架空輸電線非同期脫冰跳躍動張力實驗研究

王璋奇, 齊立忠, 王 劍, 王得文, 陳 原, 盧 毅

(1.華北電力大學(xué) 機械工程系，河北 保定 071003; 2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院,北京 100045)

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架空輸電線非同期脫冰跳躍動張力實驗研究

王璋奇1, 齊立忠1, 王 劍1, 王得文2, 陳 原2, 盧 毅2

(1.華北電力大學(xué) 機械工程系，河北 保定 071003; 2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院,北京 100045)

利用架空輸電線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)，通過模型實驗來研究架空線非同期脫冰跳躍的動張力特性。實驗設(shè)計了從一端往另一端、從兩端往檔中以及從檔中往兩端等三種“開拉鏈”式非同期脫冰方式，研究3種“開拉鏈”式的非同期脫冰形式對導(dǎo)線動張力的影響，結(jié)果表明：在相同的脫冰速度下，從檔中往兩端的非同期脫冰方式將在導(dǎo)線中產(chǎn)生較大的動張力波動。針對從一端往另一端的“開拉鏈”式非同期脫冰，研究了脫冰速度對導(dǎo)線動張力的影響，結(jié)果表明：脫冰時間間隔為數(shù)十毫秒量級時，脫冰速度越快導(dǎo)線動張力的波動越劇烈；脫冰時間間隔為數(shù)百毫秒量級時，架空輸電線脫冰跳躍動張力以近似斜直線的形式衰減，并相對平緩地過渡到該導(dǎo)線的靜態(tài)張力水平。

架空輸電線；非同期脫冰跳躍；動張力

架空輸電線覆冰是電網(wǎng)常見災(zāi)害之一，2008年初春在我國發(fā)生的冰雪災(zāi)害造成了超過14萬基輸電桿塔倒塌[1]，給電網(wǎng)造成了極大的損失。據(jù)災(zāi)后調(diào)查顯示[2]，這次冰災(zāi)中90%左右的倒塔都是由于不均勻覆冰以及脫冰跳躍產(chǎn)生的縱向不平衡張力造成的。脫冰跳躍產(chǎn)生動張力的過程屬于復(fù)雜強非線性過程，對該動力學(xué)過程進(jìn)行研究十分必要。

輸電線路工程分析中通常將架空導(dǎo)線的脫冰過程劃分為同期脫冰和非同期脫冰兩類，非同期脫冰又有順序脫冰和隨機脫冰之分，順序脫冰是指附著在導(dǎo)線上的覆冰按照確定空間或時間序列，依次脫落的情形，而隨機脫冰是指脫冰在時間和空間上都無規(guī)律可循的脫冰過程。架空導(dǎo)線覆冰后，受到不均勻日照、風(fēng)吹、外界擾動等的作用時，檔距內(nèi)導(dǎo)線的局部位置處的覆冰會首先達(dá)到破碎或融化條件，并從導(dǎo)線上脫落下來，也就是導(dǎo)線的局部區(qū)域脫冰。導(dǎo)線局部覆冰的脫落相當(dāng)于給導(dǎo)線局部施加一作用力，從而引起導(dǎo)線振動。這個振動將會使其余部分的導(dǎo)線和覆冰之間的黏附力變?nèi)?，結(jié)果導(dǎo)致脫冰區(qū)域的周邊覆冰依次脫落。覆冰沿著導(dǎo)線長度方向按時間順序依次脫落的形式稱為“開拉鏈”(unzipping)式脫落[3-4]，它是一種典型的非同期脫冰形式。本文主要研究“開拉鏈”的方式和速度對導(dǎo)線動張力特性的影響規(guī)律。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對整檔和部分檔同期脫冰進(jìn)行了不少的研究[5-7]，主要集中在數(shù)值仿真和實驗研究兩方面。沈國輝等[8]采用有限元軟件ABAQUS建立塔線體系模型，研究不同脫冰速度下非同期脫冰對架空線端部動張力的影響，但缺乏相應(yīng)的實驗結(jié)果驗證。華北電力大學(xué)輸電線路工程實驗室搭建了一段檔距為11.3 m的模擬架空線，開展了非同期脫冰實驗的研究工作[9-10]。

