輸電線路爆破除冰動(dòng)態(tài)特性*

謝東升，孫 滔，史卓鵬，智生龍，史淋升，李海濤

（1. 國(guó)網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西 太原 030002；2. 中北大學(xué)理學(xué)院，山西 太原 030051）

電力系統(tǒng)是重要的生命線工程，保證它的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。輸電線路覆冰是威脅電力系統(tǒng)安全的重要因素之一，嚴(yán)重覆冰造成的線路過(guò)載荷和脫冰引起的導(dǎo)線舞動(dòng)可能導(dǎo)致相間閃絡(luò)、金具損壞、跳閘停電等故障，甚至斷線倒塔等嚴(yán)重事故[1-2]。因此，覆冰輸電線路的除冰防治技術(shù)是電網(wǎng)建設(shè)中急需解決的重要課題之一。

目前，實(shí)際應(yīng)用的輸電線路除冰方法主要有熱力融冰、機(jī)械除冰和被動(dòng)除冰三類(lèi)[3]。熱力融冰是利用附加熱源或?qū)Ь€自身發(fā)熱，使冰雪無(wú)法在導(dǎo)線上積累生長(zhǎng)或使覆冰融化，熱力融冰雖然除冰效果明顯，但換流設(shè)備費(fèi)用高且能耗較大；機(jī)械除冰利用機(jī)械外力使導(dǎo)線上的覆冰破碎脫落，除冰能耗小、費(fèi)用低，但除冰效率低且需要人工參與[4]；被動(dòng)除冰通過(guò)在導(dǎo)線上安裝阻雪環(huán)、平衡錘等裝置，在覆冰達(dá)到一定厚度時(shí)，在風(fēng)力、溫度和重力等作用下使覆冰自然脫落，該方法除冰偶然性大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠除冰。此外，機(jī)器人除冰[5]、激光除冰[6]、超聲波除冰[7]等除冰技術(shù)也取得了一定的成效，但目前尚缺乏一種經(jīng)濟(jì)高效、操作簡(jiǎn)便的除冰技術(shù)。

近年來(lái)，宋巍等[8]、謝東升等[9]提出了將線性裝藥預(yù)設(shè)在輸電線路上，通過(guò)爆破的方法去除部分線路覆冰的新思路，并通過(guò)小尺寸覆冰輸電線的爆破實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了藥量和裝藥間距對(duì)除冰效果的影響，初步驗(yàn)證了爆破除冰的可行性，但未考慮除冰時(shí)脫冰振蕩對(duì)輸電線路的影響。覆冰脫落會(huì)引發(fā)輸電線大幅振蕩，可能會(huì)誘使其他位置的覆冰陸續(xù)脫落，除冰不當(dāng)容易引發(fā)安全事故，因此有必要進(jìn)一步對(duì)爆破載荷作用下輸電線的動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行研究。

目前，已有實(shí)驗(yàn)[10-12]和數(shù)值模擬[13-15]對(duì)輸電線路覆冰脫落的一系列研究，主要針對(duì)輸電線覆冰自然脫落的情形，對(duì)爆破載荷作用下線路脫冰的研究卻鮮有報(bào)道。本文中，設(shè)計(jì)單檔輸電線爆破除冰模型實(shí)驗(yàn)，使用實(shí)際的鋼芯鋁絞線、鋼絞線和光纖復(fù)合地線，采用爆破方式將輸電線的人工覆冰部分去除，模擬輸電線在爆破載荷作用下的脫冰振蕩。測(cè)量覆冰脫落過(guò)程中的檔中位移和端部張力，得到輸電線爆破除冰的動(dòng)力特性。此外，利用有限元方法對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，在確定模擬方法合理性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用模擬模型研究脫冰位置對(duì)輸電線爆破除冰動(dòng)力特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

設(shè)計(jì)了檔距為50 m 的孤立檔輸電線路爆破除冰模型，輸電線采用2根LGJ-240/30型鋼芯鋁絞線、1根GJ-50鋼絞線和1根OPGW-24B1-50光纜，輸電線有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。輸電線兩端串入拉力傳感器懸掛在兩側(cè)的水泥電桿（導(dǎo)線通過(guò)橫擔(dān)懸掛）上，在輸電線檔中測(cè)點(diǎn)引出細(xì)鋼絲繩，連接測(cè)點(diǎn)正下方固定在地面的拉線位移傳感器，實(shí)驗(yàn)中鋼絲繩始終處于拉緊狀態(tài)。利用拉力傳感器和位移傳感器即可記錄除冰過(guò)程中輸電線的動(dòng)張力和檔中位移的變化情況，傳感器及安裝位置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖1 傳感器及安裝Fig.1 Installation of sensors

