懸跨比對輸電線路脫冰跳躍動態(tài)響應(yīng)影響

馮展浩，陽林，郝艷捧，李立浧

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641)

空氣中的過冷卻水滴在氣溫較低時凝固于導線表面而使導線覆冰[1-2]，導線的覆冰在適宜的溫度、風速或者外力作用下易發(fā)生均勻或非均勻脫落而導致脫冰跳躍。脫冰跳躍會使導線大幅度上下擺動，對絕緣子串、金具、鐵塔等造成較大的動態(tài)拉力[3]。在導線檔距較大、覆冰較厚、懸跨較小的情況下破壞作用更加明顯，可能引起桿塔或金具受損，甚至發(fā)生絕緣子串斷裂、導線斷線、倒塔等機械事故。據(jù)2008年的南方冰災(zāi)的災(zāi)后調(diào)查顯示，冰災(zāi)中90%左右的倒塔事故都是由于導線覆冰及脫冰所致[4]。此外，脫冰跳躍的發(fā)生將使各相導線之間或相地線之間的空氣間隙減小，當其小于相應(yīng)的絕緣間隙要求時，會引起閃絡(luò)、跳閘等電氣事故[5-7]。2016，烏魯木齊八鋼地區(qū)因脫冰跳躍導致3次相間閃絡(luò)事故，涉及3條220 kV線路[8]。因此，研究輸電線路脫冰跳躍動態(tài)位移及張力特性對輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計和絕緣配合設(shè)計具有重要意義。

我國專家學者對輸電線路脫冰跳躍動態(tài)響應(yīng)的影響因素開展了較多的研究。清華大學孟曉波、王黎明以及武漢大學陳勇等開展不同檔距組合、不同脫冰方式下的脫冰跳躍仿真與試驗，研究了脫冰量、檔距組合、導線參數(shù)、脫冰位置、間隔棒等對跳躍高度的影響[9-12]。西安工程大學黃新波等研究了檔距組合對縱向不平衡張力及脫冰跳躍高度的影響[13]。清華大學王黎明及華北電力大學王璋奇等研究了脫冰方式對動態(tài)張力、跳躍高度的影響[4,14-15]。華北電力大學董永星等開展了分裂導線脫冰動力響應(yīng)特性的研究[16]。三峽大學江全才及重慶大學劉敏等分別研究了風速對脫冰跳躍高度、導線應(yīng)力和導線不平衡張力的影響[17-18]。

華北電力大學楊文剛等模擬單導線脫冰，發(fā)現(xiàn)當懸跨比不同的導線脫冰時，所引起動態(tài)張力響應(yīng)不同，脫冰后最大動態(tài)張力值和動態(tài)張力峰峰值均隨懸跨比的減小而增大，其動態(tài)張力衰減特性需要進一步試驗研究[19]。此外，懸索理論指出懸跨比通過影響懸索結(jié)構(gòu)的松緊程度使其彈性模量發(fā)生改變[20]。相同的覆冰條件下，存儲于懸跨比較小的導線上的彈性勢能多，其脫冰跳躍動態(tài)位移響應(yīng)更加劇烈，而目前鮮有文獻對此開展試驗研究；因此，有必要進一步研究懸跨比對脫冰跳躍動態(tài)位移及張力特性的影響。

本文搭建耐張段輸電線路脫冰跳躍試驗平臺，開展不同懸跨比下均勻脫冰試驗；利用位移采集模塊及動態(tài)張力采集模塊獲得導線脫冰跳躍動態(tài)響應(yīng)；通過對比分析，研究懸跨比對脫冰跳躍動態(tài)位移與動態(tài)張力特性的影響。

1 脫冰跳躍試驗平臺

1.1 覆冰模擬

受實驗室條件限制，在模擬試驗中難以實現(xiàn)理想的覆冰條件。目前，脫冰跳躍模擬試驗主要采用集中荷載法進行覆冰與脫冰的模擬，即將集中荷載離散地分布在輸電線表面。武漢大學陳勇以及華北電力大學王璋奇等人經(jīng)過數(shù)值仿真計算及試驗，證明采用集中荷載法和真實覆冰的導線脫冰跳躍位移曲線和張力變化曲線基本吻合[12,15]?；诖耍疚牟捎眉泻奢d法模擬導線覆冰，單個集中荷載滿足：

(1)

式中：m為單位長度覆冰質(zhì)量，kg/m；ρ為冰的密度，900 kg/m3；D為直徑，m；b為冰厚度，m；M為單個集中載荷質(zhì)量，kg；L為模擬導線長度，m；n為集中載荷個數(shù)。

試驗選取10個集中荷載，并根據(jù)式(1)計算每個荷載重量。將荷載均勻懸掛于試驗導線上，并分別編號為1,2，…，10。

1.2 脫冰模擬

基于第1.1節(jié)所述集中荷載法原理，參照文獻[12,15]所述耐張段導線脫冰跳躍試驗平臺，本文搭建導線實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 導線脫冰跳躍試驗布置Fig.1 Ice-shedding test layout

