覆冰導(dǎo)線脫冰國內(nèi)外研究簡述

陳開群

（國網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司，江西 南昌330000）

1 背景

輸電線路覆冰對我國的危害比較嚴(yán)重，其中南方省份尤為嚴(yán)重如：湖南湖北等省份。輸電線路覆冰可以致使線路的機(jī)械性能和電氣性能迅速下降，從而導(dǎo)致各種各樣的覆冰事故發(fā)生，目前覆冰事故的發(fā)生，已嚴(yán)重的威脅了我國電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。覆冰事故主要由以下幾種因素所引起：輸電線的覆冰過負(fù)載、覆冰導(dǎo)線舞動、覆冰導(dǎo)線脫冰跳躍等，由于這些問題的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致輸電線路斷線、倒塔等一系列事故。

覆冰在輸電塔線體系上的荷載主要有兩種，靜力荷載和動力荷載。靜力荷載也就是覆冰的質(zhì)量直接性的作用在輸電線上和塔上，從而直接增大了輸電線的張力；動力荷載主要也就是由于覆冰，使得導(dǎo)線的截面被改變，在溫度影響的情況下，則會誘發(fā)脫冰跳躍[6]。導(dǎo)線脫冰跳躍會導(dǎo)致導(dǎo)線間互相碰撞和鞭擊，可使導(dǎo)線的線股磨損，導(dǎo)線與絕緣子的連接處反復(fù)拗折，可導(dǎo)致材料疲勞破壞，引起輸電線斷股、斷線，更為嚴(yán)重的會引發(fā)倒塔等一系列安全事故[7]。在覆冰的影響下，塔線體系覆冰動力荷載的破壞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜力荷載，尤其是在三相導(dǎo)線呈豎直排列的線路中，導(dǎo)線脫冰跳躍不僅能造成導(dǎo)線斷股、疲勞斷線事故，而且還會導(dǎo)致三相導(dǎo)線間距減小，容易造成導(dǎo)線閃絡(luò)和燒傷等事故。

在超高壓輸電線路中，輸電線的截面比較大，輸電線的分裂數(shù)比較多，因此如果遇上冰雪天氣，覆冰重量也會較大。由于溫度的影響，引起導(dǎo)線脫冰跳躍。導(dǎo)線脫冰跳躍容易導(dǎo)致導(dǎo)線較大幅度的跳躍，當(dāng)導(dǎo)線跳躍時(shí)，將導(dǎo)致三相導(dǎo)線之間間隙變小，嚴(yán)重時(shí)可引起閃絡(luò)。此外，輸電線脫冰跳躍時(shí)，還會影響導(dǎo)線的懸掛點(diǎn)，也就是使得懸垂絕緣子產(chǎn)生一個(gè)較大的縱向不平衡張力，從而使得鐵塔產(chǎn)生較大的動態(tài)拉力，嚴(yán)重可引起鐵塔破壞。

覆冰的輸電線路，如果不同期脫冰，會給線路帶來比較嚴(yán)重的安全事故。隨著導(dǎo)線覆冰厚度的增大，導(dǎo)線的覆冰量也隨著增加，與之對應(yīng)的導(dǎo)線張力也明顯增大，那么弧垂就會有所下降。當(dāng)覆冰導(dǎo)線的大段脫冰或者整檔脫冰時(shí)，輸電線的彈性勢能會迅速的轉(zhuǎn)化為導(dǎo)線的動能，導(dǎo)致導(dǎo)線上下跳躍，使得導(dǎo)線相鄰的懸垂串產(chǎn)生劇烈擺動，兩端導(dǎo)線張力也有顯著的變化。隨著目前線路的緊張，增大了線路的檔距，導(dǎo)線也隨著增多了，如果覆冰厚度增大，那么覆冰脫落引起的危害將會更嚴(yán)重。可引起導(dǎo)線的跳躍幅度更大，導(dǎo)線的擺動導(dǎo)致輸電塔的瞬時(shí)振動將更加強(qiáng)烈，所以必須采取相對應(yīng)的措施對導(dǎo)線覆冰脫落進(jìn)行控制。

