碳纖維復(fù)合芯鋁絞線投運(yùn)后的電暈異常分析

梅冰笑，葉自強(qiáng)，周國良

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

碳纖維復(fù)合芯鋁絞線（ACCC，以下簡稱復(fù)合芯鋁絞線）由輕型的復(fù)合芯外層纏繞高性能的梯形鋁線組成，是一種新型的導(dǎo)線。與常規(guī)鋼芯鋁線相比，在相同外徑下，由于復(fù)合芯鋁絞線外層采用梯形鋁絞線結(jié)構(gòu)，其截面比常規(guī)鋁線增大28%，單位重量與常規(guī)鋼芯鋁絞線相近，而載流量約為常規(guī)鋼芯鋁絞線的兩倍，具有低弧垂、高強(qiáng)度、輸送容量大的優(yōu)點(diǎn)?；趶?fù)合芯鋁絞線的上述特點(diǎn)，該導(dǎo)線已逐步在我國多個省份的不同電壓等級電網(wǎng)應(yīng)用。由于與普通導(dǎo)線有明顯差異，因此在運(yùn)行中也出現(xiàn)了一些新情況。本文通過現(xiàn)場測試和實驗室模擬試驗，分析了河慈4P67、河溪4P68線投運(yùn)初期電暈異常增大的原因。

1 線路及電暈情況

220kV河慈4P67、河溪4P68線起自500kV河姆變電站，止于220kV慈溪變電站。其中河慈4P67線長17.658 km，河溪4P68線長18.424 km，全線使用LGJ-500/45導(dǎo)線，于1995年建成投產(chǎn)。為提高線路輸送容量，于2007年6月10日通過技術(shù)改造將這兩條線路的導(dǎo)線改為DRALE-500復(fù)合芯鋁絞線。

6月12-14日，線路所在地區(qū)持續(xù)陰雨，線路走廊附近居民向電力部門投訴線路存在異常聲響，影響居民日常生活。運(yùn)行人員至現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)距離線路10 m處能聽到線路上傳來的嗡嗡聲。技術(shù)人員利用紫外電暈成像儀進(jìn)行測試，結(jié)果表明新投運(yùn)的復(fù)合導(dǎo)線普遍存在強(qiáng)烈的電暈放電現(xiàn)象。

6月15日天氣轉(zhuǎn)晴，技術(shù)人員再次對線路電暈放電情況進(jìn)行測試，同時還測量了噪聲水平。測試分別在約20 m高的小山坡上3號桿塔下方和水庫邊山頂?shù)?4號桿塔下方進(jìn)行。

紫外電暈成像儀在兩個測試點(diǎn)上方的導(dǎo)線上檢測到點(diǎn)狀分布的電暈放電點(diǎn)，且電暈放電強(qiáng)度較相鄰的同電壓等級普通鋼芯鋁絞線小。測試點(diǎn)實測噪聲均為49 dB（A），滿足環(huán)評Ⅰ類要求（噪聲限值為白天 55 dB（A））。

2 實驗室模擬試驗

為了查明復(fù)合芯鋁絞線雨天電暈噪聲大的原因，在實驗室對復(fù)合芯鋁絞線進(jìn)行了干、濕兩種環(huán)境的電暈試驗。

2.1 試驗準(zhǔn)備

試驗參照GB/T 2317.2-2000《電力金具電暈和無線電干擾試驗》進(jìn)行。

實驗室模擬試驗采用與河慈4P67、河溪4P68線完全相同的DRALE-500復(fù)合芯鋁絞線作為試品。此外，還選取了相同截面的普通鋼芯鋁絞線做比對。試品的具體參數(shù)見表1。

表1 試品參數(shù)

試驗儀器為能清晰反映電暈放電點(diǎn)的位置和電暈放電強(qiáng)烈程度，并能實時記錄試驗中電暈放電變化的全過程日光型紫外電暈放電成像儀。試驗裝置的電源由1000 kVA/1000kV交流無暈試驗變壓器提供。

2.2 試驗項目及方法

模擬導(dǎo)線電暈放電試驗的電氣原理接線如圖1所示。

在干、濕兩種條件下對試品進(jìn)行以下試驗：

圖1 試驗電氣原理接線

（1）導(dǎo)線電暈起始電壓測試。

（2）額定相電壓下的電暈放電及噪聲測試。

（3）額定線電壓下的電暈放電及噪聲測試。

為避免試驗時高壓引線和試品端部的電暈放電影響測量結(jié)果，在試品兩端分別安裝了Φ450×150的鋁質(zhì)均壓環(huán)，采用擴(kuò)徑導(dǎo)線作為高壓引線。

試驗采用均勻升壓法，逐步升高施加在試品上的電壓，加壓過程通過紫外電暈成像儀連續(xù)觀測試品狀況，直至觀測到試品上出現(xiàn)電暈放電，停止加壓并維持試驗電壓5 min，記錄該電壓作為電暈起始電壓，同時記錄此時的噪聲水平。然后繼續(xù)加壓，分別在額定相電壓（126kV）和額定線電壓（220kV）時維持5 min，記錄噪聲水平和紫外電暈成像儀上的電暈放電光子數(shù)。整個試驗過程中保持紫外成像儀參數(shù)設(shè)置一致，以保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

