基于有限元的预绞式耐张金具发热故障分析
国网河南省电力公司郑州供电公司、华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院的研究人员杨富磊、张玉婵等，在2019年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，对输电线路掉线部分故障的统计数据表明，金具损伤是造成高压架空输电线路掉线的主要原因。
针对某地使用预绞式耐张金具的典型高压架空输电线路，用Flir红外热像仪观测到预绞丝存在发热情况。为了研究集肤效应对预绞丝发热现象的影响，本文运用ANSYS有限元软件仿真预交丝的磁场及电流密度分布云图，进行数据处理分析。最后，结合典型案例，将仿真结果和观测数据对比发现，预绞丝的绝缘涂层被破坏后，集肤效应对预交丝故障的影响不容忽视，会使预绞丝被拉长，出现缩颈而最终断裂。
本文研究成果可以运用到运行状态的预绞丝耐张金具探伤当中，避免由集肤效应引起的掉线事故，保证线路的可靠连接，提高电网运行的稳定性。
高压架空输电线路的可靠连接，对电力系统的稳定运行具有重要意义。一旦在重要交叉跨越线路发生掉线事故，将对基础设施和公共安全造成重大的影响。
引起掉线事故的原因主要有金具失效、输电线出口断线和绝缘子串故障。一方面，通过对近10年掉线事故进行的粗略统计，发现金具失效的比例超过50%。另一方面，由于金具悬挂在高空，细微的损伤很难观测，并且金具在安装过程中也会存在操作缺陷，导致金具失效的问题不容易被发现。因此，如何有效地检测并改善金具失效是亟待解决的问题，此对于电网稳定运行的影响不容忽视。
耐张线夹用来将导线或避雷线固定在非直线杆塔耐张绝缘子串，起锚作用，也用来固定拉线杆塔的拉线。按结构和安装条件的不同，大致上可分为两类：①耐张线夹，要承受导线或避雷线的全部拉力，但不作为导电体；②耐张线夹除承受导线或避雷线的全部拉力外，又作为导电体，且安装后不能再行拆卸，又称为死线夹。
本文针对线夹预绞式线夹进行发热分析，建模仿真预绞丝集肤效应，为预绞式金具的失控检测提供依据。
1 预交式金具发热观测
预交式耐张金具悬挂在高空，损伤情况的相关数据不容易采集，但是几乎所有设备在发生故障前都会产生发热现象，实验中借助Flir红外热像仪进行辅助的观察处理。Flir是美国FLIR Systems公司的产品，它利用普朗克定律（blackbody radiation law）和维恩位移定律（wien displacement law），通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算，它测温准确稳定、在成像质量上也有相当的优势。
运用Flir红外热像仪对某地典型路段运行中的预交式耐张金具进行大量的图像处理，可以发现存在预绞丝通体发热、预绞丝局部发热的现象，分别如图1和图2所示。并且，局部发热在220kV等级输电线路中存在更普遍。另外，接续预绞丝也存在
图1 河南某地典型预绞丝通体发热
图2 河南某地典型预绞丝局部发热
上述现象，这里主要研究耐张预绞交式金具。理论上，预绞式耐张线夹的处于绝缘状态，不应该存在上述明显的发热现象。但是根据现场经验，一旦由于加工工艺缺陷、安装操作不当、化学腐蚀等原因引起局部预绞丝磨损[6-8]，就会出现局部发热的现象。下面通过ANSYS仿真进行分析。
2 基于ANSYS仿真分析（略）
仿真分析的数据证明了集肤效应的存在且不容忽视，为预交式金具表面发热的现象提供理论依据。
3 典型案例
为了进一步验证预交式金具表面发热的现象和集肤效应的关系，本文针对从某地事故现场获取的失效预交式金具进行研究，如图5所示。断裂位置位于预绞丝的断裂位置位于拉环部分与铝母线接触的地方。
图5 失效预交式金具
断裂的预绞丝有一根属于熔断，其余4根属于拉断。熔断的那根在熔断附近有电流烧伤痕迹。在断裂的那一侧预绞丝上，距断裂处约50～80mm处，有电流烧伤的痕迹，如图6所示。拉环的另一侧在与铝母线接触的地方也发现有电流烧伤的痕迹。
图6 电流烧伤痕迹
根据检查情况分析，造成预绞丝断裂的原因为：预绞丝在长期使用中，预绞丝外层的白刚玉在与铝母线接触部分因摩擦而失去绝缘，由于电流通过导体时的集肤效应，加上预绞丝为铁磁材料，预绞丝中有涡流及电流通过，在接触点处发热。当发热量大时，周围的预绞丝都被加热，预绞丝温度升高后金属的强度下降，当所受的拉力超过材料在此温度下的屈服点后，预绞丝被拉长，出现缩颈而最终断裂。
本文针对现场观测到预交式金具整体或局部发热的现象，展开了失效原因的研究，并针对集肤效应进行了建模仿真。
1）通过ANSYS建模仿真，从理论分析的角度说明了预绞丝表面存在集肤效应，并且集肤效应对铁磁性材料的预绞式金具发热具有关键性作用。
2）结合典型的失效金具进行案例分析，在预交丝磨损的地方，预交丝过热断股、并发生断裂故障，主要原因是预交丝是铁磁性材料，集肤效应引起了金具表面的电流烧伤。集肤效应对于铁磁性材料的预交丝稳定运行具有重要作用。