劉洋

(江蘇省電力公司電力科學研究院,南京211100)

超高壓和特高壓輸電線路采用鋼芯鋁絞線,鋁在外層起到引流的作用,鋼芯在內(nèi)層增加導線的機械強度。外層的鋁與大氣直接接觸,而大氣中的固體顆粒和粉塵會附著在導線表面。酸雨、氧氣和水分也會對暴露在大氣中運行的導線產(chǎn)生較大的影響[1—4],導致導線表面凹凸不平。導線表面的污穢物質(zhì)成分復雜,進而影響正常電壓下的導線電暈特性,在小雨、霧霾等惡劣天氣下造成輸電線路附加的電暈損耗。

污穢顆粒、不規(guī)則的表面結(jié)構,都是實際運行的導線在正常運行電壓下發(fā)生電暈的放電源,因此對長期運行導線表面狀態(tài)和電暈特性變化的研究意義重大。

本文選取5條某地區(qū)新導線和長期在運高壓輸電導線,對其表面狀態(tài)和表面污穢成分以及導線的電暈特性進行分析,重點探究老化后導線的表面狀態(tài)和電暈特性變化,相關研究成果對在運導線表面狀態(tài)評估及老化預測起到一定的啟示意義。

1 試驗

本文共選取了某地區(qū)5條導線作為研究對象,包括1條新導線,2條在運220 kV高壓導線,2條在運500 kV超高壓導線,取樣導線詳細信息見表1。

表1 取樣導線信息Tab.1 Information on test transmission lines

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析導線表面物質(zhì)成分和分布狀態(tài)。采用場發(fā)射環(huán)境掃面電子顯微鏡Quanta 200 FEG分析樣品表面形貌及表面物質(zhì)能譜,試驗參數(shù)為:高真空模式,樣品室的氣壓低于1 Pa,電子加速電壓選擇12.5 kV,鏡頭放大倍率選取為60倍。

試驗中取樣的導線施加不同等級交流電壓,對其紫外光子計數(shù)率進行測量,以對比其電暈放電的強弱。對導線施加交流電壓,當導線表面局部場強超過一定值的時候,在該部位將產(chǎn)生電暈放電,紫外成像儀通過光子計數(shù)率表征放電的強弱。

本文中每組試驗過程中將增益設置為100 dB,將紫外儀放置在距離導線垂直距離5 m處,高度與導線持平,觀測過程中沿導線水平方向移動對3點凸起處進行觀測,對應記錄3個凸起處的光子計數(shù)率的最大值和最小值,最終記錄結(jié)果取3個凸起光子計數(shù)率的各組最大值和最小值的平均值為最終紫外光子計數(shù)率[5—7],紫外儀數(shù)據(jù)信息如圖1所示。

2 結(jié)果及分析

2.1 表面狀態(tài)與表面成分分析

取樣導線的SEM[8—11]如圖2所示,長期運行導線和短期運行導線、新導線的形貌存在較大差異。長期運行導線表面失去了規(guī)則的幾何外形,光潔程度明顯降低,粗糙程度升高。新導線的表面形貌比較規(guī)則,光潔度很高,這是由于固體顆粒在導線表面電場力的作用下會附著在導線上,形成凹凸不平的表面結(jié)構。固體顆粒的存在又會加劇導線的腐蝕,分為3種情況:1)塵粒本身具有可溶性和腐蝕性(如氨鹽顆粒),當溶解于液膜中時成為腐蝕性介質(zhì),會增加腐蝕速度;2)塵粒本身無腐蝕性,也不溶解(如大氣中的碳及碳化物的顆粒),但它能吸附腐蝕性物質(zhì),當溶解在水膜中時,促進了腐蝕過程;3)塵粒本身無腐蝕性和吸附性(如土粒),但落在金屬表面上可能與金屬表面間形成縫隙,易于水分凝聚,發(fā)生局部腐蝕。固體顆粒粘在導線表面,不容易被雨水完全沖刷,且隨著導線運行時間的增加,表面的積污也會越來越嚴重。污穢顆粒、不規(guī)則的表面結(jié)構都是實際運行的導線在正常運行電壓下發(fā)生電暈的放電源。導線表面狀態(tài)除了影響電暈起始電壓、電暈電流、電暈能量損耗外,污穢物質(zhì)形成的導線局部強電場區(qū)域還會對線路的電磁環(huán)境如無線電干擾、可聽噪聲等產(chǎn)生顯著的影響。

表2 導線樣品表面物質(zhì)成分元素質(zhì)量分數(shù)Tab.2 Percentages of the elements on the surface of the transmission wires%

