架空輸電線路脫冰跳躍模擬試驗研究

【摘?要】在電網(wǎng)構成中，輸電線路十分重要，為了分析架空輸電線在覆冰脫落各種工況下的跳躍位移，尋求合理的脫冰方式，設計了覆冰模擬系統(tǒng)、覆冰脫落控制系統(tǒng)和位移測試系統(tǒng)，在臨汾電力學校的實際線路上對單檔導線進行了7種不同的覆冰脫落工況模擬實驗，得到了各種工況下的脫冰跳躍位移，并進行了有限元模擬.結果表明：為了使脫冰跳躍位移最小，對于單檔導線應遵循先兩端脫冰后中部脫冰的順序，這與有限元模擬結果的規(guī)律一致.

【關鍵詞】架空輸電線路;脫冰模擬實驗;脫冰跳躍位移;有限元模擬

引言

輸電線路覆冰是大氣中過冷水遇到溫度低于零度的架空電線表面釋放熱量冷凝而形成。當溫度升高，或者受風力作用，或者受到人為機械除冰時，輸電線路上會產(chǎn)生不同期和不均勻的覆冰脫落，簡稱脫冰。導線脫冰會引起導線的大幅度上下擺動，對絕緣子串、金具、鐵塔等造成較大的動態(tài)拉力，在導線檔距較大，覆冰較厚的情況下對絕緣子串、金具、鐵塔的破壞作用更加明顯，可能會引起輸電桿塔折損、倒塔、斷線，金具損壞等嚴重事故。另一方面，導線脫冰跳躍過程中，各相導線之間和相地線之間空氣間隙減小，當小于相應的絕緣間隙要求時，會導致相間閃絡、跳閘等事故。在重冰區(qū)輸電線路設計中，導線布置方式、桿塔選型等均需要著重考慮導線脫冰跳躍問題。導線脫冰跳躍的研究主要有試驗和數(shù)值仿真兩種手段。加拿大的Jamaleddlne等人在魁北克省人工氣候室內(nèi)利用3.22m長導線對多種脫冰狀況進行模擬試驗，試驗中通過移除永久載荷實現(xiàn)脫冰，測得導線脫冰跳躍的最大上升高度、導線各掛點處的張力變化和懸垂絕緣子串的偏轉(zhuǎn)角和位移等參數(shù)。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，利用仿真分析、數(shù)值模擬的方法進行輸電線路脫冰跳躍問題研究，得到了廣泛應用。

1影響導線脫冰跳躍的因素

（1）絕緣子長度。當發(fā)生脫冰跳躍時，在縱向不平衡張力的作用下，絕緣子串的縱向擺動和偏移，會增大導線的跳躍高度。絕緣子串長度對脫冰跳躍高度的影響在于：如串長很短，接近于固定點懸掛方式，相鄰檔間的耦合較小，脫冰跳躍也較小;如串長很長，懸掛點發(fā)生同樣的縱向偏移時，其垂直位移的抬升很小，因而跳躍的高度也不會大;而當絕緣子串長取某一特定值時，脫冰跳躍可能會有最大高度。（2）脫冰量。脫冰的載荷越大，導線的跳躍高度也越大。僅改變脫冰載荷（以初始冰載荷的百分比計），在均勻脫冰條件下，導線脫冰跳躍高度與脫冰百分比近似滿足線性關系。（3）覆冰性質(zhì)的影響。當覆冰為附著力較強的雨淞、混合淞時，通常只是一段一段地脫落，很難形成大的脫冰跳躍現(xiàn)象。反之，如果覆冰為附著力較弱的霧淞或濕雪時，則較容易出現(xiàn)整檔導線同時脫冰而導致導線強烈跳躍。（4）連續(xù)檔距組合的影響。研究結果表明，檔距組合對脫冰跳躍的影響顯著，連續(xù)檔脫冰跳躍高度遠大于孤立檔情況。脫冰檔兩側(cè)的連續(xù)檔數(shù)越多、檔距越長，則懸掛點處的檔間耦合越強，因而脫冰跳躍高度越大。但隨脫冰檔的檔距增大，各種組合條件下的脫冰跳躍高度呈現(xiàn)飽和趨勢。（5）導線型號的影響。相同鋁截面條件下，導線剛度越大，其脫冰跳躍高度越小。（6）不均勻脫冰的影響。不均勻脫冰越靠近檔距中央，其跳躍高度越大，且明顯大于均勻脫冰的情況。架空導線的懸索結構中，靠近懸掛點位置的導線剛度較大，而檔距中點位置剛度最小。因而當脫冰發(fā)生在沿檔距方向的不同位置，即使脫冰荷載完全相同，引起的脫冰跳躍的高度也是不同的。

2 覆冰模擬系統(tǒng)

如圖1所示，脫冰模擬是通過按一定方式釋放導線上懸掛的具有一定重量的質(zhì)量塊來完成.實驗中在輸電線路上均勻布置12個質(zhì)量塊共4組，掛點間距4.6m.

