E nvironmental
Testing环'境1试9山恶劣运行工况环境对架空输电线路导线的影响研究
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)
摘要：架空导线良好的机械性能、导电性能和耐疲劳性能是其在恶劣运行工况环境下安全运行的保证。对覆冰、舞
动和山火后的导线进行比对研究，利用500kV恶劣工况环境下实际运行的导线、新导线和模拟恶劣工况环境导线开
展测试，通过抗拉强度、单丝伸长率、维氏硬度、疲劳拉伸次数、直流电阻的试验数据可以得知，线路舞动对导线
性能的影响明显，山火跳闸后导线的性能与其过火温度有直接的联系，覆冰对导线的影响较小。
关键词：架空导线；性能测试；恶劣工况环境
中图分类号：TM755文献标识码：B文章编号：1004-7204(2020)06-0030-07
Study on the Influence of Harsh Working Environment on Overhead
Transmission Line Conductors
WANG Xin-wei,LIU Xing-ting,GUO Rui-zhou,LIU Hong
(State Grid Shanxi Electric Power Rearch Institute,Taiyuan030001)
Abstract：The good mechanical properties,electrical conductivity and fatigue resistance of overhead conductors are the guarantee for their safe operation under harsh working environment.A comparative study is made on the conductors after icing,galloping and wildfire,including new500kV conductors, actual operating conductors under harsh conditions and conductors under simulated vere conditions. The test data of tensile strength,elongation of monofilament,vickers hardness,fatigue stretching times and DC resistance can be obtained.It can be known that the effect of line galloping on conductors performance is obvious,the performance state of the fire trip conductors is directly related to the temperature of the fired conductors,line icing has less effect on the conductors.
国名教育
Key words：overhead conductors;performance test;harsh working environment
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0t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（0.1~3Hz）、大振幅（可达10m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
国网山西省电力公司基金资助，编号：晋电发展[2014]88号。（2015-2017年，国网山西省电力公司与太原理工大学合作的科技项目-《山
火后输电线路状态评估研究》。）
2020年12月 /December2020
30
nvironmental 环'境1试9验E Testing
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］、拉伸疲劳性测试叭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，役
主要实验设备情况：材料试验机50kN（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±100kN、动负荷±100kN、频率为0.0厂50Hz）、绝缘子热机试验机（卧式600kN、精度1级，温控-60_+100t）、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何。
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，500kV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_30mmo
模拟故障覆冰导线：一根5m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%（93.4kN），试验箱温度控制-30t模拟运行环境，持续时间96h，模拟覆冰导线运行状况。
2.2覆冰导线测试旳
测试环境：温度范围在17.1~22.3t，湿度范围34.5-38.6%o
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15cm，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0.1kg，正四棱锥体金钢石相对面夹角136°，作用时间为15s，
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900N，幅值为405N，均值为496N，加载频率为27Hzo对JL/G1A-400/35单丝钢线加载最大力值为5000N，幅值为2250N，均值为2750N，加载
表1钢芯铝绞线参数（JL/G1A）
导线铝线钢芯铝直径钢直径额定抗20 C直流电类型根数根数/mm/mm拉力/kN阻/fi/km 400/35487 3.22 2.5103.670.0739 300/40247 3.99 2.6692.360.0961
表2覆冰跳闸故障区段情况
杆塔型号导线型号档距投运时间
设计覆
冰厚度
0.44km2011-1010mm
4XJL/G1A-
400/35
5EG-SJC2-33