2 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)及趨勢

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

一般情況下對輸電塔和導(dǎo)線分別視為柔性懸臂梁和弦線，建立輸電線路一塔兩線的連續(xù)體簡化力學(xué)模型。采用模態(tài)綜合法研究分析塔橫向振動與線面外振動耦合時(shí)的動力特性，給出鐵塔與導(dǎo)線振動頻率和振型的近似理論算法。針對典型線路的塔線耦合振動，分別采用理論算法和有限元方法對其動力特性做了計(jì)算。結(jié)果表明，兩種方法獲得的耦合系統(tǒng)的振動特性基本一致。

也有學(xué)者提出了輸電塔—線體系的多質(zhì)點(diǎn)模型,在這個(gè)模型中將導(dǎo)線簡化為一系列集中質(zhì)點(diǎn),各個(gè)集中質(zhì)點(diǎn)之間由不計(jì)質(zhì)量的剛性桿連接,將輸電塔根據(jù)質(zhì)量集中簡化一個(gè)豎向串聯(lián)的多自由度體系。在塔—線體系作平面外橫向振動時(shí)，可以將導(dǎo)線視為一條垂鏈，作平面內(nèi)縱向振動時(shí)，將導(dǎo)線視為兩端固定的懸索結(jié)構(gòu),然后作者用能量原理分析了輸電塔—線體系的動力響應(yīng)特性。

重慶大學(xué)高電壓與電工新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者研究我國冰害事故具有持續(xù)時(shí)間長、發(fā)生頻率高、覆蓋面積大等特點(diǎn)。國內(nèi)許多學(xué)者研究了微氣象地區(qū)的嚴(yán)重覆冰會引起輸變電設(shè)備電氣性能和機(jī)械性能的下降,嚴(yán)重覆冰引起過荷載、不均勻覆冰或不同期脫冰引起張力差、絕緣子串覆冰閃絡(luò)及覆冰導(dǎo)線舞動是造成覆冰事故的主要原因。此外對冰害事故的監(jiān)測手段和防冰除冰方法也進(jìn)行了總結(jié)，并提出了防止覆冰事故的技術(shù)措施和方法的研究方向。

孟曉波、王黎明等人運(yùn)用了中心差分的計(jì)算方法，建立了多檔導(dǎo)線的模型，所建模型應(yīng)用于導(dǎo)線脫冰跳躍分析。而后又根據(jù)線路實(shí)際參數(shù)建立特高壓導(dǎo)線模型，分析在脫冰量、覆冰厚度、檔距大小、檔數(shù)、導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高差等幾種不同的工況下，當(dāng)導(dǎo)線不均勻脫冰時(shí)對特高壓輸電線路脫冰跳躍的影響，最后得出了導(dǎo)線跳躍高度和縱向不平衡張力隨各種影響因素變化的規(guī)律，為特高壓輸電線路設(shè)計(jì)提供了理論支持。

三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院孟遂民、單魯平等人針對輸電線覆冰脫落使桿塔承受動態(tài)沖擊荷載和不平衡張力，且導(dǎo)線的上下跳躍減小了相間導(dǎo)線電氣間隙，采用有限元軟件構(gòu)建了某跨越段線路三自由度模型，數(shù)值仿真計(jì)算了導(dǎo)線脫冰的動力響應(yīng)，并分析了在風(fēng)荷載作用下覆冰厚度、脫冰方式及導(dǎo)線應(yīng)力對中間檔導(dǎo)線脫冰的動力影響。中國電力科學(xué)研究院和清華大學(xué)等學(xué)者分析在幾種不同因素的影響下，建立了三維多檔導(dǎo)線模型，進(jìn)行了導(dǎo)線脫冰跳躍動力響應(yīng)計(jì)算，更深入的研究了導(dǎo)線脫冰跳躍高度及掛點(diǎn)荷載的變化規(guī)律。

