一种超温警示螺栓预警温度和最佳安装位置的确定方法

李红发，程绍兵，夏敏，黄哲，董志聪，王荣鹏，胡小慢

（1.广东电网有限责任公司中山供电局，广东中山，528400；2.广东电网有限责任公司培训与评价中心，广东广州，510000）

1 超温警示螺栓装置的背景

在架空输电线路的实际运行中，断线事故往往具有较大的危害性，可能造成大面积停电事故，对电力系统安全稳定运行和社会生产生活秩序造成恶劣影响，“三跨”区域发生的断线故障甚至可能危害公众安全。根据运行统计，大量断线事故发生在架空地线连接金具处，而一起断线事故通常由多个损伤在时间上的累加或者多种损伤在同一时刻的共同作用引起。悬垂线夹是一种在架空线路上用于悬挂导地线的连接金具，其应用范围广泛、数量庞大。相关文献和实际事故案例表明，由于应力集中、接触电阻大等原因，目前发生的架空地线断线事故多位于线夹内部或线夹出口处附近。

悬垂线夹连接处螺栓松动、接触面脏污、金属的电化学腐蚀等因素会导致线路与线夹之间的接触电阻变大，在雷电流作用下极易造成线路局部温度过高，从而引发线路损伤、断股，甚至引发断线事故。这类线路故障往往无法实现自恢复，需要投入大量人力物力进行抢修，因此需要定时检查线路存在的缺陷情况，以便排查风险。现行的主要检测方法是由运行人员按运维策略定期对线路进行红外测温。但是红外测温的测温周期长，难以捕捉金具内部的线路发热缺陷，而且无法对雷电断股等具体的损伤情况及时进行警示。

为此，拟研发一种依靠感温玻璃球和机械联动的雷击超温警示装置，对架空地线-悬垂线夹组件（以下统称为地线-线夹组件）由雷电导致的发热进行可视化警示，从而补充红外测温技术的不足。由于目前关于地线-线夹组件在雷电作用下的各部位暂态温升过程以及绝对温度的研究尚不充分，超温警示装置尚缺乏明确的超温阈值和安装位置，导致装置无法直接投入生产运行。因此，需要对地线-线夹组件各部位受雷击作用后的温升现象和绝对温度变化情况进行理论研究，以此确定装置合适的阈值范围和安装位置，从而完成装置开发。

2 超温警示螺栓装置的目的

第一，这种超温警示螺栓的安装位置在线夹引流板的最上方。当线股上异常发热时，温度从线股向线夹传导需要较长时间，温度传导过程易受环境参数影响，如风速等。这可能导致线股异常发热时超温警示螺栓动作失败，或是线股未异常发热时超温警示螺栓误动作。

第二，这种超温警示螺栓的安装位置在线夹的最上方。若线夹因长期运行发生松动，则过大的接触电阻会导致高温无法传导至超温警示螺栓，导致超温警示螺栓在线股异常发热时动作失败。

第三，这种超温警示螺栓的预警温度还没有一种普适性的方法来确定。

3 超温警示螺栓装置的技术路线

目前关于雷击架空线路的研究主要集中于雷电作用瞬间，线路本体在接触点处局部过热的短暂过程，缺乏对地线-线夹组件的暂态温升过程以及组件各部件温升可至的最高绝对温度的研究。传统的事故样本分析方法无法实现对事故发生当时温度场随时间变化情况的研究；模拟雷击实验方法成本较高、难以复现真实雷击线路的情况，且具有较大的时间、空间局限性；而近年随计算机技术发展而出现的有限元仿真计算方法，适用于解决雷电流作用下金具温升模拟的问题。对于热学问题，有限元仿真建模是将求解区域网格剖分成有限单元，建立单元内的热传导偏微分方程、边界条件及初始条件进行数值计算。基于传热学理论，将描述电力设备热动态过程的偏微分方程组在时间和空间上进行离散，使用有限元方法进行解算，从而可以得到电力设备任意位置的温升情况。因此对于不同雷电流作用下的地线-线夹组件暂态温升以及绝对温度的理论研究将基于有限元仿真计算进行[1]。

4 本装置的技术方案

提出一种在20℃的环境温度下确定超温预警螺栓最佳安装位置以及预警温度的方法。

根据之前的研究，雷击架空地线之后雷电流流过接续金具，很容易导致地线与线夹的接触点处发生放电现象。接触点处放电会导致温度快速上升，对地线和接续金具都造成损伤。工程上一般认为雷电流的A、B分量不会对设备造成很大的损伤，而主要使用雷电流的C分量来进行模拟计算，即使用一个持续600ms的恒定电流I(t)来表征雷电流。而发生放电现象时，在接触点处会产生一个半径小于15mm，遵循高斯分布的热源Q(r,t)[1]：

