高壓輸電線路覆冰清除爆破參數(shù)研究

謝東升， 宋 巍， 王 瑋， 孫 滔， 黃鐵錚， 蔡宣明

(1. 國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 山西 太原 030051； 2. 中北大學(xué) 理學(xué)院， 山西 太原 030051)

電力為國民經(jīng)濟(jì)有條不紊的發(fā)展提供了有力的能源保證， 但是， 高壓輸電線覆冰的問題給高壓輸電線路帶來了極大的安全隱患[1-4]， 嚴(yán)重影響到國家電網(wǎng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行及人們的正常生活， 因此， 消除高壓輸電線路的覆冰隱患變得極為迫切.

高壓輸電線路除冰問題是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)， 目前國內(nèi)外研究報道的主要是傳統(tǒng)除冰方式. 已有的各種直接應(yīng)用于輸電線上的除冰設(shè)備， 采用強(qiáng)力振動法、 滑輪鏟刮法等相對較為簡單的機(jī)械辦法來處理覆冰(機(jī)械除冰法)， 其中的滑輪鏟刮法比較實用， 它所消耗的能量較少， 而且價格便宜， 但其在使用過程中比較困難， 安全性不高[5]； 隨后發(fā)展的很多機(jī)械除冰法， 如近些年較為熱門的機(jī)器人除冰法， 除冰效果較好， 但是其能量消耗大， 還會受天氣的影響； 總之， 機(jī)械除冰法不是一種非常理想的除冰方式， 其安全性差， 工作效率低[6]. 一些研究學(xué)者利用風(fēng)及其他自然力的作用， 再應(yīng)用輔助設(shè)備， 例如在高壓輸電線上安裝平衡錘、 阻雪環(huán)等輔助設(shè)備， 使輸電線上的覆冰達(dá)到一定程度時自動脫落， 從而起到防冰及除冰的作用(被動除冰法)， 此方法較為簡單方便， 而且成本較低[7]， 但是， 其只實用于特定的時間和地點(diǎn)， 不能廣泛地應(yīng)用于所有輸電線的覆冰情況， 該方法不能全面有效地消除輸電線覆冰的危害. 另一些研究學(xué)者利用輸電線路本身的發(fā)熱以及一些附加的熱源， 使得冰雪無法在輸電線上覆冰， 或者使已形成覆冰的地方熔化， 從而達(dá)到除冰的效果(熱力除冰法). 其中， 低居里鐵磁材料應(yīng)用較為廣泛， 當(dāng)溫度小于0 ℃時， 這種材料磁滯損耗大， 產(chǎn)生的熱量使得輸電線表面不易形成覆冰， 或使得已經(jīng)覆冰的地方熔化， 達(dá)到防冰、 除冰的效果； 當(dāng)溫度大于0 ℃時， 此時不需要熔冰， 該材料的磁滯損耗較小[8]. 熱力除冰法效果較為明顯， 但是消耗的能量大， 使用范圍較小， 設(shè)備成本投資大， 不適宜遠(yuǎn)距離防冰及除冰. 除了上述除冰方法之外， 國內(nèi)外也研究了電暈放電、 電子凍結(jié)、 碰撞前顆粒凍結(jié)以及超聲技術(shù)等除冰方法. 但是， 電暈放電已被證明對除冰沒有明顯的效果， 電子冷凍只在負(fù)極性條件下才有用， 使用范圍極小， 超聲技術(shù)也已證明沒有明顯的除冰效果[9]. 綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀， 對高壓輸電線路除冰方式多集中在傳統(tǒng)的方法上， 而對爆破除冰方式的研究很少.

本研究結(jié)合實驗研究獲得的冰與輸電線路接觸表面的摩擦系數(shù)， 以及相關(guān)文獻(xiàn)參數(shù)， 應(yīng)用LS-DYNA對高壓輸電線路爆破除冰進(jìn)行模擬仿真計算， 計算控爆參數(shù)， 確定輸電線路上炸藥的最佳分布方式， 并通過縮比實驗驗證仿真計算結(jié)果.