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experimental model

表1 輸電線物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of transmission lines

拉線位移傳感器為EY503-5000系列，量程5 000 mm，傳感器精度5 mm；拉力傳感器為STC-1 500 kg，并利用DH3820高速靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集并輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采樣頻率為50 Hz。

在輸電線爆破除冰實(shí)驗(yàn)中，先在輸電線指定位置敷設(shè)導(dǎo)爆索，然后采用人工方式使輸電線表面真實(shí)覆冰，當(dāng)覆冰達(dá)到一定厚度時(shí)通過(guò)引爆導(dǎo)爆索去除單根輸電線指定位置的覆冰，觀察除冰效果及輸電線振蕩對(duì)線路其他位置覆冰的影響，并測(cè)量脫冰振蕩過(guò)程中輸電線位移和張力的變化。將導(dǎo)爆索敷設(shè)在導(dǎo)線1、地線3和光纜4上，導(dǎo)線2不敷設(shè)導(dǎo)爆索，用于觀察同檔輸電線爆破除冰時(shí)對(duì)該導(dǎo)線覆冰的影響。自然條件下，在較長(zhǎng)線路進(jìn)行人工覆冰很難準(zhǔn)確控制覆冰的均勻程度，不便于在相同覆冰條件下進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，因此分別對(duì)三種輸電線進(jìn)行一次爆破除冰實(shí)驗(yàn)，通過(guò)有限元方法對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行模擬驗(yàn)證，再進(jìn)一步利用數(shù)值模擬研究爆破位置對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。實(shí)驗(yàn)中，為消除爆破位置特殊性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，輸電線上的導(dǎo)爆索采用隨機(jī)敷設(shè)，導(dǎo)線、地線和光纜分別間隔敷設(shè)3段、2段和1段導(dǎo)爆索，同一輸電線上導(dǎo)爆索之間使用導(dǎo)爆管連接，且通過(guò)導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行引爆，輸電線上導(dǎo)爆索敷設(shè)位置如圖3所示，實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

圖3 導(dǎo)爆索敷設(shè)Fig.3 Setting of detonating cord

表2 實(shí)驗(yàn)工況Table 2 Conditions of experiment

采用塑料導(dǎo)爆索太安裝藥（PETN），外徑為5 mm，裝藥線密度約為11 g/m。導(dǎo)爆索等間距平行敷設(shè)在導(dǎo)線下側(cè)，間距為50 mm。導(dǎo)爆索敷設(shè)完成后，對(duì)輸電線進(jìn)行人工覆冰。在室外環(huán)境?15～?10℃條件下，利用高壓噴霧裝置在線路附近緩慢均勻噴射0℃水霧，連續(xù)作業(yè)2～3 h，完成模型線路覆冰。由于人工覆冰的線路較長(zhǎng)，且覆冰情況受氣溫、風(fēng)速等氣象條件的影響，線路覆冰并不均勻，厚度最大25 mm、最小10 mm，且形成了冰掛，類(lèi)似凍雨天氣下輸電線上形成的雨凇，如圖4所示。為與預(yù)敷導(dǎo)爆索的輸電線自然覆冰情況相符，在人工覆冰過(guò)程中未對(duì)導(dǎo)爆索進(jìn)行防護(hù)，因此導(dǎo)爆索表面也被覆冰包裹。覆冰完成后，采用單點(diǎn)起爆方式對(duì)輸電線進(jìn)行爆破除冰實(shí)驗(yàn)，觀察各工況下爆破除冰效果，并獲得了測(cè)點(diǎn)位移和動(dòng)張力的時(shí)程響應(yīng)。

圖4 架空線表面人工覆冰Fig.4 Artificial icing on surfaceof overhead transmission line

2 有限元數(shù)值模擬

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及爆破載荷作用下覆冰脫落的動(dòng)力效應(yīng)，使用有限元軟件ABAQUS對(duì)實(shí)驗(yàn)線路進(jìn)行建模，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)各實(shí)驗(yàn)工況輸電線檔中位移和端部張力進(jìn)行比較驗(yàn)證；進(jìn)一步研究除冰位置對(duì)輸電線脫冰動(dòng)力效應(yīng)的影響，并與相同條件下自然脫冰的動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。