在“開拉鏈”式的非同期脫冰實驗中，“開拉鏈”的速度是影響脫冰現(xiàn)象的重要參數(shù)。在模擬實驗中，脫冰的速度參數(shù)是由相鄰質(zhì)量塊的脫落時間間隔Δt所決定的。脫落時間間隔Δt越小，則脫冰速度越大；脫落時間間隔Δt越長，則脫冰速度越小。實驗架空線模擬覆冰的集中質(zhì)量是等間距設(shè)置的，因此，采用各個重物脫落的時間間隔Δt可更直觀地表達(dá)脫冰的速度參數(shù)。

早期的架空導(dǎo)線脫冰模擬實驗較少考慮脫冰時間間隔Δt這一重要參數(shù)對脫冰過程的影響，相關(guān)文獻(xiàn)主要集中于研究架空線整檔同期脫冰跳躍特性，蘇士斌曾對非同期脫冰的脫冰速度對導(dǎo)線動張力特性的影響情況進(jìn)行了研究，但其脫冰速度較小、模擬覆冰的脫落時間間隔較長(≥1 s)，不能很好地反映實際情況下的導(dǎo)線動張力特性。

為此，在早期工作的基礎(chǔ)上，華北電力大學(xué)輸電線路工程實驗室研制了一套新的架空輸電線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)毫秒級任意脫冰時序非同期脫冰實驗。本文利用該實驗系統(tǒng)，在一檔距為40 m的模擬架空輸電線進(jìn)行非同期脫冰跳躍實驗，采集并分析架空線端部動張力時程曲線，以研究其動力學(xué)特性。

1 架空輸電線脫冰跳躍實驗

1.1 架空輸電線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)

架空輸電線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。計算機通過控制總線將若干脫冰控制箱連接起來，實現(xiàn)對單個脫冰控制箱的遠(yuǎn)程控制。架空導(dǎo)線脫冰振蕩過程中的動張力則由安裝于架空輸電線兩端的張力傳感器采集，并經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓量為采集卡接收。

圖1 架空輸電線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structural figure of ice shedding experiment system of the overhead transmission lines

實驗系統(tǒng)包括三個部分，分別為脫冰跳躍實驗?zāi)K、脫冰控制模塊和動張力采集模塊。

脫冰跳躍實驗?zāi)K由兩端的導(dǎo)線支架和架設(shè)的導(dǎo)線及覆冰模擬質(zhì)量塊組成，調(diào)整質(zhì)量塊可模擬不同厚度的覆冰。針對覆冰的模擬問題，KOLLR等[11-12]在架空線上用管套壓實濕雪的方法模擬覆冰，該方法對氣象條件要求苛刻，且可控性差；JAMALEDDINE等[13-14]提出了在架空線上懸掛重物來模擬覆冰情況。王璋奇等[15]對在架空線上等間距懸掛重物模擬覆冰的方法適用性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該法可以很好地模擬真實覆冰的脫落情況。為此，本實驗系統(tǒng)也采用在架空線上等間距懸掛重物的方式模擬覆冰情況。

脫冰控制模塊實現(xiàn)對脫冰過程的主動控制。實驗系統(tǒng)采用20路電磁鐵吸附安裝于架空線上的鐵質(zhì)輕吸盤以模擬覆冰工況[16-17]。每四個相鄰的電磁鐵分為一組連接到同一個脫冰控制裝置上，每個脫冰控制裝置通過485通信總線、控制總線和電源線連接到控制箱后連接到計算機上，計算機安裝有脫冰控制軟件，實現(xiàn)對每一臺脫冰控制裝置中的每一路電磁鐵進(jìn)行脫冰控制。由于每一路電磁鐵可以單獨控制，相互獨立，因此可通過脫冰控制軟件實現(xiàn)任意脫冰時序的設(shè)置，模擬出各種非同期脫冰工況。