其中，R(t)是高斯热源的最大半径，取15mm。

因此，通过有限元仿真，建立地线和线夹模型，计算在接触点放电的情况下线夹-地线系统的温度分布，确定超温预警螺栓的最佳安装位置，以保证超温预警螺栓可以正确动作。

超温预警螺栓预警温度及最佳安装位置确定方法：

（1）在有限元仿真软件中建立地线-线夹模型。地线选用目前电网中使用最多的钢绞线。参考国标文件YB/T 5004-2012附录A，选用结构1*7、横截面积50mm2的绞线。该型号绞线其它结构参数均根据该国标文件确定。线夹选用CGU-3型悬垂线夹。线夹的整体结构如图1所示，三视图如图2所示。

图1 地线及CGU-3型悬垂线夹结构图

图2 地线及CGU-3型悬垂线夹三视图

（2）根据相关参考文献，雷电流直接效应的C分量作用时间一般取250-1000ms，雷电流C分量的幅值一般取200-800A。本装置选取持续时间为600ms、幅值为800A的雷电流C分量作为输入量[2]。根据之前的研究，放电现象发生在压板下方地线与铝包带的第一个接触点。因此将遵循高斯分布的热源施加在第一个接触点的位置。如图3所示。

图3 激励设置

（3）建立仿真模型后，先施加600ms的雷电流和热源，模拟雷电流流过地线-线夹系统并发生放电现象的情况。随后停止施加雷电流和热源，模型继续计算一段时间，直到该模型的边界发生温升。这一步骤是为了模拟真实情况下，在雷电流通过接触点发生放电后，高温传导至线夹需要一定的时间。而在边界发生温升后停止仿真，是因为此时边界条件被破坏，绝热边界不再适用，可以认为热扩散到此结束。

（4）仿真计算完成后，得到整个线夹在完整仿真过程内的温度分布。可以发现施加激励侧的线夹船体与压板温升明显，这一侧的U型螺栓与夹板、船体接触，因此其温升也较为迅速。而另一侧线夹船体与夹板以及线夹的引流板都没有明显的温升。在整个温度扩散过程中，U型螺栓顶部的最高温度可以达到32℃，即高于室环境温度12℃。则在这种情况下，应该将U型螺栓内玻璃泡的动作温度设置为32℃[3]。

图4 超温警示U型螺栓结构示意图

（5）根据仿真结果，可以得到结论：超温警示螺栓的最佳安装位置应为U型螺栓所在的位置。U型螺栓与线夹压板直接接触，当线夹压板的温度达到玻璃泡设置动作温度时，超温警示螺栓就可以动作。

（6）由于现有的超温警示螺栓为传统圆柱形螺栓，这种螺栓无法安装到U型螺栓的位置。因此，本装置根据超温警示螺栓的原理，开发了一种超温警示U型螺栓，以保证其可以安装到最佳安装位置。开发的超温警示U型螺栓整体结构如图5所示，三视图如图6所示。

图5 超温警示U型螺栓三视图

（7）由于雷击发生时，无法判断雷电流会从线夹的哪一侧流入，因此应该将线夹上的两个U型螺栓均设置为超温预警螺栓，以保证动作的可靠性。

5 一种超温警示螺栓预警温度和最佳安装位置的确定方法优点

（1）确定了超温预警螺栓的预警温度，且该确定预警温度的方法具有普适性，可以适应不同的环境条件做出相应调整。

（2）确定了超温预警螺栓的最佳安装位置，避免了超温警示螺栓因螺栓松动而无法传导高温，导致地线异常高温时超温警示螺栓无法正确动作。

（3）确定了超温警示螺栓的最佳安装位置，使得超温警示螺栓可以最大程度地避免受到环境影响，确保线股异常高温时可以正确动作，以及确保线股没有发生异常高温时不会错误动作。

（4）改造了超温警示螺栓，提出了一种超温警示U型螺栓，使超温警示螺栓可以安装在最佳安装位置。

该确定超温警示螺栓预警温度和最佳安装位置的仿真方法不仅适用于20℃的环境温度，可以根据不同的环境温度做出调整；不仅适用于该种型号的地线和线夹，对不同型号的悬垂线夹和耐张线夹、不同截面积的地线、导线均可使用该方法来确定超温警示螺栓的最佳安装位置。

6 结束语

本文研发的一种超温警示螺栓，对线路接续金具发热进行可视化预警，补充了红外测温的测温周期长和难以捕捉发热缺陷的不足。且超温警示螺栓是一种机械式的感温结构，不受天气、环境等因素影响，很好地解决了红外测温存在的问题。这种超温警示螺栓可靠性高、装置小、成本低、易安装。