3初始脫冰沖擊下翰電線路動力響應研究

當環(huán)境溫度或風載荷（風速、風向）發(fā)生變化或在熱力融冰時，輸電線路上的覆冰會因與架空線的粘附力不足而突然脫落，從而對輸電塔線系統(tǒng)形成一個初始沖擊載荷，導致架空線大幅振動，這種現(xiàn)象稱之為脫冰跳躍（IceShedding。由于脫冰沖擊會對輸電線路系統(tǒng)造成嚴重的電氣和機械安全事故，這一問題引起了輸電線路相關工程和學術領域的廣泛關注。以往的脫冰跳躍研究主要采用等效密度法或集中載荷法模擬覆冰，分析過程中通過假定架空線上的整檔（或部分）覆冰突然脫落或按照規(guī)定的速度脫落，進而研究在該脫冰（稱為“初始脫冰”）沖擊下輸電塔線系統(tǒng)的動力響應。此類研究均默認或假定在初始脫冰結束后，在架空線的后續(xù)振動過程中，線路其他位置的覆冰始終粘附在架空線上而不會被“甩掉”。但是，在真實條件下，當線路某處率先發(fā)生脫冰并引起架空線大幅振動后，線路其他位置的覆冰勢必會有一部分在振動過程中被“甩掉”（稱為“誘發(fā)脫冰”），并因不斷脫冰而引起整個輸電塔線系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度和阻尼在整個振動過程中隨時間不斷變化（稱為“誘發(fā)脫冰效應”）。由初始脫冰導致的誘發(fā)脫冰效應和輸電塔線系統(tǒng)的時變特性（尤其是由誘發(fā)脫冰引起的質(zhì)量的時變特性）無法使用以往的方捧進行分析。因此，本章將通過對第2章提出的基于粘附力和內(nèi)聚力的覆冰脫落判定準則進行修正，使之可對自然脫冰過程中的誘發(fā)脫冰效應進行模擬;通過與某單檔試驗線路的脫冰試驗進行比較，對修正后的覆冰脫落判定準則在輸電線路脫冰動力響應分析中的適用性和有效性進行驗證;隨后，對采用本文所提方法時覆冰輸電線路系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣的時變過程及特性進行推導和展示;然后對某單檔發(fā)生自然脫冰的線路，分別使用本文所提方法和以往的等效密度法進行數(shù)值模擬，通過兩者的對比進一步從數(shù)值仿真角度對本文所提覆冰脫落判定準則的可靠性和有效性進行驗證，并對使用兩種方法的差異進行說明。最后，通過建立一段三檔線路模型，對初始脫冰量、初始脫冰位置及方式和初始脫冰速度等因素對輸電線路系統(tǒng)脫冰動力響應的影響進行系統(tǒng)研究，為易覆冰地區(qū)的線路設計和安全運行提供參考。

4導線覆冰舞動對線路安全運行的影響

統(tǒng)計資料表明，分裂導線比單導線容易舞動。單導線覆冰時，因偏心覆冰形成的偏心力矩使導線產(chǎn)生繞自身軸線的轉(zhuǎn)動，由于扭轉(zhuǎn)剛度小，在偏心覆冰作用下導線易發(fā)生很大扭轉(zhuǎn)，導線可能產(chǎn)生相對均勻的對稱覆冰，使線路不易發(fā)生舞動。而分裂導線覆冰時，在子導線產(chǎn)生偏心覆冰后，因間隔棒線夾握力的存在，導線很難產(chǎn)生繞自身軸線的轉(zhuǎn)動，每根子導線的相對扭轉(zhuǎn)剛度比單導線大得多，在偏心覆冰作用下，導線的扭轉(zhuǎn)極其微小，不能阻止導線覆冰的不對稱性，導線覆冰易形成扇形、新月形、D形等形狀的不均勻覆冰，從而對風激勵形成正反饋，使得系統(tǒng)能量積聚，最終失穩(wěn)導致舞動，使得分裂導線相對于單導線更易舞動。大截面導線比小截面易舞動。大截面導線的相對扭轉(zhuǎn)剛度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭轉(zhuǎn)角要小，導線覆冰更易形成翼形斷面，在風激勵作用下，產(chǎn)生的升力和扭矩要大些。

結語

1）在實際的脫冰問題中，須先在端部分步脫冰，其次在中間分步脫冰，可以有效地減小跳躍高度.2）不同負載情況，相同脫冰工況導線的脫冰響應規(guī)律基本相同，幅值成正相關，覆冰量越大，導線脫冰振動幅值越大，滿足式（1）.3）模擬和試驗的位移曲線規(guī)律相同，驗證了模擬方法的正確性，為模擬工作提供了參考.

參考文獻：

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[2]陸彬，高山，孫遜，等.不同直徑下導線覆冰增長特性[J].高電壓技術，2014，40（2）：458-464.

作者簡介：

劉雙，出生年月：1985.02.15，性別：男，民族：漢，籍貫：河北保定市清苑區(qū)，學歷：科，職稱：工程師，研究方向：輸線電路方向。

（作者單位：保定吉達電力建設集團有限責任公司線路分公司）