极限温度环境对电气负荷型器材安全性能的影响研究

孙子涵，张 健，梁建权

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049； 2.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150000)

1 引 言

输电线路金具主要由金属材料制成，随着环境温度降低，尽管金属材料的屈服强度有所增加，但其自身韧性会随之下降[1]。一旦温度低于某一临界值，其冲击韧性会急剧下降，从而发生脆性失效破坏。不同于一般工况下的强度失效损坏，器材金具在脆性失效之前没有明显的塑性形变征兆，因而对输电线路的安全具有极大的威胁[1-3]。

为了保证输电线路的安全性，电气负荷型器件的力学性能必须能够满足设备长时间在低温环境下可靠运行的要求。从已查文献可知，我国目前对电气负荷型电力器材在低温环境下的机械特性和电气性能的研究较少，相关特性与外界气温变化的耦合关系尚不清楚。为保证输电线路在低温地区安全可靠运行，研究电气负荷型器件在低温条件下的机械特性和电气性能，以及低温对输电线路安全性能的影响，具有重要的理论意义和工程应用价值。

针对上述问题，本文探索电力器材在高低温交变和极寒环境下的电流、温度等电气性能的外部影响因素，具体包括：(1)线路上耐张线夹、接续管等电力器材在高低温交变和极寒环境中电流和温度等参数的变化规律；(2)耐张线夹、接续管等电力器材在实验室模拟条件下电阻值的变化规律。

2 金属材料低温力学特性研究现状

很多学者针对输电线路材料的低温力学性能进行了研究。常建伟、王元清、李文亮等[4-8]对Q460C高强度钢材开展了低温环境下的拉伸、冲击、弯曲等试验。研究发现，高强度钢的屈服强度和抗拉强度随着温度降低而上升，材料的延伸率和收缩率随着温度降低而降低，特别是在-40℃后，钢材极易发生脆性失效断裂。廖小伟等[9]在低温和常温环境下对输电线路的Q345B、Q420B、Q460C钢管进行拉伸和冲击试验，研究了对应材料的塑性指标，并给出了其韧性向脆性转变的失效温度。Liu、王欣欣、武延民等[11-15]在总结前人经验的基础上，对输电线路焊接接头的力学性能进行分析，发现焊接部位更容易受到外界低温的影响，出现塑性发脆断裂的情况。

3 极限温度环境下电气负荷型器材系统性能模拟装置研制及应用

本文研制了一种多参数多通道的电气负荷型器件安全性能在线实时监测装置，如图1所示。该试验装置主要包含整体机架、标准重物、架空导线、接续金具、风速仪、拉压传感器、温度计、太阳能板及控制系统等。图2为试验装置实物，图3为该装置的测试软件界面。

图1 模拟试验装置三维设计图

图2 模拟试验装置实物图

图3 模拟试验系统测试软件界面

由于该装置系统需放置在户外极寒环境中进行测试，传统的电池供电会出现低温失效情况。考虑装置的安装要求，采用太阳能板与充电电池相结合的方式给装置供电，选用适用于极寒环境条件下的光合硅能电池，并通过绝热保温材料对电池的隔热层进行隔温保护，从而减轻恶劣低温环境对装置平稳运行的影响。

4 试验测试数据

4.1 温度对输电导线牵引张力的影响

为了验证温度变化对输电导线张力的影响，采集了从2020年11月到2021年5月期间模拟试验装置的实时数据，如图4所示，图中绘制了两组输电导线张力与室外环境温度的均值滤波数据与实时数据。可以看到，受热胀冷缩的影响，导线的牵引张力均值随着温度均值的升高而变小，呈现负相关的特性。而对实时数据而言，当环境温差在75℃左右时，输电导线的最大张力约为最小张力的2.28倍。此外值得注意的是，在温度接近上下限温度的中值(约为0℃)时，张力并非处于中值，而是温度越低，张力增加的幅度越大。另外，从实时张力的振荡变化特性分析可知，导线的张力具有可逆性，即便经过极寒温度或昼夜温度波动的作用，导线张力仍会恢复到原始状态。

图4 环境温度作用下导线张力变化图

4.2 温度对输电导线的线夹螺栓紧固力的影响

图5呈现了两组线夹螺栓紧固力与室外温度的均值滤波数据与实时数据的变化情况。从图5的监测数据可以看到，线夹螺栓紧固力受温度波动的影响较小，这是由于线夹螺栓自身的刚体特性所决定的，但是线夹螺栓紧固力的均值变化趋势仍然会随着温度升高而降低，呈现负相关特性。

图5 环境温度作用下线夹螺栓紧固力变化图

此外，从图中还可以看到，与导线张力不同，线夹紧固力呈现出一定的不可逆的特性，即其随着室外环境温度波动而发生变化后，紧固力无法恢复到原始数值，且变化后的线夹紧固力比原始数值更小。因此，从试验结果分析可得，极寒温度会改变线夹螺栓的韧性特性，使之发生一定的脆性失效，从而导致其紧固力随着时间的推移，峰值波动幅值会越来越小。