在圖1的試驗平臺中，脫冰跳躍試驗?zāi)K由輸電線、模擬覆冰以及兩端的支撐反力架組成。忽略絕緣子形狀的影響，采用質(zhì)量為0.35 kg的鋼直棒替代絕緣子，并將試驗導線等高懸掛于支撐反力架上，導線參數(shù)見表1。脫冰控制模塊利用系統(tǒng)總線電磁鐵的釋放來模擬覆冰脫落。位移采集模塊由高速攝像機組成，用于記錄檔距中點位移情況。標尺與導線之間的距離遠小于導線與攝像機之間的距離[21]。動態(tài)張力采集模塊由拉力傳感器組成，將傳感器串接入懸掛點處，實時測量導線動態(tài)張力，并利用后臺軟件處理測量值獲得脫冰跳躍張力變化曲線，試驗布置如圖2所示。

表1 導線參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of the conductor

1.3 試驗工況

利用上述試驗平臺，開展整檔均勻脫冰試驗。為了研究懸跨比對脫冰跳躍動態(tài)位移及張力的影響，設(shè)置沒發(fā)生覆冰情況下導線懸跨比分別為0.25∶20、0.35∶20、0.45∶20，設(shè)置覆冰厚度分別為6 mm及9 mm，試驗工況見表2。為了排除偶然性因素的影響，每個試驗工況均至少開展3次試驗。

圖2 脫冰跳躍試驗現(xiàn)場布置Fig.2 Site layout of ice-shedding test

表2 脫冰試驗工況Tab.2 Ice-shedding test cases

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

在設(shè)定的懸跨比和冰厚下，各次脫冰跳躍試驗中的靜態(tài)張力與弧垂相同，動態(tài)張力與位移特性相似，試驗呈現(xiàn)良好可重復(fù)性；因此在各工況下，取其中一次試驗結(jié)果進行分析。

覆冰前后張力與弧垂特性見表3，其中Ta為覆冰前導線張力，Tb為覆冰后導線張力，Ta/Tb為覆冰前后張力比值，Δf為覆冰前后弧垂差。

表3 覆冰前后張力與弧垂特性Tab.3 Tension and sag characteristics before and after icing

由表3可知：導線覆冰前后張力比值及弧垂差均隨導線初始懸跨比增加而減小。2種覆冰條件下，Ta/Tb最大值分別為0.50和0.36；在相同懸跨比下，覆冰厚度較小時，Ta/Tb較大。而2種覆冰條件下，弧垂差Δf最大值分別為0.09 m和0.15 m；在相同懸跨比下，覆冰厚度較小時Δf較小。

各工況下動態(tài)張力與位移測量結(jié)果如圖3—4所示。由圖3—4可知：受導線自阻尼的影響，脫冰跳躍是一個位移與張力震蕩衰減過程；在每個運動周期內(nèi)，動態(tài)張力最大值出現(xiàn)在導線回落至最低點的時刻。

圖3 張力時域波形圖 Fig.3 Tension time-domain waveform

圖4 位移時域波形圖Fig.4 Displacement time-domain waveform

從能量轉(zhuǎn)化的角度分析脫冰跳躍的動態(tài)張力變化：覆冰從導線脫落后，存儲于導線中的彈性勢能得到釋放，轉(zhuǎn)換為導線的動能和重力勢能使其向上跳起；在此過程中，導線張力不斷減小，導線系統(tǒng)內(nèi)部能量互相轉(zhuǎn)化；隨后，導線動能逐漸減小至零也即運動到最高點后，重力勢能、動能和彈性勢能開始重新分配使導線回落。如此反復(fù)形成動態(tài)變化的張力。

2.2 懸跨比對脫冰跳躍最大高度的影響

由圖4可知，脫冰跳躍最大高度均出現(xiàn)在脫冰后振動的第1周期內(nèi)。以脫冰前弧垂最低點為基準點，脫冰后導線所到達的最高點與基準點之間的距離稱為脫冰跳躍最大高度H。懸跨比對脫冰跳躍最大高度的影響如圖5所示。

由圖5可知，在相同覆冰條件下，懸跨比較小的線路脫冰后能達到更大的最大高度。減小懸跨比會使導線愈發(fā)繃緊，而張緊索在一定的加載范圍內(nèi)可視為線彈性，其彈性模量比松弛索高[20]；因此，存儲于其內(nèi)的彈性勢能也越多，使其能達到的最大高度越大。

設(shè)相同覆冰工況下不同懸跨比下導線脫冰跳躍高度差為ΔH。在覆冰厚度為6 mm、9 mm工況下，3種懸跨比下最大跳躍高度差值ΔH占檔距L的百分比分別為0.95%、0.88%、0.64%。這表明，增加懸跨比可使由覆冰厚度不同而引起的脫冰跳躍高度之間的差異減小。以上分析表明，增加懸跨比可使導線脫冰跳躍能力減弱。