圖3為導線物質(zhì)表面能譜圖,表2為各導線表面物質(zhì)元素的在質(zhì)量分數(shù),結(jié)果可知,長期運行導線表面物質(zhì)成分比新導線的物質(zhì)成分復雜。長期運行導線表面的非金屬元素主要是氧、碳、硅、硫及少量的磷,金屬元素主要是鋁、鐵、鈣、鎂、鈉、鉀。樣品1為表面主要是鋁及氧元素,主要是導線自身材料及表面氧化成分含量;樣品2中碳元素含量低,氧元素含量較高,硅、磷、鉀元素等含量較高,因取樣地點附近有焦化廠、陶瓷廠等工廠,造成顆粒、粉塵污染較為嚴重,因此硅、磷等用于制造陶瓷產(chǎn)品的元素成分含量較高;樣品3中鋁元素含量較高,碳元素偏低而氧元素較高,取樣地點附近無工業(yè)企業(yè),環(huán)境較好,導線表面主要以氧化為主;樣品4中鋁元素含量較低,碳元素含量一般,氧元素含量較高,取樣地點位于郊外,空氣污染程度較輕,導線表面主要以氧化為主;樣品5中鋁元素含量低,碳、氧元素含量普通,取樣地點位于較為空曠的地帶,附近無公路,空氣好污染小,磷含量極低,附近環(huán)境較好,導線表面主要以氧化腐蝕為主。新導線表面物質(zhì)成分僅有鋁和氧,元素質(zhì)量分數(shù)分別為90.53%和9.47%。

導線運行一定時間之后,其表面的物質(zhì)成分明顯增多,非金屬元素主要是氧、碳、硅、硫及少量的磷,金屬元素主要是鋁、鐵、鎂、鈣、鈉和鉀等,與新導線差異明顯。同時,污穢成分受取樣點附近微觀環(huán)境影響較為明顯,特別是含量較低的元素,具有較大的分散性。

測量5根導線表面形貌三維白光干涉圖,得到如圖4所示表面形貌結(jié)果。

由圖4可見,三維白光干涉圖是導線表面實物的三維坐標點集,其中X、Y坐標是取樣點的位置坐標,Z坐標是該位置坐標下的高度值。由此可以看出,長期運行后的導線樣品表面輪廓情況比新導線復雜,表面起伏程度比新導線高。在機械科學中,物體輪廓表面的粗糙程度可以用表面輪廓均方根偏差、輪廓平均偏差、輪廓峰高、輪廓谷深等參數(shù)進行表征,和電氣設備有關的粗糙程度,一般采用輪廓算術平均偏差Ra和輪廓算術均方根偏差Rq進行表征,兩者的定義如下。

Ra為在取樣長度l內(nèi)輪廓偏距(測量方向上,輪廓線上的點與基線之間的距離)絕對值的算術平均值,計算方法見式(1),Rq為在取樣長度l內(nèi)輪廓偏距絕對值的均方根值,計算方法見式(2)。

表面形貌儀在掃描的范圍內(nèi)同時測量了多個離散點的高度值。實驗中,導線表面橫縱方向每毫米長度上測量400個點,得到每個點對應的高度值,對所有點的高度值以離散積分形式進行計算,得到導線樣品的粗糙程度輪廓算術平均偏差和輪廓算術均方根偏差的數(shù)值,結(jié)果見表3。由表3可以看出,未運行新導線的Ra和Rq較小,即表面粗糙度低。樣品4運行時間較短,因此粗糙度較低;運行超過10 a的導線,粗糙度和運行年限、降雨量、運行地區(qū)、周邊環(huán)境有很大關系,并不是單單一個因素對其起作用。C級污區(qū)導線運行地區(qū)環(huán)境好,空氣污染輕,導線受大氣腐蝕影響較輕,隨著運行年限增加,表面粗糙度增大。D級污區(qū)導線情況較為復雜,運行年限對表面粗糙程度的影響較小,顆粒物對表面粗糙程度的影響極大,運行工廠如水泥廠等污染源附近的導線粗糙程度明顯增大,而運行在果林、農(nóng)田中遠離塵埃較重區(qū)域?qū)Ь€粗糙程度相對低一些。E級污區(qū)內(nèi)陸運行導線粗糙程度和C、D級污區(qū)類似運行年限導線相比明顯更大。E級污區(qū)導線多運行在離化學污源近或距離海岸鹽場進的地區(qū),受顆粒物粘附積污和酸性物質(zhì)腐蝕等多重因素影響嚴重,表面粗糙程度不容樂觀。