4.3 线夹螺栓紧固力对线夹电阻的影响

为了研究线夹螺栓紧固力对线夹电阻的影响，在实验室环境下对线夹螺栓施加不同的紧固力，并测量在不同紧固力作用下线夹电阻的变化值，以此分析线夹螺栓紧固力与线夹电阻的关系。图6所示为线夹螺栓紧固力作用下线夹电阻变化图，可以看到，当线夹螺栓紧固力小于2kN时，线夹电阻的阻值超出了标准允许的最大值(3000μΩ)。随着施加螺栓紧固力的增加，线夹电阻阻值开始呈现线性减小的特性。当紧固力大于3.6kN后，线夹电阻与螺栓紧固力呈现近似对数减小的变化特性。从细节图中可以看到，当线夹螺栓紧固力大于6kN后，测得的线夹电阻近似保持平稳特性，不再发生变化。

图6 线夹螺栓紧固力作用下线夹电阻变化图

4.4 交变环境对导线接续管电阻的影响

为探究极限温度环境对导线接续管的影响，将导线接续管置于高低温箱中，模拟温度交变环境。本文将-40℃下保持1.5h、高温50℃下保持1.5h并往复5次定义为一次循环的交变环境，而后进行10次温度循环交替模拟。每次循环后，通过仪表测试在50℃时接续管的电阻值。为减小测试的量化误差，每次电阻测试时，分别从仪表中进行10次读数，并进行整理，以此研究其变化规律。

表1为JYD-400/35型器材在交变环境下10次电阻测量均值的变化情况，表2是JYD-300/50型器材在交变环境下10次电阻测量均值的变化情况。其中，每组测试金具的试样数量为3个，分别定义为1#、2#、3#，接续导线的试样数量为1个。

表1 JYD-400/35型器材在交变环境下的电阻变化情况 (单位：μΩ)

表2 JYD-300/50型器材在交变环境下的电阻变化情况 (单位：μΩ)

为了进一步呈现JYD-400/35型器材和JYD-300/50型器材在每次交变环境循环后的电阻测试均值和分布情况，对JYD-400/35型器材和JYD-300/50型器材的接续管测试电阻值结果进行整理，绘制了对应的箱型图，如图7所示。箱型图可以有效呈现原始数据分布的特征，并对多组数据分布特征进行比较。图中分别标注了测试电阻的上边缘、下边缘、中位数和两个四分位数，可以看到，经过长时间高低温交变处理后，接续管的电阻均值变化不大，但是总体有增大的趋势。此外，经过高低温循环作用的接续管电阻离散分布较大。

图7 高低温循环作用下JYD-400/35和JYD-300/50型器材接续管电阻变化分布图

4.5 极寒环境对导线接续管电阻的影响

为了探究极寒低温环境对导线接续管的影响，接续管放置在低温-50℃下保持500h，每保持50h，测量接续管的电阻值。每次电阻测试时，分别从仪表中进行10次读数，并进行整理，以此研究其变化规律。

表3呈现了JYD-400/35型器材在极寒环境下10次电阻测量均值的变化情况，表4呈现了JYD-300/50型器材在极寒环境下10次电阻测量均值的变化情况。其中，每组测试金具的试样数量为3个，分别定义为1#、2#、3#，接续导线的试样数量为1个。

表3 JYD-400/35型器材在极寒环境下的电阻变化情况 (单位：μΩ)

表4 JYD-300/50型器材在极寒环境下的电阻变化情况 (单位：μΩ)

为了进一步呈现JYD-400/35型器材和JYD-300/50型器材在极寒环境作用下的电阻测试均值和分布情况，对测试电阻值结果进行整理，绘制了对应的箱型图，如图8所示。从图中可以看到，经过长时间极寒温度处理后，接续管的电阻值基本保持恒定，且测试电阻的分布情况保持稳定状态。

图8 极寒环境作用下JYD-400/35和JYD-300/50型器材接续管电阻变化分布图

5 结 论

针对我国北方极寒区域电气负荷型器材存在极大安全隐患的问题，本文以输电导线接续管与紧固螺栓为研究对象，通过采集实验室模拟试验和试验现场真实数据，对电气负荷型电力器材(耐张线、接续金具、导线)的力学和电气安全性能进行实时在线监测。在此基础上，结合外界监测的环

境参数，给出了极限温度作用下输电导线金具特性变化曲线。真实环境试验和高低温模拟试验结果表明，交变循环温度会改变输电线路电力器材的韧性特性，使之发生一定的脆性失效。该研究给出了电力器材安全性能的边界条件，为形成电力器材的安全性能数据库，保证电力器材在极限温度环境下的安全特性奠定了坚实的基础。