許多學(xué)者數(shù)值模擬了單根導(dǎo)線在沖擊荷載作用下，在荷載幅值，覆冰厚度和線路檔距三種不同的因素下，分析研究對除冰率的影響。隨著沖擊荷載幅值的增大，除冰率也增大。覆冰厚度和檔距越小，除冰率越大。

在研究覆冰導(dǎo)線脫冰時(shí)，單純的以單根導(dǎo)線作為研究對象根本無法代替多分裂導(dǎo)線的研究結(jié)果。所以，隨著研究的深入，浙江大學(xué)的某位學(xué)者建立了分裂導(dǎo)線-間隔棒耦合體系，研究分裂導(dǎo)線與合成單根導(dǎo)線的覆冰和脫冰等代性問題。得出如果在均勻覆冰的情況下，分裂導(dǎo)線可以等效為單根導(dǎo)線進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)線等效直徑和等效覆冰厚度均為分裂導(dǎo)線的倍。同時(shí)也分析了三檔分裂導(dǎo)線中間檔單根子導(dǎo)線整檔脫冰以及中間檔單根子導(dǎo)線上單段次檔距不均勻脫冰情況。得出，當(dāng)單根子導(dǎo)線發(fā)生整檔脫冰時(shí)，脫冰檔內(nèi)的位移最大值一般都會發(fā)生在靠近檔距中央；單段次檔距不均勻脫冰時(shí)，最大值的響應(yīng)規(guī)律不太明顯。這種將分裂導(dǎo)線等效成一根導(dǎo)線的計(jì)算，為以后的研究提供了極強(qiáng)的可用性方法。

浙江大學(xué)的某學(xué)者研究采用了有限元分析方法研究輸電塔線體系覆冰的靜力效應(yīng)，再者對塔線體系的不同參數(shù)如：檔距、冰厚、脫冰位置、脫冰比例等進(jìn)行分析，比較覆冰作用下塔線體系動力響應(yīng)的影響。

華中科技大學(xué)的李黎等研究了輸電塔線體系脫冰跳躍反應(yīng)的控制研究，建立了兩塔三線模型，僅僅是中間檔導(dǎo)線脫冰，研究導(dǎo)線脫冰對塔的振動研究，再者分析了在鐵塔的關(guān)鍵點(diǎn)處加裝粘彈鉛芯阻尼器后，分析安裝粘彈鉛芯阻尼器對鐵塔關(guān)鍵點(diǎn)的位移及減振效果。結(jié)果證明在塔頭上半部分和塔頭橫擔(dān)兩處布置粘彈鉛芯阻尼器，整個(gè)塔的最大順線向位移和豎向位移均能得到較好的減震效果。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者G.M.cClure數(shù)值模擬了110kV線路在脫冰跳躍時(shí)的動態(tài)效應(yīng)，僅僅建立了單跨和三跨雙回路導(dǎo)線的有限元模型，分析發(fā)現(xiàn)如果導(dǎo)線脫冰跳躍，可使導(dǎo)線產(chǎn)生振動幅度較大，所以需要使用類似于導(dǎo)線防舞器的裝置，用來防治當(dāng)導(dǎo)線脫冰跳躍時(shí)帶來的事故。

國外學(xué)者在20世紀(jì)90年代利用ADINA軟件對架空線路的脫冰現(xiàn)象進(jìn)行了模擬，并將之前得到的實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)論與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)仿真的可靠性，通過比較說明了該種方法的實(shí)用性，將研究方式由實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為計(jì)算機(jī)，這一舉措不僅使脫冰問題能利用更簡便的方法進(jìn)行研究，而且無論從材料、場地甚至是人力等方面都能得到優(yōu)化利用。