導(dǎo)線表面濕狀態(tài)試驗時，先對試品模擬淋雨，當(dāng)試品表面有水珠滴落時停止淋雨，再按上述試驗方法進(jìn)行電暈試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 表面干燥狀態(tài)的電暈試驗結(jié)果

對復(fù)合芯鋁絞線和普通鋼芯鋁絞線進(jìn)行導(dǎo)線表面干燥狀態(tài)的起暈電壓試驗、線電壓和相電壓電暈放電量及噪聲水平測試，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 導(dǎo)線表面干燥時的電暈情況

從表2可知，兩種導(dǎo)線干燥時的起暈電壓均高于額定相電壓，但低于額定線電壓。復(fù)合芯鋁絞線的起暈電壓比鋼芯鋁絞線高4.9%，電壓升到額定線電壓時，兩種導(dǎo)線均存在點(diǎn)狀分布的強(qiáng)烈電暈。復(fù)合芯鋁絞線的電暈放電光子數(shù)達(dá)到688個/s，鋼芯鋁絞線的光子數(shù)375個/s。線電壓時，兩種導(dǎo)線（單根）電暈噪聲均超過57 dB（A）。

3.2 表面濕潤狀態(tài)的電暈試驗結(jié)果

表3為導(dǎo)線表面濕潤時復(fù)合芯鋁絞線及鋼芯鋁絞線起暈電壓、額定相電壓和線電壓時電暈放電量和噪聲水平測試結(jié)果。

表3 導(dǎo)線表面濕潤時的電暈情況

由表2、表3可知，當(dāng)導(dǎo)線濕潤時，復(fù)合芯鋁絞線的起暈電壓為100kV，比干燥時低52kV，降幅達(dá)34.2%，比鋼芯鋁絞線濕潤時的起暈電壓低26kV。由圖2-5可知，兩種導(dǎo)線在干燥狀態(tài)的額定線電壓時，導(dǎo)線表面的電暈均為點(diǎn)狀分布；相同電壓下，濕潤狀態(tài)復(fù)合芯鋁絞線表面電暈連續(xù)分布，而鋼芯鋁絞線電暈仍為點(diǎn)狀分布。

3.3 試驗結(jié)果分析

上述試驗表明，兩種導(dǎo)線在濕潤和干燥條件下的電暈特性存在差異。

3.3.1 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)對表面電暈的影響

圖2 額定線電壓時干燥狀態(tài)的復(fù)合芯鋁絞線電暈

圖3 額定線電壓時干燥狀態(tài)的鋼芯鋁絞線電暈

圖4 額定線電壓時濕潤狀態(tài)的復(fù)合芯鋁絞線電暈

圖5 額定線電壓時濕潤狀態(tài)的鋼芯鋁絞線電暈

復(fù)合芯鋁絞線采用梯形鋁線絞制而成，梯形結(jié)構(gòu)使導(dǎo)線繞制更緊密，表面更平滑，類似于光滑圓管，結(jié)構(gòu)如圖6所示。鋼芯鋁絞線是在鋼芯外采用圓形鋁線絞制而成，單根鋁線之間是線接觸，接觸面小，整根導(dǎo)線表面呈現(xiàn)連續(xù)的圓弧形突起，如圖7所示。導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的不同是導(dǎo)致其電暈特性差異的重要原因之一。

圖6 復(fù)合芯鋁絞線截面

3.3.2 導(dǎo)線表面粗糙度對電暈的影響

電暈起始場強(qiáng)的計算可用皮克（F.W.Peek）公式計算：

圖7 鋼芯鋁絞線截面

式中：Ec為表面電位梯度；r0為導(dǎo)線半徑；δ為空氣的相對密度，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件和溫度20℃時，δ=1；m1為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，對于表面平滑的非絞制導(dǎo)線，m1=1，否則m1＜1；m2為氣象系數(shù)，根據(jù)不同氣象情況，m2約為0.8～1.0。

由式（1）可以看出，同樣截面的導(dǎo)線，表面越粗糙、m1值越小，導(dǎo)線起暈電壓越低。由圖6可知，復(fù)合芯鋁絞線比同截面的鋼芯鋁絞線表面光滑，計算電暈起始場強(qiáng)的導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)m1取值大于鋼芯鋁絞線，因此在其它條件相同時，復(fù)合芯鋁絞線電暈起始場強(qiáng)大于鋼芯鋁絞線。

3.3.3 導(dǎo)線表面特性對導(dǎo)線電暈的影響

雨水在導(dǎo)線上的流動狀況以及形成的水滴都會直接影響導(dǎo)線表面電場的變化。特別是水滴，會使導(dǎo)線表面電場場強(qiáng)發(fā)生較大畸變，局部表面電場場強(qiáng)增大，電暈點(diǎn)增多，電暈放電強(qiáng)度增加，影響電暈起始場強(qiáng)的m1值變小。由表2和表3可以看出，表面濕潤時兩種導(dǎo)線的起暈電壓均低于表面干燥時的起暈電壓。

