值与新导线相比不低于73.2 %，最高值不低于93.2；从伸长率观察，故障导线单丝铝线与新导线相近，模拟熏烤导线则是前二者的5～6倍，而单线钢芯伸长率则是故障导线和新导线60 %。从铝线维氏硬度观察，新导线最高、故障导线次之、模拟熏烤导线最低。从疲劳拉伸次数来看，模拟熏烤导线疲劳强度明显低于新导线，而故障导线整体略低于新导线。从直流电阻测试结果观察，新导线最低、故障导线最高、模拟熏烤导线次之。具体对比图见图9～12。

观察表8电炉烘烤导线测试情况。除直流电阻无明显规律趋势变化外，其他测试数据都有一定规律趋势。铝线抗拉强度随温度的升高而降低，但铝线伸长率却大幅增大；钢芯随温度升高，强度下降，钢芯伸长率也随之降低。铝线维氏硬度随温度升高，硬度降低，但300～500 ℃后，硬度变化趋势不大。铝线疲劳拉伸次数由100 ℃升高至300 ℃时疲劳拉伸次数增加，由300 ℃升高至500 ℃时疲劳拉伸次数减小，呈“下抛物线”趋势变化；钢芯则随着温度的升高，而疲劳拉伸次数减小。具体对比图见图9～12。

图6 舞动单丝铝线和钢芯疲劳拉伸次数比对

表6 山火跳闸故障区段情况

图7 500 KV长晋Ⅱ线山火跳闸情况

图8 模拟山火测试导线

表7 山火导线测试比对情况

表8 电炉烘烤导线测试比对情况

图9 山火单丝铝线抗拉强度及伸长率比对

图10 山火单丝铝线疲劳拉伸次数比对

图11 山火单丝钢芯抗拉强度及伸长率比对

图12 山火钢芯疲劳拉伸次数比对

通过以上数据分析，柴火熏烤和电炉烘烤都对模拟故障导线性能有较大影响，且变化趋势明显，但实际山火故障导线与新导线相比，性能测试变化不大，远低于柴火熏烤和电炉烘烤的模拟故障导线，说明故障导线的实际过火温度要低于模拟故障导线温度。500 kV线路导线对地植被距离大，山火火焰直接炙烤导线的情况不能说没有，但概率较低，绝大部分情况为“烟熏”。山火故障跳闸的取样导线虽然出现了铝线断股散股的情况，但不是山火炙烤所造成的，是导线对地放电灼烧所致。

5 综合分析

抗拉强度及伸长率是导线性能的一个重要指标。不进行单个数据对比，从整体的测试数据观察，覆冰和舞动的单丝铝线、单丝钢芯的抗拉强度与伸长率呈现正比例趋势变化，抗拉强度越大拉伸率越大；山火导线的单丝钢芯也为正比例趋势变化，但山火单丝铝线正好相反，抗拉强度越小拉伸率越大，而且伸长率变化明显，这也是高温过火后铝线的一个显著特征。舞动和山火导线的抗拉强度与疲劳拉伸升次数成正比例趋势变化关系明显，覆冰导线由于测试数据趋近，变化不明显。

单丝铝线表面维氏硬度与导线是否过火有关，过火后的铝线维氏硬度降低，但随着温度升高，铝线维氏硬度幅值变化不大；舞动磨损的单丝铝线表面的维氏硬度较新导线低。覆冰导线的单丝铝线的维氏硬度与新导线相比变化不大。

导线直流电阻与抗拉强度及伸长率、疲劳拉伸次数和维氏硬度相互之间联系不明显，无规律可循；故障导线的直流电阻普遍要比新导线的阻值高；不同温度山火模拟导线之间的直流电阻变化无规律。

6 结语

通过新导线、运行故障取样导线、模拟故障导线的试验比对，我们对恶劣工况后的覆冰、舞动和山火跳闸导线状态有了一个较为清晰的认识。从实验数据来看，覆冰对导线的影响最小，舞动对导线的影响最大，山火对导线的影响应视山火情况而定。输电线路覆冰跳闸后，只要未发生由于覆冰过载荷而产生的导线断股问题，覆冰导线可继续保持正常运行。舞动对导线的影响主要是线路金具握夹导线部位的反复拉伸和磨损，运维人员应根据线路所处地域的舞动等级、导线投运时间、线路是否跨越重要通道和导线的磨损情况等进行综合状态评价，合理缩短导线使用期限。山火对导线的影响，主要取决于导线的过火温度，因此线路周边发现山火后，运维人员在保证人身安全的前提下，应及时到达现场观察火情；若只是山火短时“烟熏”，则导线的性能基本不受影响；若山火直接对导线有较长时间的高温炙烤，则应及时更换导线；若情况不确定，应对过火部位导线进行取样检测，发现导线抗拉强度及伸长率与新导线相比变化明显时，应更换导线。