表3 導線樣品表面粗糙程度Ra和RqTab.3 The surface roughness Raand Rqof transmission lines

綜上,新導線表面光滑平整,而運行導線表面極其粗糙,形狀不規(guī)則甚至嚴重變形,存在許多凸起和凹陷。導線運行時暴露在周圍環(huán)境中,受環(huán)境中各種成分的腐蝕。同時,有污穢飄落并沉積在導線表面,加劇了導線表面不規(guī)則化。

對于新導線,鋁是最主要的成分。除了氧元素,其余成分含量極少。老化導線的腐蝕則相對復雜:氧元素所占比例增大說明鋁股被氧化現(xiàn)象嚴重,硫元素的出現(xiàn)很大程度是因為導線受酸雨腐蝕,碳、硅、磷元素含量上升表明許多無機物粘附在導線表面,鐵、鉀、鈣、鎂等金屬元素含量在每份導線樣品中表現(xiàn)得不同,主要是受周圍環(huán)境影響。在建筑工地、新建開發(fā)區(qū)附近運行的導線鈣、硅含量偏大;在陶瓷廠、焦化廠周邊運行的導線中硅、鉀、磷比重更大,在工業(yè)工廠附近運行的導線,金屬元素含量會上升。

2.2 電暈特性分析

利用紫外成像儀對導線電暈放電過程進行檢測,將紫外光子數(shù)大量增加且連續(xù)的時候?qū)氖┘与妷憾閷Ь€起暈電壓[12—16]。根據(jù)上述原則,對導線上出現(xiàn)的穩(wěn)定的放電點測量放電光子數(shù),得到放電光子數(shù)隨施加電壓的變化曲線,利用“切線法”找出光子數(shù)突變點所對應的施加電壓,該電壓值即為該放電點的起暈電壓。

實驗在干燥的環(huán)境下進行,對導線施加工頻交流電壓,利用紫外成像儀檢測導線表面的放電情況。實驗發(fā)現(xiàn),隨著外加電壓的升高,導線電暈放電可以分為以下幾個發(fā)展階段。以樣品1為例,第一階段為導線未起暈階段,導線表面無明顯的放電點,沿線偶爾出現(xiàn)個別微弱的隨機放電點,此時測試出的導線可聽噪聲和背景噪聲無明顯區(qū)別;第二階段為導線發(fā)生局部起暈階段,導線表面出現(xiàn)較弱的穩(wěn)定電暈放電點,可以聽到“咝咝”的電暈可聽噪聲,產(chǎn)生微弱的無線電干擾;第三階段為導線局部強烈起暈階段,穩(wěn)定的電暈放電點放電現(xiàn)象增強,且導線上出現(xiàn)新的穩(wěn)定放電點及間歇性的不穩(wěn)定放電點,整個導線上出現(xiàn)可以聽到明顯的“啪啪”聲,無線電干擾穩(wěn)定上升;第四階段為導線全面起暈階段,此時穩(wěn)定的電暈放電點劇烈放電,呈現(xiàn)正極性流柱放電的形式,導線上穩(wěn)定的劇烈放電點、間歇性放電點增多,發(fā)出響亮的類似于放鞭炮的“啪啪”聲,無線電干擾明顯上升。

不同電壓下,導線樣品的放電光子數(shù)如圖5所示,所加電壓超過120 kV時,長期運行的導線表面出現(xiàn)大量光子;所加電壓超過130 kV時,新導線表面才有放電光子出現(xiàn),并且相同電壓下,運行導線的放電光子數(shù)明顯大于新導線;由切線法求得的導線起暈電壓,新導線明顯大于長期運行的導線。

從上面分析可知,長期運行的導線表面污穢顆粒多,表面狀態(tài)粗糙,導線表面有很多不規(guī)則突起,這些污穢顆粒、不規(guī)則的表面結(jié)構都是實際運行的導線在正常運行電壓下發(fā)生電暈的放電源,會降低導線電暈起始電壓、增大電暈電流和電暈能量損耗。

3 結(jié)論

1)長期運行的導線表面附著了很多固體顆粒,表面凹凸不平,導線表面粗糙度增加。污穢顆粒、不規(guī)則的表面結(jié)構是實際運行的導線在正常運行電壓下發(fā)生電暈的放電源。

2)長期運行導線表面的污穢成分隨導線所處不同地區(qū)而不同;導線表面物質(zhì)成分比新導線的物質(zhì)成分復雜,非金屬元素主要是氧、碳、硫、硅和少量的磷,金屬元素主要是鐵、鋁、鈣、鈉、鎂、鉀。

3)長期運行導線表面凹凸不平造成起暈電壓比新導線要小,相同電壓下放電光子數(shù)比新導線多。

4)導線的運行年限對表面狀態(tài)和電暈放電特性有影響。