round and round
图1500kV左潞II线覆冰跳闸情况
31环境技术/Environmental
Technology
E nvironmental
Testing环'境1试9验
频率为27Hz。
直流电阻测试：单丝铝线每层各3根，测试有效长度50cm，测其平均阻值；整根导线1根，测试有效长度100cm。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±1t，测试电阻归算至20t电阻值。相关测试结果见表3o
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%o 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1520mm，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，500kV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个相间间隔棒表3覆冰导线测试比对
取样导线及测试项目故障导线新导线模拟导线
抗拉强度
铝外层154.4,3.38171.2,3.65169.8,3.31
铝邻外层167.2,3.87168.1,4.06172.3,3.97
及伸长率
/MPa，%
铝内层157.1,3.99166.6,4.18163.9,3.25
钢芯1457.9,10.511487.2,10.551444.9,10.13维氏硬铝外层53.154.552.4
度(HV)/铝邻外层52.653.854.4
kgf/mm2铝内层53.754.152.9
铝外层707427678479 142score的用法
疲劳拉伸铝邻外层725417707176541
次数铝内层734357584276832
钢芯600759075792
单丝直流铝外层 3.572 3.393 3.489
电阻/铝邻外层 3.332 3.297 3.284
mQ/m铝内层 3.486 3.352 3.379
整根导线直流电阻/
Q/km
0.07140.06980.707
超
、«
«
乏
送
冬
滦
故障导线新导线模拟导线
匚二I铝外层抗拉强度亩铝邻外层抗拉强度0铝内层抗拉强度
—铝外层伸长率+铝邻外层伸长率+铝内层伸长率
<
*-
卑
i
W
5
5
5
5
5
4.4
C
6
3
2.2
1.1
C
5
O
90000
80000
goodluck什么意思
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
图2覆冰单丝铝线抗拉强度及伸长率对比
just now故障导线新导线模拟导线全文翻译软件
□铝外层口铝邻外层□铝内层
图3覆冰单丝铝线疲劳拉伸次数对比
2020年］2月 /December2020
32
nvironmental 环'境1试9验 E
Testing
（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。
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 Hzo 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
南加州大学抗拉强度及伸长率、维氏硬度、疲劳拉伸次数的测试值 表4舞动跳闸故障区段情况
杆塔型号
导线型号
档距投运时间
设计覆 冰厚度
CZC43-59
6XJL/G1A-
300/40
0.684 km 2009-9
15 mm
图4 500 kV 朔云线舞动跳闸情况低于新导线，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 %o 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。
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 舞动导线测试比对取样导线及测试项目
故障导线
新导线铝外层77. 6, 1. 141
151.2,1.512抗拉强度及伸铝内层102. 7, 1. 289149.6,1.487
长率/MPa ，%
钢芯
1 231. 3, 9. 015
1 461.1,10.842
维氏硬度铝外层49.152.8
(HV)/ kgf/mm 2
铝内层50.6
51.4
铝外层17 65381 273疲劳拉伸次数
铝内层
35 431
83 640
钢芯
7 0439 354单丝直流电阻
铝外层 2.481
2.155/mfi/m
铝内层
2.213
2.164
整根导线直流电阻/
Q /km
0.1012
0.0915
不言而喻翻译
e d s
、墨除刽垢
故障导线
cric新导线
匚二I 铝外层
铝内层 T-铝外层 +■铝内层抗拉强度
抗拉强度 拉伸率 拉伸率
图5舞动单丝铝线抗拉强度及伸长率对比
33 环境技术 / Environmental
Technology
E nvironmental
Testing环'境1试9验
4山火
4.1山火测试导线
山火故障导线：2013年4月14011时45分，500kV长晋n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30min，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30min，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%o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 「500t后，硬度变化趋势不大。铝线疲劳拉伸次数由
100t升高至300t时疲劳拉伸次数增加，由300t升
高至500t时疲劳拉伸次数减小，呈“下拋物线”趋势
故障9线新9绞
|—»钳外层un铝内层钢芯
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
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
杆塔型号导线型号档距投运时间
设计覆
冰厚度
4XJL/G1A-
5EG-SJC2-33
400/35
0.44km2011-1010mm
图7500KV长晋II线山火跳闸情况
图8模拟山火测试导线
2020年］2月 /December2020
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