1 高壓輸電線路覆冰的形式及機(jī)理

1.1 覆冰的形式

按照高壓輸電線路覆冰的形成及危害， 大致可以分為白霜、 積雪、 霧凇、 混合凇、 雨凇五種類型[9-12]， 這些覆冰的種類有以下幾個特點(diǎn)：

空氣中的濕氣接觸到0 ℃以下的冷物體時， 在其表面上就形成了白霜[13]， 雖然其對高壓輸電線的威脅不大， 但是輸電線路的電暈損失會有所增加. 自然降雪(有干雪和濕雪)到高壓輸電線時， 就形成了積雪， 干雪密度≤0.1 g/cm3， 對輸電線的黏附作用力很微弱； 濕雪密度約為0.103 g/cm3， 其對輸電線的黏附作用力較弱. 霧凇的密度在0.1～0.3 g/cm3之間， 其對輸電線的黏附作用力很弱. 混合凇的密度大約為0.507 g/cm3， 其較為堅硬， 對輸電線路的黏附作用力較大. 雨凇的密度>0.8 g/cm3， 比較堅硬， 且對輸電線路的黏附作用力非常強(qiáng).

1.2 覆冰的機(jī)理分析

干增長和濕增長是分析高壓輸電線覆冰的形式及其機(jī)理的重要依據(jù)， 其實質(zhì)是分析覆冰過程的熱平衡及熱傳遞. 輸電線的覆冰密度、 厚度都取決于輸電線表面的熱平衡狀態(tài)， 初始建立的輸電線路覆冰的熱平衡方程[14]為

Q0+Qf+Qr1=Qd1+Qd2+Qd3+Qr2,(1)

式中：Q0是空氣摩擦對冰表面所加的熱量；Qf是將冰從0 ℃降到覆冰表面的穩(wěn)定溫度時所釋放的熱量；Qr1是冷凍時所釋放的能量；Qd1是在碰撞過程中過冷卻水滴上升到0 ℃時所吸收的熱能；Qd2是空氣與輸電線表面熱對流所損失的熱量；Qd3是冰面輻射時所損失的熱量；Qr2是覆冰表面升華或蒸發(fā)時所消耗的能量. 式(1)的左邊表示輸電線路覆冰表面所吸收的能量， 右邊表示損失的能量. 該初始熱平衡方程能夠初步揭示輸電線路覆冰能量分配的基本形式， 但是該平衡方程忽視了覆冰濕增長過程中的碰撞水滴的動能、 熱傳導(dǎo)等對覆冰狀態(tài)的影響， 而未考慮到輸電線路的電流及其電場對覆冰狀態(tài)的影響， 然而實際中這種影響還比較重要， 因此， 為了能夠更好地揭示輸電線路覆冰狀態(tài)中的能量關(guān)系， 文獻(xiàn)[9]建立了更加完善的熱平衡方程

Q0+Qf+Qr1+Qb+Qc+Qd=

Qd1+Qd2+Qd3+Qr2+Qk+Ql+Qm,(2)

式中：Qb是日光短波加熱；Qc是過冷卻水碰撞冰面時動能所加的熱；Qd是電流傳輸過程中的焦耳熱；Qk是水滴離開冰面時所消耗的熱能；Ql是在熱傳導(dǎo)過程中所損失的能量；Qm是風(fēng)強(qiáng)制對流時的熱損失.

2 爆破除冰數(shù)值模擬

基于LS-DYNA對爆破除冰進(jìn)行仿真， 考慮到爆炸問題中結(jié)構(gòu)的大變形和高應(yīng)變率效應(yīng)， 采用流固耦合方法計算炸藥與覆冰、 輸電線之間的相互作用. 炸藥與空氣采用Euler算法， 覆冰和輸電線采用Lagrange算法， 網(wǎng)格尺寸為1 mm， 采用Lagrange網(wǎng)格進(jìn)行建模和計算， 覆冰與導(dǎo)線間采用固連斷開模型， 炸藥與覆冰之間的相互作用采用接觸算法控制， 來模擬覆冰的侵蝕.

2.1 有限元計算模型

文中電線直徑25 mm， 覆冰厚度25 mm， 導(dǎo)爆索ρL=6.0 g/m， 長度為0.6 m. 考慮到網(wǎng)格劃

分質(zhì)量問題， 將圓形導(dǎo)爆索橫截面簡化為正方形， 根據(jù)以往模擬經(jīng)驗， 該簡化算法對爆炸作用效果的影響可以忽略， 其有限元計算模型如圖 1 所示.

