耐热导线运行温度对带电作业安全距离的影响研究

周炳凌，刘凯，王永强，刘庭，吴田

（1.华北电力大学，北京市 102206；2.江苏省电力公司检修分公司，南京市 210024；3.中国电力科学研究院，武汉市 430074；4.南京供电公司，南京市 210008）

0 引 言

耐热铝合金导线（以下简称耐热导线）是一种新型的输变电工程材料，连续长期运行温度可达150℃或210℃，在短时间内运行温度可达180℃或240℃，远高于常规导线，其输送能力比相同截面的常规钢芯铝绞线提高了30%100%，在用电负荷增长较快的地区，在尽量不更换杆塔的情况下，将原导线直接更换为大容量耐热导线，已经成为提高线路输送容量的新方法［1－2］。

耐热导线较高的允许温度不仅会对与导线的复合绝缘子［3］、瓷绝缘子［4］和连接金具［5］等设备的电气和机械性能产生影响，而且导线温度的升高可能会对塔头空气间隙的放电特性产生影响，从而影响带电作业的安全性。目前国内外已开展了一些高温对小间隙空气放电电压影响的实验研究，文献［6］研究了空气温度在1100℃以下的温度范围内，0.52mm空气间隙直流电压的闪络特性，同时研究了当电极上的热点温度在1200℃以下温度范围内，空气温度为常温时，26cm空气间隙直流电压闪络特性。文献［7－8］研究了在20cm以下空气间隙情况下，空气温度在252℃以下温度范围内，对正极性起晕电场、正极性放电影响的模型。文献［9］研究了在10100℃温度范围内，1.18cm的绝缘表面及空气间隙的操作及雷电冲击放电特性。文献［10］研究了空气温度在500℃以下，25cm棒板间隙雷电冲击电压、工频电压、慢波前操作冲击电压放电特性。文献［11－12］研究了在630℃以下温度范围内，46.5cm的棒板间隙操作冲击放电特性。对于高温导线与杆塔之间1m以上空气间隙的操作冲击放电特性的影响还未见报道。

目前我国已经在110220kV输电线路上应用耐热铝合金导线，急需开展高温导线的带电作业，以及时消除线路缺陷［13－17］。因此，本文开展高温导线对带电作业间隙放电特性的研究，并结合气体放电理论分析高温导线对间隙放电电压的影响，得到耐热导线运行温度对带电作业安全距离的影响，为耐热导线带电作业的安全开展提供技术依据。

1 试验装置与方法

1.1 高温导线周围温度分布的测量

为了解耐热导线高温状态下，导线本体及附近金具、空气的温度情况，进行了导线通流及温度测量试验。试验采用10kA／（200kVA）低压大电流发生器，导线采用JNRLH3／LBY 345／55铝包殷钢芯耐热铝合金绞线，允许长期运行温度为210℃。试验布置示意图如图1所示。

耐热导线用绝缘子悬挂起来，导线两端连接大电流发生器。分别在导线表面、悬垂线夹、耐张线夹、碗头挂板以及距离导线10cm处放置测温探头，实时记录各点温度情况。探头布置情况如图2所示。

在导线运行过程中，负荷电流、日光辐射、风速以及导线的热辐射都会影响导线运行温度。试验在室内进行，将导线通过稳定的工频电流，并保持室内无阳光照射、无风，保证导线温度稳定的升高。实验室内环境温度为26℃，湿度为49%，气压为101.0kPa，风速为0m／s。对导线通以约1900A的工频电流，记录各测试点温度随时间的变化情况。现场试验布置如图3所示。

图3 温度分布试验现场照片Fig.3 Testing picture of temperature distribution

1.2 高温导线－杆塔放电试验

利用模拟试验研究耐热线路较高的运行温度对带电作业间隙放电特性的影响。试验电源采用2400kV冲击电压发生器。模拟导线－塔身间隙平行布置，模拟导线长2m、直径20mm，内置2根长1m、220V／2000W的加热棒；模拟塔身采用1m×1.5m的镀锌钢板。模拟导线接高压引线，通过一段耐高温绝缘绳悬挂于横梁上，距地面2.5m；模拟塔身接地，用绝缘绳悬挂于横梁上，距地面1.5m。由于目前耐热导线多用于110kV或220kV线路，塔上带电作业多采用地电位作业，此时可不考虑作业人员的影响［18］。试验布置示意图如图45所示，实验现场如图6所示。