在有限元軟件ABAQUS中，采用梁?jiǎn)卧M角鋼橫擔(dān)，采用不可壓縮混合桿單元T3D2H 模擬輸電線，忽略水泥電桿的變形并簡(jiǎn)化為剛體，采用附加冰單元法模擬輸電線覆冰脫落，忽略覆冰的不均勻性，覆冰截面形狀簡(jiǎn)化為等截面圓環(huán)，用B31管梁?jiǎn)卧M，冰單元與導(dǎo)線單元采用共節(jié)點(diǎn)綁定，覆冰密度設(shè)為0.92 g/cm3，彈性模量設(shè)為1 GPa。按照實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嚓P(guān)參數(shù)信息建立有限元模型，并依據(jù)覆冰前測(cè)量的輸電線檔中弧垂（見(jiàn)表3）對(duì)線路進(jìn)行找形分析，確定輸電線自重作用下的形態(tài)。再在輸電線模型上添加覆冰單元，根據(jù)覆冰前后檔中弧垂的變化，確定了覆冰單元的等效厚度以及輸電線覆冰后的形態(tài)。

表3 覆冰前后輸電線檔中弧垂及等效覆冰厚度Table 3 Sag of mid-point and equivalent thickness of transmission linebefore and after icing

模擬中，爆破載荷采用在單元節(jié)點(diǎn)上施加爆炸三角波載荷實(shí)現(xiàn)，三角波載荷利用CONWEP[16]方法計(jì)算得到，忽略了導(dǎo)爆索覆冰對(duì)爆炸效果的影響。該計(jì)算方法通過(guò)裝藥量和爆炸傳播距離得到爆炸載荷的峰值以及持續(xù)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)所用導(dǎo)爆索裝藥密度為11 g/m，導(dǎo)爆索與導(dǎo)線的間距為50 mm，計(jì)算得到簡(jiǎn)化爆炸三角波的峰值為80 kN/m2，正壓持續(xù)時(shí)間約為20μs。

爆破載荷作用下覆冰脫落與否采用內(nèi)聚力黏附力判定準(zhǔn)則[17]進(jìn)行判別，即覆冰受到的鉛垂方向慣性力大于覆冰與輸電線接觸面的黏附力或覆冰內(nèi)部的內(nèi)聚力時(shí)脫離輸電線。加速度形式的覆冰脫落判定準(zhǔn)則為[17]：

式中：Dcable為輸電線的外徑（m）；D為覆冰輸電線的總外徑（m）；τad和τco為覆冰單元的黏結(jié)應(yīng)力和內(nèi)聚應(yīng)力（Pa）；ρice為覆冰密度（kg/m3）。當(dāng)覆冰的鉛垂方向加速度達(dá)到臨界加速度acritial時(shí)，判定覆冰單元失效。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中輸電線的相關(guān)參數(shù)，且人工覆冰的內(nèi)聚強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度分別取0.03和0.2 MPa[18]，由式（1）可計(jì)算得到導(dǎo)線、地線和光纜的臨界加速度acritial分別為8 382、8 439和8 409 m/s2。為充分考慮脫冰對(duì)輸電線路的影響，出于安全考慮，模擬中選三者最小值（8 382 m/s2）作為覆冰脫落準(zhǔn)則的臨界加速度。

模擬中，覆冰脫落判定通過(guò)ABAQUS軟件中的場(chǎng)變量子程序USDFLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，將式（1）作為判定條件寫(xiě)入自定義子程序，作為覆冰單元脫落與否的判定。有限元分析過(guò)程中，子程序通過(guò)調(diào)用主程序中各單元的節(jié)點(diǎn)位移和時(shí)間增量，計(jì)算該時(shí)刻覆冰單元的加速度，并與設(shè)定的臨界加速度進(jìn)行比較，以此決定覆冰是否脫落。進(jìn)一步，子程序?qū)⑴卸槊撀涞母脖鶈卧芏群蛣偠茸優(yōu)榱?，從而?shí)現(xiàn)輸電線覆冰載荷的改變。

基于建立的實(shí)驗(yàn)線路有限元模型，模擬輸電線自然脫冰時(shí)，覆冰脫落采用單元生死的方法實(shí)現(xiàn)，即在動(dòng)力分析中，使用關(guān)鍵字Model Change使脫冰區(qū)域的覆冰單元失效，且模擬時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s[19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 除冰效果