動張力采集模塊用于實時采集脫冰跳躍過程中架空輸電線端部軸向張力信號，應(yīng)用高精度采集卡DT9800采集，采樣頻率為1 000 Hz，AD采樣精度為16位，后臺軟件可對張力等信號進(jìn)行在線分析和處理。

1.2 脫冰跳躍實驗工況

實驗?zāi)Ｐ偷臋n距為40 m，模擬鋼芯鋁絞線ACSR240/40的脫冰跳躍特性，其比載為25.66×10-3MPa/m，參考表1中覆冰前后比載變化，按照比例關(guān)系，鋼芯鋁絞線上所附冰層比載為19.879×10-3MPa/m，假設(shè)覆冰截面為圓環(huán)狀，調(diào)整模擬塊的質(zhì)量，可使模擬的覆冰厚度處于10～15 mm，符合覆冰實驗要求。架空輸電線脫冰跳躍實驗具體參數(shù)如表1所示。

如圖1所示，本次實驗中架空線上的等間距懸掛有20個重物，從左往右依次標(biāo)記為1號～20號，各個重物脫冰時間之差為脫冰時間間隔，系統(tǒng)可設(shè)置的時間最小精度為1 ms，各重物墜落時間間隔可達(dá)毫秒級。為研究架空線脫冰速度更高情況下的脫冰跳躍特性，本文分別對十毫秒數(shù)量級和百毫秒數(shù)量級脫冰時間間隔進(jìn)行實驗研究。脫冰時間是指從脫冰開始到整個導(dǎo)線上覆冰全部脫落所用的時間；脫冰跳躍過程是指由脫冰開始到導(dǎo)線振動停止的整個過程。

表1 架空輸電線脫冰跳躍實驗參數(shù)表Tab.1 Ice shedding experiment parameterTable of overhead transmission lines

考慮脫冰時間間隔Δt和脫冰方式相結(jié)合可模擬不同脫冰工況。這里的非同期脫冰設(shè)置為：三種“開拉鏈”式的順序脫冰形式(見圖2)，并以不同的速度脫冰。

圖2 “開拉鏈”式的順序脫冰方式Fig.2 “Unzipping” type sequential ice shedding methods

在圖2所示的“開拉鏈”式的順序脫冰形式中，其中方式Ⅰ是從一端往另一端的“開拉鏈”式順序脫冰。方式Ⅱ為從兩端往檔中的“開拉鏈”式順序脫冰，其脫冰順序為：以檔中位置為對稱點，同時從兩端開始，依次墜落模擬質(zhì)量塊，直到中間位置。方式Ⅲ為從檔中往兩端的“開拉鏈”式順序脫冰，脫冰順序為：以檔中位置為對稱點，從中間位置的模擬質(zhì)量塊開始，依次墜落模擬質(zhì)量塊，直到兩端的位置。

2 脫冰方式對架空輸電線動張力的影響

2.1 實驗結(jié)果

針對三種“開拉鏈”式順序脫冰，選擇脫冰速度參數(shù)Δt=30 ms和50 ms兩種情況，進(jìn)行導(dǎo)線脫冰跳躍過程中的動張力實驗，此時的模擬覆冰全部脫落時間不超過0.5 s，脫冰開始的時刻設(shè)置為1.6 s，脫冰跳躍過程的信號記錄時間延長到16 s。實驗結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 脫冰導(dǎo)線動張力響應(yīng)(方式Ⅰ，Δt=30 ms)Fig.3 Dynamic tension response of ice shedding (model Ⅰ , Δt =30 ms)