2004年，學(xué)者Roshan Fekr等利用有限元方法，建立了孤立檔導(dǎo)線的模型，對其進(jìn)行脫冰跳躍動力響應(yīng)分析，以覆冰厚度作為工況對線路進(jìn)行分析，此研究過程著重考慮了導(dǎo)線脫冰的動態(tài)過程，將整個(gè)脫冰過程作為分析對象，由于研究工況只有覆冰厚度一種，未能對其他工況進(jìn)行研究使分析結(jié)論略顯單薄。學(xué)者Nilson Barbieri等在模擬過程中借助氣象學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對所建立的輸電線路進(jìn)行了脫冰跳躍的模擬，這種將氣象學(xué)方法引入導(dǎo)線脫冰問題研究的方法使問題的模擬和研究更具真實(shí)性。學(xué)者JIANG Xing-liang進(jìn)行了改進(jìn)，建立了多檔塔線體系的二維有限元模型，在各種不同脫冰工況下進(jìn)行了分析研究輸電鐵塔和導(dǎo)線的動力響應(yīng)。

國外學(xué)者Lehn建立多檔塔線體系有限元數(shù)值模型，分析了不同檔距和不同脈沖荷載工況下，僅僅研究在不同地線脫冰工況下，地線的位移、拉力等動力響應(yīng)，分析了在進(jìn)行除冰時(shí)，導(dǎo)線脫冰跳躍對地線力學(xué)性能的影響研究。

3 覆冰導(dǎo)線脫冰機(jī)理

主要分為以下三種形式：融化脫冰、升華脫冰以及機(jī)械外力脫冰。

（1）融化脫冰

融化脫冰就是當(dāng)導(dǎo)線周圍溫度達(dá)到覆冰融點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)線上的覆冰開始融化脫落。這種脫冰方式的決定因素為溫度是否達(dá)到覆冰融點(diǎn)，而使導(dǎo)線周圍溫度升高主要有兩種原因：覆冰外表面對流融化覆冰和內(nèi)表面接觸融化覆冰。研究時(shí)假設(shè)覆冰附著在導(dǎo)線上是以環(huán)形附著，其與導(dǎo)線接觸一面為內(nèi)表面，與大氣接觸的一面稱為外表面。

外表面對流融冰是覆冰的外表吸收熱量使其融化的過程，此過程的熱量來源主要有兩方面：一方面是氣溫升高與覆冰進(jìn)行對流熱量傳遞，另一方面是陽光和大地的熱輻射傳給輸電線路引起覆冰融化脫落。由于此種方式脫冰的過程較為緩慢，一般要經(jīng)過如下過程：覆冰外部在吸收熱量之后會發(fā)生融冰現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，輸電線的局部會接觸陽光，溫度升高，此時(shí)覆冰的內(nèi)外表面均開始融化，此過程較為緩慢，且脫冰方式可近似為均勻脫冰，不會對輸電線路造成過于嚴(yán)重的危害，一般不會形成振幅較大的導(dǎo)線脫冰跳躍。

內(nèi)表面接觸融冰一般情況下，輸電線路都不會出現(xiàn)均勻覆冰的情況，這就使得在融冰過程中出現(xiàn)不均勻脫冰的情況。當(dāng)導(dǎo)線上未覆冰的部分受熱后將熱量傳給輸電導(dǎo)線的其他部位，此時(shí)覆冰內(nèi)表面就會形成一層液體，這種液體層就會降低輸電導(dǎo)線覆冰內(nèi)表面的附著能力，引起脫冰。這個(gè)過程就是內(nèi)表面接觸融冰。

