大跨度長波天線伴熱帶融冰及力學仿真研究*

曹 誠

（海參信息通信局，北京 100841）

0 引言

某型長波天線頂線呈“之”字形排列，跨越在兩高山之間，海拔高度約1 200 m，天線跨度約3.0 km，天線下引線（輻射體）引接到山腰的高壓饋籠，長約400 m。受極端惡劣天氣影響，天線導線發(fā)生嚴重裹冰現(xiàn)象，導線的裹冰厚度遠遠超過設(shè)計極限值，存在極大的安全隱患。為消除未來不確定性天氣因素對天線導線造成的斷裂脫落影響，保證天線正常工作，提高天饋線系統(tǒng)的可靠性，擬采取科學合理的融冰措施，減少天線導線的裹冰現(xiàn)象，并及時除冰，減輕導線上的受力。單根天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 單根天線結(jié)構(gòu)

近年來，關(guān)于導線融冰的研究已有一些研究成果。例如，文獻[1]以覆冰導線為研究對象，根據(jù)熱平衡方程建立焦耳熱融冰的數(shù)學模型，用于導線融冰裝置融冰時間和電流的計算；文獻[2]主要綜述輸電線路融冰的基本方案，建立輸電線路融冰的物理模型，并結(jié)合物理模型對輸電線路融冰進行仿真計算分析；文獻[3-4]主要對伴熱帶在海洋工程中的選型計算方法及應(yīng)用進行研究。

本文以該型大跨度長波天線為研究對象，對天線導線的融冰方法進行研究，綜合考慮各種融冰方法后，采用電伴熱帶方式進行融冰。對文中提出的3 種伴熱帶融冰方案后的天線進行力學分析，得出對應(yīng)3 種方案天線可承受的最大裹冰厚度，結(jié)果表明采取伴熱帶融冰方案滿足使用和規(guī)范要求。

1 天線導線融冰方案及原理

目前，輸電線路的除冰方法主要有自然被動方式、機械除冰方式、化學涂料方式以及熱力融冰方式等[5-6]。其中，熱力融冰方式應(yīng)用較為成熟和廣泛。熱力融冰主要應(yīng)用電力及火力所產(chǎn)生的熱量將冰融化，分為接觸方式和非接觸方式。接觸方式在電力融冰方面應(yīng)用較多，分為交流和直流電加熱方式和伴熱帶融冰方式；非接觸式融冰方法包括激光融冰、微波融冰和噴焰融冰等方式。

對于天線融冰解決方案，除保證安全外，還要兼顧經(jīng)濟性、可行性、科學性以及靈活性等特點。比較合理可行的熱力融冰方式包括交直流加熱融冰、伴熱帶加熱融冰方式、激光融冰、火力融冰和微波融冰方式。

綜合考慮以上幾種融冰方式，電伴熱帶融冰方式是比較合理可行的融冰方案，加熱溫度可控，融冰效果明顯，應(yīng)用范圍較多，技術(shù)成熟。伴熱帶可以根據(jù)天線頂線和尾線在天線系統(tǒng)中所承擔的作用不同，設(shè)計不同形式的伴熱帶，使之滿足使用要求，既有效融冰又能保證系統(tǒng)的可靠工作，可有效避免融冰時對天線電氣和結(jié)構(gòu)性能的影響。

1.1 伴熱帶融冰原理

電伴熱的工作原理是通過伴熱媒體散發(fā)一定的熱量，通過直接或間接的熱交換補充被伴熱設(shè)備損失的熱量。采用溫度控制達到跟蹤和控制伴熱設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的溫度，以達到升溫、保溫或防凍的正常工作要求，使之維持在一個合理和經(jīng)濟的水平上。

電伴熱帶接通電源后，電流由一根線芯經(jīng)過導電的PTC 材料到另一線芯形成回路。電能使導電材料升溫，電阻隨即增加，當芯帶溫度升至某值后，電阻大到幾乎阻斷電流的程度，溫度不再升高，同時電伴熱帶向溫度較低的被加熱體系傳熱。電伴熱帶的功率主要受控于傳熱過程，隨被加熱體系的溫度自動調(diào)節(jié)輸出功率。