试验时先对加热棒施加220V电源以对模拟导线加热，并采用铂电阻测温仪对模拟导线温度进行测量。当模拟导线温度达到试验温度范围时，断开加热电源，并移开220V电源线和测温仪表等设备，然后在模拟导线上施加操作冲击电压。试验过程中保持导线温度在试验温度（160℃或240℃）附近，温度变化范围为±10℃。每次操作冲击后，测量模拟导线温度，当模拟导线温度降低到试验温度范围时，重复接通导线内加热棒电源，使导线温度升至试验温度范围。

2 试验结果

2.1 导线及金具的温度分布特性

试验持续了约75min，导线温度升至约180℃。试验数据如表1所示。导线上各点温度随时间的变化如图7所示。

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由试验结果可知，耐热导线在约180℃高温运行时，本体温度最高；与导线直接接触的金具温度次之，如预绞丝、耐张线夹接续处、悬垂线夹等金具的温度在100℃以上；没有与导线直接接触的金具，如联板、耐张线夹的挂环处，温度约为60℃；碗头挂板处，由于与导线距离较远，温度比环境温度高约7℃；离导线表面10cm的空气，温度比环境温度高约3℃。

2.2 高温导线对带电作业间隙放电影响

本文分别在常温、160℃和240℃下进行了间隙距离为1.0、1.2、1.5m 的＋250μs／2500μs正极性标准操作冲击放电试验。试验采用升降法求取其操作冲击50%放电电压（U50）。表2为在常温、160℃和240℃下，间隙距离为1.0、1.2和1.5m 的U50，图8为不同间隙下U50随温度的变化曲线。为了削弱实验室气象条件变化带来的影响，试验结果按照实验室环境气象条件校正到标准大气条件下。

由试验结果可知，当导线温度为240℃左右时，1.0m空气间隙的50%操作冲击放电电压，与常温相比变化较大，降低了约6%。在其他空气间隙距离下，50%操作冲击放电电压，与常温相比变化不大，变化范围在2%左右。不同导线运行温度对空气间隙的放电有一定影响。

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3 温度对带电作业间隙放电的影响

3.1 温度对导线表面电子发射的影响

根据气体放电理论［19－24］可知，导线本体及其周围空气的温度对气隙放电的影响主要有以下2个方面：（1）电极温度上升，金属电极上的电子动能增大，更容易从电极逸出形成自由电子；（2）气体温度上升，空气密度下降，空气中自由电子的平均自由程增长，更容易造成碰撞电离。

由费米－狄拉克分布公式可以计算出铝显著发射热电子的温度理论值约为1700K（1400℃）。而耐热铝合金导线的运行温度最高为240℃时，其实际热电离与常温相差不大。耐热导线较高的运行温度，对导线表面热电子发射影响较小。

3.2 温度对导线附近空气流注放电的影响

外绝缘破坏性放电（包括自由气隙的击穿和沿绝缘外表面的闪络）电压值正比于大气校正因素［19］。大气条件对放电影响一般通过相对空气密度的函数修正，但是气体温度和压强2个参数都同时对放电发展有影响。温度对放电过程的影响大于气体密度影响［11－12］。Rizk［25］基于临界操作过电压下先导起始电压公式，根据流注发展所需强度随空气相对密度降低而下降的关系分析了空气的相对密度对长间隙击穿电压的影响，即

式中：ES1为流注在δ＝1时的流注发展所需要电场强度，450kV／m；δ为空气相对密度［22］，即

式中：p为实试时的大气压强，kPa；θ为实试时的温度，℃。

由于本试验中主要施加正极性操作波，根据流注和先导放电理论，在仅出现正极性流注和先导的情况下（ES／＝1；G≤1），U50击穿电压［26］可以表示为

式中：EL为先导区的平均场强；ES为流注区的平均场强；lL和lS分别为放电过程中先导和流注的长度。

先导和流注长度的比值近似为

根据气体放电试验的结果，先导的比例很小，在不考虑先导对击穿电压影响的条件下，正流注在导线附近的高温区和远离导线的常温区发展的击穿电压U′50可近似为

根据式（2）、式（3）和式（5）可以得到导线附近高温对间隙击穿电压的影响的公式，即

根据试验测量导线表面的温度一般不超过240℃，在距离导线约10cm处，空气的温度约比周围温度高3℃，在导线附近一个高温空间的温度可以近似为122℃，根据式（7）计算，1.0、1.2和1.5m 的高温导线－杆塔间隙的击穿电压分别下降到标准条件下的97.4%，97.8%和98.2%，放电电压下降程度很小，且随间隙长度的增加高温对击穿电压的影响下降，理论分析计算结果和试验结果一致性较好。在间隙长度增加到4m时，击穿电压约为标准条件下的99.4%。根据以上分析可知，导线温度升高对1.0m以上空气间隙的50%操作冲击放电电压影响不大，对110220kV电压等级输电线路带电作业安全距离无影响。