圖 1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2.2 冰的參數(shù)

冰的參數(shù)主要包括密度以及冰與輸電線路表面的摩擦系數(shù). 根據(jù)不同地段的覆冰情況， 分析其覆冰的密度， 仿真中采用相對應(yīng)的覆冰密度， 如表 1 所示； 冰與輸電線路表面的摩擦系數(shù)通過摩擦系數(shù)測試實驗得到.

表 1 冰的相關(guān)參數(shù)[15-16]

2.3 炸藥的模型參數(shù)

數(shù)值模擬中炸藥材料模型采用LS-DYNA材料庫中的MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型， 該模型的結(jié)構(gòu)主要由爆速、 密度狀態(tài)以及爆炸壓力三個方面組成. 炸藥起爆之后的爆轟產(chǎn)物體積變化規(guī)律采用典型的JWL狀態(tài)方程， 其模型中的壓力可由內(nèi)能及相對體積的相關(guān)函數(shù)來描述， 表達(dá)形式為

(3)

式中：e為比內(nèi)能， 表示單位質(zhì)量炸藥所含的內(nèi)能，R1,R2,A、B以及ω均為由模型(3)擬合實驗結(jié)果獲得的常數(shù).η=ρ/ρ0為起爆之后的爆轟產(chǎn)物與炸藥沒有起爆之前密度之間的比值. 該數(shù)值模擬研究中采用的炸藥為RDX基復(fù)合材料炸藥， 因此， 其狀態(tài)方程中的參數(shù)有兩種選擇情況： ① 直接應(yīng)用起爆之后的爆轟參數(shù)； ② 可根據(jù)爆熱關(guān)系將RDX基復(fù)合炸藥換算為TNT炸藥， 數(shù)值模擬直接應(yīng)用TNT炸藥參數(shù). 本數(shù)值模擬研究中的炸藥直接采用含有20%鋁粉復(fù)合炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)， 其具體參數(shù)如表 2 所示.

表 2 RDX炸藥和TNT炸藥JWL參數(shù)[15-16]

2.4 空氣模型參數(shù)

由*MAT_NULL控制空氣介質(zhì)材料模型， 并應(yīng)用*LNIEAR_POLYNOMIAL MODEL描述空氣介質(zhì)狀態(tài)， 其表達(dá)形式為

p=c0+c1μ+c2μ2+c3μ3+(c4μ+c5μ2+c6μ3)E,(4)

式中：μ為比容；c0,c1,c2,c3,c4,c5,c6表示實驗研究常數(shù)， 在空氣當(dāng)中，c0=c1=c2=c3=c6=0，c4=c5=γ-1，γ為比熱比；E為單位體積能量. 空氣狀態(tài)方程相關(guān)具體參數(shù)如表 3 所示， 其表達(dá)形式為

(5)

表 3 空氣的狀態(tài)方程材料參數(shù)[15-16]

2.5 輸電線模型參數(shù)

數(shù)值模擬中的輸電線采用主體材料為鋁合金絞線， 可應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)化彈塑性模式描述其響應(yīng)特性， 該模型能夠較好地描述材料隨動硬化行為， 以及各向同性力學(xué)行為， 可應(yīng)用于多種不同單元類型， 材料應(yīng)變率效應(yīng)可采用Cowper-Symonds進(jìn)行描述[15-16]， 其表達(dá)式為

(6)

式中：σ0為材料靜態(tài)屈服應(yīng)力;σd為材料動態(tài)屈服應(yīng)力;C和P均為應(yīng)變率效應(yīng)相關(guān)項參數(shù). 在純鋁材料中， 其應(yīng)變率效應(yīng)表現(xiàn)更為明顯， 但目前研究的絕大部分鋁合金材料其應(yīng)變率效應(yīng)不明顯， 因此， 在本數(shù)值模擬研究中， 不考慮輸電線的應(yīng)變率效應(yīng)， 其具體參數(shù)如表 4 所示.