電伴熱是一種有效的管道或線纜保溫及防凍方式，一直被廣泛應(yīng)用。電伴熱溫度梯度小，熱穩(wěn)定時間較長，適合長期使用，所需的熱量（電功率）大大低于電加熱。電伴熱具有熱效率高、節(jié)約能源、設(shè)計簡單、施工安裝方便、無污染、使用壽命長、能實現(xiàn)遙控和自動控制等功能。

1.2 對伴熱帶的要求

根據(jù)多方調(diào)研，伴熱帶的長度不易超過2 km。太長影響伴熱帶的加熱性能，導致末端加熱效果不佳。目前，天線頂線長度范圍在1 300 m 左右，天線尾線長度范圍在740 m 左右。天線頂線和尾線長度均滿足伴熱帶長度的工作要求。

當伴熱帶附著在天線頂線上時，由于有屏蔽網(wǎng)的保護作用，且屏蔽網(wǎng)與輻射體均為同一材質(zhì)，接觸良好，不存在伴熱帶安裝在頂線產(chǎn)生的諸多問題，不會影響系統(tǒng)的工作，因此將伴熱帶緊固在頂線上是合理可行的。

當伴熱帶附著在天線尾線上時，由于尾線僅是受力牽引部件，不參與天線輻射，也不會影響系統(tǒng)的工作，因此將伴熱帶緊固在尾線上也是合理可行的。

2 伴熱帶融冰具體措施

2.1 電伴熱帶的選擇

恒功率型電伴熱帶在通電后功率輸出一直恒定，不會隨外界環(huán)境、保溫材料、伴熱的材質(zhì)變化而變化。它的功率輸出或停止通常由溫度傳感器來控制。恒功率型電伴熱帶分為兩類：并聯(lián)式恒功率電伴熱帶和串聯(lián)式恒功率電伴熱帶。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，電伴熱帶應(yīng)考慮如表1 所示的環(huán)境參數(shù)和要求。

表1 電伴熱帶應(yīng)考慮的環(huán)境參數(shù)和要求

根據(jù)尾線鋁絞線特點及上述環(huán)境條件要求，擬選用串聯(lián)聚合物絕緣伴熱帶。

2.2 伴熱帶融冰措施

常規(guī)伴熱帶多用于管道或液態(tài)物資的保溫，受力小，較少用于懸空狀態(tài)。伴熱帶需要與天線導線緊固一起，保證加熱效果。受山風的影響，天線處于微震狀態(tài)，需要加強伴熱帶的抗疲勞特性、老化和受力特性，使之能夠承受持續(xù)微震、紫外線照射以及下垂拉力等因素的影響。

本文天線采用的伴熱帶融冰裝置包括加強型伴熱帶、供電裝置和自動控制監(jiān)控裝置等，如圖2所示。根據(jù)伴熱帶的功耗，適當改造工頻供電線路，增加相應(yīng)的變壓器。

圖2 伴熱帶與尾線、輻射線聯(lián)接

3 伴熱帶融冰時天線受力分析

通過對天線加裝融冰裝置后裹冰極限狀態(tài)和最大風速狀態(tài)進行力學仿真，評估融冰裝置（伴熱帶）對天線結(jié)構(gòu)的影響以及天線裹冰和最大風速時的天線強度。

3.1 天線基本計算參數(shù)

天線示意圖見圖3。

圖3 天線示意

天線導線參數(shù)見表2、表3。

表2 天線導線參數(shù)1

3.2 計算工況

安裝狀態(tài)工況：風速v=0 m/s，溫度t=15 ℃，裹冰B=0mm。

計算極限工況1～4：風速v=0 m/s，溫度t=-5 ℃，天線平衡車處于頂端（假設(shè)此平衡車及擋墻均未損壞），融冰裝置安裝在尾線上融冰，即尾線（b段、d 段）無裹冰，頂線（c 段）和調(diào)節(jié)繩（a 段、e 段）上有裹冰，裹冰厚度分別為30 mm、37 mm、40 mm和45 mm。