圖4 脫冰導(dǎo)線動張力響應(yīng)(方式Ⅰ，Δt =50 ms)Fig.4 Dynamic tension response of ice shedding (model Ⅰ, Δt =50 ms)

由圖3和圖4可知，脫冰速度參數(shù)Δt=30 ms和50 ms時，從一端往另一端的“開拉鏈”式順序脫冰情況下，分別在架空線的兩端所測得的動張力的時程變化基本一致，兩條時程曲線幾乎重合。

由圖5和圖6可知，架空線發(fā)生從檔中往兩端的“開拉鏈”式順序脫冰時導(dǎo)線中動張力最小值和最大值均小于從兩端往檔中的“開拉鏈”式順序脫冰時導(dǎo)線中的動張力，而且前者動張力最小值出現(xiàn)的時間要略早于后者。

圖5 脫冰導(dǎo)線動張力響應(yīng)(Δt =30 ms)Fig.5 Dynamic tension response of ice shedding(Δt =30 ms)

圖6 脫冰導(dǎo)線動張力響應(yīng)(Δt =50 ms)Fig.6 Dynamic tension response of ice shedding(Δt =50 ms)

2.2 分析討論

在30 ms和50 ms脫冰間隔時序情況下，本文分析

從一端往另一端、從兩端往檔中和從檔中往兩端“開拉鏈”式順序脫冰方式下架空線動張力的特性，特征參數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2可知，三種脫冰方式中，不論是30 ms還是50 ms脫冰時序，從兩端往檔中脫冰方式下動張力最大值和最小值均最大；從檔中往兩端方式下動張力最大值與最小值之差最大，即波動幅度最大，而且此時動張力最大/最小值出現(xiàn)時刻較早，而從一端往另一端方式下動張力最大/最小值出現(xiàn)時刻較遲一些。

表2 不同脫冰方式動張力對比分析Tab.2 Comparison and analysis of dynamic tension under different ice shedding methods

3 脫冰速度對架空輸電線動張力的影響

根據(jù)沈國輝等采用有限元仿真軟件對非同期脫冰的研究，不同的架空輸電線脫冰跳躍時間間隔對架空線脫冰跳躍過程中端部動張力影響很大，系統(tǒng)分別對十毫秒數(shù)量級時間間隔和百毫秒數(shù)量級時間間隔脫冰工況下的動張力進(jìn)行采集對比與分析。

選擇“開拉鏈”式順序脫冰方式Ⅰ，脫冰時間間隔Δt分布設(shè)置為20 ms、30 ms和40 ms；50 ms、70 ms和90 ms；100 ms、200 ms和300 ms，進(jìn)行實驗，實驗得到的架空線動張力的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同時間間隔下脫冰方式-動張力時程曲線Fig.7 Dynamic tension time-history curve under ice shedding method I in the order of different time intervals

當(dāng)脫冰時間間隔Δt為20 ms、30 ms以及40 ms時，此時時間間隔較小，脫冰速度較快。由圖7(a)可知，此時，隨著脫冰時間間隔的增大，架空線動張力波動幅度減小，動張力極小值變大，動張力極大值變小，而且動張力最小值出現(xiàn)時間逐漸推遲。脫冰時間間隔越小，動張力衰減速率越快，隨著時間間隔的增加，脫冰跳躍動作完成后，動張力波動幅度逐漸變小。這些規(guī)律在50 ms、70 ms和90 ms時間間隔工況下也有體現(xiàn)，具體如圖7(b)所示。

由圖7(c)可知，當(dāng)脫冰時間間隔為100 ms、200 ms以及300 ms時，此時時間間隔為數(shù)百毫秒數(shù)量級，脫冰過程中，動張力首先以近似斜直線方式減小，而且當(dāng)脫冰結(jié)束后動張力波動不大。隨著脫冰時間間隔的增加，脫冰跳躍動張力波動衰減特性逐漸減弱，架空線端部動張力減小曲線形態(tài)愈發(fā)平緩，張力波動幅度也越小。