表 4 模型參數(shù)[15-16]

2.6 模擬結(jié)果與討論

控爆參數(shù)的計算主要包含兩方面： 輸電線覆冰除冰的效果， 炸藥起爆后的沖擊波對輸電線及塔的動態(tài)力學(xué)響應(yīng). 通過炸藥在輸電線上的不同間隔分布， 以除冰效果為評估依據(jù)， 獲得輸電線上炸藥的最佳分布方式.

為研究裝藥間隔δ對輸電線路除冰效果影響， 進(jìn)行5組裝藥間隔數(shù)值模擬研究， 裝藥間隔分別為15, 20, 25, 30以及40 mm. 由數(shù)值模擬研究結(jié)果以及表 5 可知， 裝藥間隔在15, 20, 25, 30 mm 時， 輸電線路上的覆冰全部脫落， 圖2為裝藥間隔30 mm時的除冰情況， 由圖可知， 除冰效果顯著， 達(dá)到預(yù)期除冰目標(biāo)要求.

表 5 不同炸藥間隔脫冰情況

圖 2 裝藥間隔為30 mm的模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of 30mm charging interval

結(jié)合實際除冰情況， 對于裝藥間隔δ而言， 設(shè)計δ過小， 則爆炸容易損傷導(dǎo)線， 產(chǎn)生毛刺、 塑性變形甚至裂紋， 增大斷線的危險性. 但如果δ過大， 一方面覆冰厚度小于δ時， 對應(yīng)于之前實驗中采用的導(dǎo)爆索位于覆冰之外的工況， 空氣衰減層的存在不利于爆破除冰； 另一方面，δ過大在實際施工過程中不便于導(dǎo)爆索和導(dǎo)線的平行布設(shè)， 也不利于導(dǎo)爆索防繞線扭轉(zhuǎn)等情況的控制， 因此根據(jù)實際覆冰除冰需求和考慮實際施工控制， 炸藥間隔在30 mm時除冰效果較為理想. 為進(jìn)一步驗證數(shù)值模擬仿真計算結(jié)果， 進(jìn)行縮比爆破除冰實驗研究.

3 縮比爆破除冰實驗驗證

根據(jù)輸電線路的實際工況， 以爆破除冰數(shù)值模擬為指導(dǎo)， 對輸電線路爆破除冰進(jìn)行縮比實驗， 其中模擬導(dǎo)線直徑為25 mm， 覆冰厚度為25 mm， 導(dǎo)爆索ρL=6.0 g/m， 兩端角鋼固定約束， 導(dǎo)爆管雷管引爆.

圖 3 縮比實驗裝藥分布形式Fig.3 Distribution pattern of scaled experiment charging

導(dǎo)爆索與模擬導(dǎo)線間距為30 mm(模擬導(dǎo)線中心位置至導(dǎo)爆索間距)， 如圖 3 所示， 縮比爆破實驗中高速相機(jī)拍攝幀率為40 000 fps. 圖 4 為高速相機(jī)拍攝到的縮比爆破除冰實驗及仿真除冰情況， 由圖可知， 縮比爆破除冰效果較為理想， 從起爆開始， 到模擬導(dǎo)線上覆冰全部去除， 所需時間約為40～50 μs， 爆破除冰效果顯著， 與數(shù)值模擬仿真結(jié)果基本吻合.

圖 4 實驗與仿真除冰情況Fig.4 Experiment and simulation of deicing condition

4 結(jié) 論

1) 有效覆冰參數(shù)， 以及高壓輸電線與覆冰表面摩擦系數(shù)的確定為爆破除冰控爆參數(shù)計算提供了重要參數(shù).

2) 以除冰效果及輸電線的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)為依據(jù)， 通過控爆參數(shù)有效模擬仿真計算， 確定了輸電線(直徑為25 mm)上25 mm厚的覆冰最佳除冰方案： 線裝炸藥ρL=6.0 g/m， 裝藥與導(dǎo)線中心位置間隔值為30 mm.

3) 縮比爆破除冰實驗驗證了爆破除冰控爆參數(shù)的可靠性及可行性， 研究結(jié)果可為高壓輸電線路爆破除冰設(shè)計提供依據(jù).