由于導(dǎo)線覆冰與實(shí)際條件有關(guān)，如風(fēng)速、溫度等，很難出現(xiàn)全部均勻覆冰的情況，尤其是在輸電塔附近極易出現(xiàn)偏心覆冰情況。當(dāng)覆冰脫落時(shí)，這部分偏心覆冰由于內(nèi)表面形成的液體層會使自身發(fā)生轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)輸電塔附近導(dǎo)線覆冰比其他部位先行脫落的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象會導(dǎo)致導(dǎo)線不均勻脫冰，不僅能引起大幅度的脫冰跳躍還能使得絕緣子掛點(diǎn)出現(xiàn)不平衡張力，當(dāng)脫冰率較大時(shí)容易出現(xiàn)倒塔、斷線等危險(xiǎn)。

（2）升華脫冰

升華是一種物理變化，是指物質(zhì)從固態(tài)直接變成氣態(tài)的變化過程。這種過程對溫度沒有要求，即不需要達(dá)到融點(diǎn)就能發(fā)生。升華脫冰與覆冰周圍的溫度和風(fēng)速有關(guān)，還在一定的程度上受空氣相對濕度的影響。升華脫冰是一個(gè)平緩的過程，是覆冰由固態(tài)直接以氣態(tài)的形式揮發(fā)到空氣中的過程，脫冰率也處于較低水平。因此很難出現(xiàn)大幅度輸電導(dǎo)線脫冰跳躍的情況，也是屬于對輸電線路危害較小的脫冰方式。

（3）機(jī)械外力脫冰

機(jī)械外力脫冰是在機(jī)械外力的作用下，將覆冰擊破脫掉的過程。這種脫冰形式涉及許多方面的技術(shù)，如防覆冰技術(shù)、機(jī)械融冰等，從力學(xué)角度分析包括靜力作用和動力作用兩方面。因此會出現(xiàn)拉伸扭轉(zhuǎn)等情況造成舞動等嚴(yán)重后果，對輸電線路的危害極其嚴(yán)重。

4 脫冰模擬介紹

目前,國內(nèi)外對覆冰脫冰問題研究的有限元模擬方法大致有三種：（1）附加力模擬法，（2）附加冰單元法，（3）改變密度法。

（1）附加力模擬法

此方法是采用一系列等間距的集中力來模擬導(dǎo)線和地線覆冰的靜態(tài)荷載，也就是覆冰荷載采用集中力的形式施加在導(dǎo)線和地線各個(gè)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)建模分析時(shí)，首先應(yīng)該根據(jù)公式計(jì)算出實(shí)際中一檔內(nèi)導(dǎo)線和地線的覆冰荷載，然后把所算出的荷載平均的分配到一檔內(nèi)導(dǎo)線和地線的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，其計(jì)算簡圖如圖1所示。

（2）附加冰單元法

在研究某些非連續(xù)過程或分析某一模型時(shí)，有時(shí)需要某個(gè)或某單元不存在，利用單元生死法就可以很好的解決這種問題。該種方法的實(shí)質(zhì)就是對單元的剛度進(jìn)行設(shè)置，原理是用一個(gè)足夠小的參數(shù)把它的剛度矩陣變的足夠小，被“殺死”單元的單元荷載等于0，其質(zhì)量和參數(shù)都設(shè)為零。被“殺死”單元的質(zhì)量不參與方程求解，單元的應(yīng)變始終為0。單元“激活”則是將被“殺死”單元的剛度、質(zhì)量、單元荷載等恢復(fù)真實(shí)取值的過程。此方法在數(shù)值模擬時(shí)，采用有限元中的“生死單元法”，用pipe梁單元模擬覆冰單元。通過激活或移除冰單元模擬輸電線的覆冰脫冰過程。

（3）改變密度法

改變密度法是通過改變導(dǎo)線的密度來等效覆冰脫冰荷載。其特點(diǎn)是只考慮覆冰的自重而不考慮其它因素的影響，對輸電導(dǎo)線進(jìn)行靜力或動力分析，此方法原理較為簡單，在有限元程序設(shè)計(jì)中比較容易。在對覆冰脫冰進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，附加集中力比較方便，并且可以達(dá)到比較精確的計(jì)算精度。所以本文選擇的是附加集中力的方法模擬覆冰脫冰。

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