4 结 论

（1）耐热导线较高的运行温度会使线路金具及周围空气温度升高，离导线10cm以外的空气温度与环境温度相近。

（2）耐热导线最高运行温度远低于金属热电子发射所需的温度，不会造成显著热电子发射，对空气间隙的放电影响较小。

（3）高温导线附近空气温度的升高，可能会使输电线路塔头间隙的放电电压降低。对1.0m以上的空气间隙，导线240℃的运行温度对其50%操作冲击放电电压的影响可忽略。

（4）110220kV电压等级耐热导线输电线路带电作业，按常规输电线路带电作业规定的安全距离要求开展即可。

（5）结合流注和先导放电理论，给出了耐热导线对间隙放电特性的评估方法和公式，理论计算结果和试验结果的一致性较好。

（6）耐热导线高温运行时，导线及其周围温度较高，需要进一步开展等电位作业人员的高温防护措施研究。

［1］张瑞永，赵新宇，李明，等.输电线路新型节能导线的推广应用［J］.电力建设，2012，33（06）：89－92.

［2］Zamora I，Mazon A J，Eguia P，et al. High－temperature conductors：a solution in the uprating of overhead transmission lines［C］／／Power Tech Proceedings.Porto：IEEE，2001：1－6.

［3］Springer P，Callaway D.Effect of conductor high－temperature on porcelain suspension insulators［C］／／Power and Energy Society General Meeting.Minneapolis：IEEE，2010 ：1－3.

［4］Ostendorp M，Cannon D，Young J.Performance of transmission line components at increasing operating temperatures［C］／／EPRI，Palo Alto，CA：2003.100209.

［5］Hill R J.The effect of high temperature conductors on composite suspension insulator performance［C］／／Power and Energy Society General Meeting.Minneapolis：IEEE，2010 ：1－4.

［6］Alston L L.High－temperature effects on flashover in air［J］.The Institution of Electrical Enginerrs 1958，105（24）：549－553.

［7］Allen N L，Kong J C P.Positive corona inception in air at elevated temperature［J］.IEE Proceeding－Science， Measurement and Technology，2006，153（1）：31－38.

［8］Allen N L，Ghaffar A.The variation with temperature of positive streamer properties in air［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，1995，28（2）：338－343.

［9］Allen N L，EI－Naili M.Impluse breakdown of insulators and air gaps of similar electrode configurations effects of temperature［J］.IEEE Transactions on Dielectries and Electrical Insulation，1994，1（6）：1148－1155.

［10］Allen N L，Greaves D A.Tests on the breakdown of air at elevated temperatures in non－uniform electric fields［J］.IEEProceedings－Science，Measurement and Technology，2000，147（6）：291－295.

［11］Aleksandrov N L，Bazelyan E M.Temperature and density effects on the properties of a long positive streamer in air［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，1996，29（11）：1873－2880.

［12］Aleksandrov N.L，Bazelyan E.M.The effect of initial NO content on spark breakdown in high－temperature air［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，1999，27（5）：1454－1457.

［13］尤传永.耐热铝合金导线的耐热机理及其在输电线路中的应用［J］.电力建设，2003，24（8）：4－8.

［14］许大成，黄欲成，韩鹏飞，等.耐热铝合金导线在实际工程中的应用［J］.电力科学与工程，2011，27（11）：68－71.

［15］GB 26859—2011电力安全工作规程 电力线路部分［S］.

［16］戚柏林.超耐热间隙型导线在220kV输电线路中应用与实践［J］.电力建设，2010，31（8）：46－49.

［17］刘俊勇，罗文.用于架空输电线的不同耐热导线的比较分析［J］.电网与清洁能源，2011（3）：29－33.

［18］胡毅.送变电带电作业技术［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［19］周泽存.高电压技术［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［20］严璋，朱德恒.高电压绝缘技术［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［21］武占成.气体放电［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［22］GB／T 16927.1—2011高电压试验技术 第1部分：一般定义及试验要求［S］.

［23］王伟，丁燕生，李成榕，等.空气温度对电晕笼中导线直流电晕特性的影响［J］.高电压技术，2009，35（3）：613－617.

［24］李金梅，李强.发热对载流导体绝缘性能不良影响的实验研究［C］／／第十一届中国科协年会，北京，2009.

［25］Rizk F A M.Critical switching impulse strength of long air gaps：Modelling of air density effects［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（3）：1507－1515.

［26］Pigini A，Sortorio G，Moreno M，et al.Influence of air density on the impulse strength of external insulation ［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus System，1985，PAS－104（10）：2888－2900.