圖5 脫冰跳躍最大高度特性Fig.5 Characteristic of maximumice-shedding jump height

2.3 懸跨比對振動幅值衰減的影響

導線脫冰后在第1個周期內(nèi)達到最大高度,記為H1，隨后振動幅值由脫冰跳躍最大高度逐漸衰減至脫冰后靜態(tài)高度。記Hn為第n周期的振動幅值(n=2,3,4,5)，并以其占最大跳躍高度的比值衡量其衰減特性，見表4。

由表4可知：在相同覆冰工況下，各個振動周期內(nèi)Hn/H1隨懸跨比增加而減小；2種覆冰工況下，當懸跨比增加至0.45∶20時，脫冰后第5個周期的振動幅值可衰減至最大跳躍高度的50%及以下，明顯快于懸跨比較小的情況。由此說明增加懸跨比可加快導線脫冰跳躍振動幅值衰減速度。

表4 脫冰跳躍振動幅值衰減特性Tab.4 Amplitude attenuation characteristics after ice-shedding

2.4 懸跨比對脫冰跳躍動態(tài)張力的影響

脫冰跳躍動態(tài)特性見表5。其中，Tmax為最大動態(tài)張力，Tmin為最小動態(tài)張力。各個工況下脫冰跳躍最大動態(tài)張力與最小動態(tài)張力之間的差值為動態(tài)張力峰-峰值ΔT。

表5 脫冰跳躍動態(tài)張力特性Tab.5 Characteristics of dynamic tension after ice-shedding

由表5可知：各脫冰工況下的最大動態(tài)張力均小于脫冰前的靜態(tài)張力，最小動態(tài)張力均小于覆冰前張力；最大動態(tài)張力及最小動態(tài)張力均隨懸跨比增加而減小；當懸跨比為0.25∶20、0.35∶20和0.45∶20，覆冰厚度為6 mm時導線脫冰后的動態(tài)張力峰-峰值分別為243 N、189 N和114 N，在覆冰厚度為9 mm時分別為357 N、298 N和170 N?？梢姡瑒討B(tài)張力峰-峰值也具有相同的變化規(guī)律。

文獻[7]指出：最大動態(tài)張力占覆冰后的靜態(tài)張力百分比Tmax/Tb能夠反映能量消散情況，該值越大說明能量消散越慢，導線越容易回到起始覆冰狀況；最小動態(tài)張力占覆冰后的靜態(tài)張力百分比Tmin/Tb能夠反映導線跳躍能力，該值越大導線跳躍能力越強。同時由表5可知：在2種覆冰工況下Tmax/Tb最大值分別為0.78與0.70，分別出現(xiàn)在懸跨比為0.25∶20的情況下，該比值隨懸跨比增加而減小，說明增加懸跨比可加快脫冰后能量消散速度；在2種覆冰工況下Tmin/Tb最大值分別為0.30與0.18，其變化規(guī)律與Tmax/Tb的變化規(guī)律類似。再次說明增加懸跨比可降低脫冰跳躍能力。

2.5 懸跨比對脫冰跳躍動態(tài)張力衰減特性的影響

文獻[15]稱脫冰前導線的靜態(tài)張力與脫冰后導線的靜態(tài)張力之間的差值為衰減幅值。第1個振動周期衰減總幅值的百分數(shù)見表6。

表6 動態(tài)張力第1周期衰減百分數(shù)Tab.6 Attenuation percentage of dynamic tension in the first cycle

由表6知:當懸跨比增加至0.45∶20時，脫冰后第1個振動周期內(nèi)動態(tài)張力衰減幅度占總幅度的百分比最大;在覆冰厚度為6 mm、9 mm的條件下分別為86%與74%;在相同覆冰條件下，該百分比值隨懸跨比增加而增加，說明懸跨比較大的導線脫冰后系統(tǒng)能量消散較快。

3 結(jié)論

本文搭建耐張段導線模型，采用集中荷載法開展脫冰跳躍模擬試驗，分析脫冰跳躍最大高度、振動幅值衰減特性，研究動態(tài)張力及其衰減特性，探討了懸跨比對脫冰跳躍響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：

a)由于張緊索彈性模量高于松弛索，在相同的覆冰條件下，存儲于懸跨比較小的導線內(nèi)的彈性勢能較大，使得導線脫冰后跳躍能達到更大的最大高度。此外，增加懸跨比可使由覆冰厚度不同引起的脫冰跳躍最大高度差異減小。

b)增加懸跨比可加快導線脫冰跳躍振動幅值衰減速度。當懸跨比增加至0.45∶20時，脫冰后第5個周期的振動幅值可衰減至最大跳躍高度的50%及以下。

c)脫冰跳躍最大動態(tài)張力、最小動態(tài)張力及動態(tài)張力峰-峰值均隨懸跨比增加而減?。煌瑫r，增加懸跨比使首個振動周期動態(tài)張力衰減幅度增加。當懸跨比增加至0.45∶20時，2種覆冰工況下脫冰后第1個振動周期內(nèi)動態(tài)張力衰減幅度占總幅度70%以上。因此，增加懸跨比可使導線跳躍能力減弱，能量消散加快，從而提高線路抗冰能力。