表3 天線導線參數(shù)2

計算極限工況5～8：風速v=0 m/s，溫度t=-5 ℃，天線平衡車處于頂端（假設(shè)此平衡車及擋墻均未損壞），融冰裝置安裝在頂線上融冰，即頂線（c 段）無裹冰，尾線（b 段、d 段）和調(diào)節(jié)繩（a 段、e 段）上有裹冰，裹冰厚度分別為35 mm、40 mm、45 mm 和50 mm。

計算極限工況9：風速v=35 m/s，溫度t=15 ℃，裹冰B=0 mm，17 號線平衡車處于頂端（假設(shè)此平衡車及擋墻均未損壞）。

3.3 采用伴熱帶融冰方法時天線受力仿真

3.3.1 融冰裝置安裝在尾線時的天線受力仿真

利用ANSYS 軟件分別按安裝狀態(tài)工況、計算極限工況1～4 對天線進行力學計算仿真，計算結(jié)果見表4。

表4 尾線融冰時天線最大受力

安裝融冰裝置后，安裝狀態(tài)的天線形態(tài)及受力見圖4。

圖4 安裝狀態(tài)時天線形態(tài)及受力

頂線及調(diào)節(jié)繩分別裹冰30 mm、37 mm 時的天線形態(tài)及受力，見圖5 和圖6。

圖5 頂線及調(diào)節(jié)繩裹冰30 mm 時天線形態(tài)及受力

圖6 頂線及調(diào)節(jié)繩裹冰37 mm 時天線形態(tài)及受力

3.3.2 融冰裝置安裝在頂線時的天線受力仿真

利用ANSYS 軟件分別按安裝狀態(tài)工況、計算極限工況5～8 對天線進行力學計算仿真，計算結(jié)果見表5。

表5 頂線融冰時L17 導線最大受力

頂線及調(diào)節(jié)繩分別裹冰35 mm、45 mm 時的天線形態(tài)及受力，見圖7 和圖8。

圖7 尾線及調(diào)節(jié)繩裹冰35 mm 時天線形態(tài)及受力

3.3.3 尾線融冰和頂線融冰時天線受力比較

尾線融冰和頂線融冰的天線受力比較，見表6和表7。

圖8 尾線及調(diào)節(jié)繩裹冰45 mm 時天線形態(tài)及受力

表6 尾線融冰時天線受力比較

表7 頂線融冰時天線受力比較

從表6 和表7 可以看出，不同部位融冰會使天線導線受力有較大差別，因而天線能夠承受的裹冰厚度也不相同。在導線安全系數(shù)滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求的前提下：采用頂線融冰方式，天線能夠承受的裹冰厚度約為45 mm；采用尾線融冰方式，天線能夠承受的裹冰厚度約為37 mm。

3.3.4 融冰裝置安裝在頂線和尾線時天線受風仿真

按工況9 對天線進行力學仿真計算，計算結(jié)果見表8。

表8 天線最大受力（風速35 m/s）

天線在35 m/s 風荷載作用下的天線形態(tài)及受力見圖9。

圖9 35 m/s 風荷載作用時天線形態(tài)及受力

從圖9 可以看出，天線在35 m/s 風荷載作用下，導線安全系數(shù)滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求。

3.4 結(jié)果分析

通過對天線進行力學仿真可知，伴熱帶直徑小、重量輕，安裝后對天線導線張力影響小。不同部位的融冰方式使天線導線承受的裹冰厚度不同，頂線融冰方式比尾線融冰方式使天線承受的裹冰厚度更大。當尾線和頂線同時融冰時，天線在風速為35 m/s 風荷載作用下，導線安全系數(shù)滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過對伴熱帶融冰方式的詳細調(diào)研和認真分析，依據(jù)該天饋線系統(tǒng)的實際工作情況和特點，結(jié)合電伴熱帶融冰方案的特點和優(yōu)勢，取長補短，實現(xiàn)最優(yōu)選擇，提高了融冰方案的科學合理性，能夠達到融冰效果，保障系統(tǒng)的安全工作。伴熱帶融冰法在天線整體維修時易于實現(xiàn)、功耗低、重量輕、作用明顯、成本低且操作安全，對天線正常工作不產(chǎn)生影響。伴熱帶融冰方案滿足使用和規(guī)范要求，在結(jié)構(gòu)受力、融冰效果、經(jīng)濟性、安全性、可靠性方面均是可行的。