綜合比較兩種數(shù)量級脫冰時間間隔Δt時的脫冰跳躍動張力特性，架空線從一端往另一端非同期脫冰跳躍時，時間間隔越短，脫冰過程耗時越短，所造成的動張力波動幅值越大，線路越不安全；時間間隔Δt越大，動張力波動衰減特性也越弱，并以相對平穩(wěn)的方式過渡到架空導(dǎo)線的穩(wěn)定張力值，此時線路安全性提高。

4 結(jié) 論

本文采用架空輸電線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)對一段模擬架空線進(jìn)行非同期脫冰跳躍實驗，針對不同脫冰跳躍方式和時間間隔工況下，脫冰時間間隔為十毫秒數(shù)量級和百毫秒數(shù)量級的非同期脫冰跳躍進(jìn)行研究，系統(tǒng)采集脫冰跳躍過程中架空線端部動張力變化特性，并進(jìn)行分析總結(jié)，得出以下幾點結(jié)論：

(1)從檔中往兩端的“開拉鏈”式順序脫冰比其余兩種順序脫冰產(chǎn)生的動張力波動幅值都大，而且此時的動張力的最大/最小值出現(xiàn)的時刻最早；而從一端往另一端的“開拉鏈”式順序脫冰方式的動張力最大/最小值出現(xiàn)時刻最晚。

(2)當(dāng)脫冰時間間隔為數(shù)十毫秒數(shù)量級時，脫冰時間間隔Δt越短，動張力波動幅度越大，且張力最大/最小值出現(xiàn)的時刻也越早。此時，動張力對架空導(dǎo)線的危害較大，在線路設(shè)計和說明計算中應(yīng)該給予考慮。

(3)脫冰時間間隔Δt越大，架空輸電線脫冰跳躍動張力波動幅度越小。當(dāng)脫冰時間間隔Δt達(dá)到百毫秒數(shù)量級時，動張力以近似斜直線的形式減小，且隨著脫冰時間間隔Δt的增長，導(dǎo)線動張力愈加相對平緩地過渡到導(dǎo)線的穩(wěn)態(tài)張力，并且架空線脫冰動張力波動幅度也明顯減小。此時，動張力對架空導(dǎo)線的危害較低。

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Experiments on the dynamic tension of an overhead conductor under the asynchronous ice shedding

WANG Zhangqi1, QI Lizhong1, WANG Jian1, WANG Dewen2, CHEN Yuan2, LU Yi2

(1. Department of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China;2. North China Electric Power Research Institute Co. Ltd., Beijing 100045, China)

On a transmission line ice shedding experiment system, the dynamic tension characteristics of conductors under asynchronous ice shedding were analysed. For investigating the effects of “unzipping” sequential ice shedding mode on the dynamic tension of conductors, three different ice shedding modes were designed in the tests. They are the ice shedding from terminal to terminal, from two ends to the middle of the span and from the middle to two ends of the span. The results show that the dynamic tension fluctuates more intensely when the ice shedding mode is from the middle to both ends of the span. The influence of ice shedding velocity on the dynamic tension of conductors was studied under the terminal to terminal ice shedding mode. The results show that with the time intervals in the order of magnitude of 10 milliseconds, the shorter the time interval, the more severe the tension fluctuation in conductors and with the time intervals in the order of magnitude of 100 milliseconds, the dynamic tensions in conductors will be attenuated in a linear style and transit steadyly to the static tensions in conductors.

overhead conductor; asynchronous ice shedding; dynamic tension

國家電網(wǎng)公司科技項目“先進(jìn)復(fù)合材料芯導(dǎo)線使用關(guān)鍵技術(shù)研究”(1216713041)

2015-06-26 修改稿收到日期：2015-11-08

王璋奇 男，博士，教授，1964年5月生

TM726;O329

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.010