導(dǎo)線表面狀況直接影響雨水在導(dǎo)線上的流動及形成水滴的大小。導(dǎo)線濕潤的表面有兩種極端狀態(tài)，一種是可以使水沿導(dǎo)線均勻擴(kuò)散，稱為親水狀態(tài)，另一種則類似于表面涂蠟，雨水只形成小水珠，稱為憎水狀態(tài)。圖8、圖9為復(fù)合芯鋁絞線和鋼芯鋁絞線充分濕潤后的表面水分分布狀況。從圖中可以看出，復(fù)合芯鋁導(dǎo)線表面屬于憎水性，而鋼芯鋁絞線則屬于親水性。仔細(xì)觀測兩種導(dǎo)線表面，發(fā)現(xiàn)復(fù)合芯表面存在一層薄的油膜，由于油酯的憎水性，導(dǎo)致復(fù)合芯鋁絞線表現(xiàn)為憎水性。舊的鋼芯鋁絞線表面累積了厚厚的污穢，這種污穢具有吸水性，導(dǎo)致鋼芯鋁絞線表面的水分迅速被污穢吸收，導(dǎo)線表現(xiàn)為親水性。

圖8 復(fù)合芯鋁絞線表面濕潤狀況

圖9 鋼芯鋁絞線表面濕潤狀況

在施加電壓情況下，電場力有時能克服憎水性導(dǎo)線上水滴的表面張力，使尖端噴射出微小的帶電微滴，從而使m1值的下降幅度比親水性更大。因此，復(fù)合芯鋁絞線的這種憎水性導(dǎo)致其濕潤時的起暈電壓僅為干燥時起暈電壓的65.8%，而濕潤鋼芯鋁絞線起暈電壓為其干燥時起暈電壓的87%。

復(fù)合鋼芯鋁絞線上的油膜是制造廠生產(chǎn)過程中使用潤滑劑后的殘留，制造鋼芯鋁絞線時同樣也會有油膜殘留。多年來的運(yùn)行經(jīng)驗表明，鋼芯鋁絞線投運(yùn)后并無雨天電暈噪聲擾人的報道。究其原因，圓形股線繞制的導(dǎo)線之間空隙較大，當(dāng)導(dǎo)線因油膜呈現(xiàn)憎水性時，濕潤后的絕大部分水滴在重力作用下滑入股線空隙或滴落，未增加導(dǎo)線表面的粗糙度，起暈場強(qiáng)降低并不明顯。復(fù)合芯鋁絞線采用梯形鋁線繞成，表面類似光滑的圓柱，當(dāng)導(dǎo)線呈現(xiàn)憎水性時，水在導(dǎo)線表面以水珠形式分布，嚴(yán)重影響導(dǎo)線表面光潔度，粗糙系數(shù)m1變小，起暈電壓下降。

復(fù)合芯鋁絞線和鋼芯鋁絞線一樣，隨著運(yùn)行時間的增加和導(dǎo)線表面污穢物積累，導(dǎo)線將逐漸由憎水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。因此，河慈4P67、河溪4P68線隨運(yùn)行時間的增加，將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，雨天時的電暈噪聲也將顯著降低。

4 結(jié)論與建議

（1）干燥條件下，復(fù)合芯鋁絞線的起暈電壓比同截面鋼芯鋁絞線的起暈電壓高，且起暈電壓高于線路運(yùn)行的額定相電壓。濕潤條件下，表面覆蓋油膜的復(fù)合芯鋁絞線起暈電壓比同截面舊鋼芯鋁絞線的起暈電壓低。

（2）表面濕潤導(dǎo)線的起暈電壓比干燥時的起暈電壓低，復(fù)合導(dǎo)線濕潤后的起暈電壓是其干燥時起暈電壓的65.8%，鋼芯鋁絞線濕潤后的起暈電壓是其干燥時起暈電壓的87%。

（3）復(fù)合導(dǎo)線表面存在油膜時，導(dǎo)線將呈現(xiàn)憎水性。水滴在憎水性的導(dǎo)線表面易形成各種直徑的小水珠，增加了導(dǎo)線表面粗糙度，降低了導(dǎo)線的起暈電壓。

（4）建議制造商在生產(chǎn)復(fù)合芯鋁絞線這類表面光滑的導(dǎo)線時，應(yīng)考慮潤滑油對濕潤環(huán)境中導(dǎo)線起暈電壓的影響。在保證導(dǎo)線運(yùn)輸、安裝要求的前提下應(yīng)采取措施減少導(dǎo)線表面的多余油膜。

（5）附有大量油膜的導(dǎo)線，隨著戶外暴露時間的增加和表面污穢物的積累，憎水性將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，濕潤狀態(tài)的起暈電壓也會逐漸提高，噪聲將逐步降低。

[1]胡白雪.超高壓及特高壓輸電線路的電磁環(huán)境研究[D].浙江大學(xué)，2006∶65－68.