三種工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在除冰線路振蕩停止后，輸電線爆破區(qū)域的覆冰完全去除，非爆破區(qū)域的覆冰依然附著在輸電線上。觀察脫落的覆冰可以看出：爆破區(qū)域迎爆面的覆冰在爆破作用下直接粉碎；且覆冰內(nèi)部形成了貫穿型裂紋，背部覆冰以塊狀解體脫落；非爆破區(qū)域的覆冰僅產(chǎn)生了細(xì)微裂紋，線路振蕩并未使其脫落，即未發(fā)生誘發(fā)脫冰現(xiàn)象，如圖5所示。此外，除冰時(shí)的爆破作用也未引起臨近輸電線的覆冰脫落。爆破除冰后輸電線表面未發(fā)現(xiàn)任何可見(jiàn)傷痕，說(shuō)明導(dǎo)爆索爆炸載荷及導(dǎo)爆索覆冰破碎形成的顆粒并未對(duì)輸電線表面造成損傷。

圖5 爆破后的線路覆冰情況Fig.5 Icing situation of overhead transmission line after blasting

各工況的模擬結(jié)果也顯示僅爆破區(qū)域的覆冰發(fā)生脫落，脫冰情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。以工況3為例，圖6為爆破除冰過(guò)程中不同時(shí)刻導(dǎo)線加速度隨位置的變化曲線。在起爆時(shí)刻爆破區(qū)域覆冰的加速度達(dá)到了233 km/s2，遠(yuǎn)大于覆冰脫落的臨界加速度8 382 m/s2，因此爆破區(qū)域覆冰脫落失效；除冰振蕩過(guò)程中非爆破區(qū)域輸電線加速度在8.29 ms時(shí)達(dá)到最大值108.8 m/s2，小于臨界加速度，所以輸電線振蕩未引起非爆破區(qū)域的覆冰脫落。

圖6 不同時(shí)刻導(dǎo)線加速度隨位置的變化Fig.6 Acceleration curvesof conductor with position at different times

3.2 跳躍高度和動(dòng)張力

對(duì)爆破除冰過(guò)程中輸電線的跳躍幅值和端部動(dòng)張力進(jìn)行分析，除冰開(kāi)始時(shí)刻設(shè)置為1 s。圖7～9為三種工況輸電線的檔中位移和動(dòng)張力曲線，圖中同時(shí)給出了數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可見(jiàn)：檔中位移模擬曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，模擬得到的跳躍幅值與實(shí)驗(yàn)值接近，誤差均小于6%；動(dòng)張力模擬結(jié)果在脫冰振蕩初期與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，動(dòng)張力峰值及出現(xiàn)時(shí)刻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致。這說(shuō)明，除冰過(guò)程中導(dǎo)爆索覆冰破碎對(duì)輸電線動(dòng)態(tài)特性的影響較小，可忽略影響。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的差異主要因模擬中采用均勻覆冰模型及對(duì)爆破載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化所致。

圖7 工況1檔中位移和端部張力Fig.7 Mid-point displacement and end tensions under condition 1

圖8 工況2檔中位移和端部張力Fig.8 Mid-point displacement and end tensions under condition 2

圖9 工況3檔中位移和端部張力Fig.9 Mid-point displacement and end tensions under condition 3

爆破除冰時(shí)，爆破作用使爆破區(qū)域的覆冰脫落，由該區(qū)域覆冰而蓄積在輸電線中的彈性勢(shì)能得到釋放；另外，爆破載荷的沖擊作用使爆破區(qū)域輸電線獲得了向上的初始速度。兩方面的作用使輸電線快速向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中彈性勢(shì)能、動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，引發(fā)輸電線往復(fù)振蕩，與相同條件的自然脫冰相比，爆破沖擊作用使輸電線的振蕩更劇烈。由圖7～9可知，輸電線的跳躍幅值及動(dòng)張力最大最小值均出現(xiàn)在第一個(gè)振蕩周期內(nèi)，檔中最大反向位移明顯大于覆冰后的靜態(tài)位移，相對(duì)應(yīng)地，動(dòng)張力峰值與靜態(tài)張力相比也有顯著增大。

3.3 爆破位置對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

自然脫冰條件下輸電線跳躍幅值及動(dòng)張力幅值均隨脫冰量增加而增大[20-21]，而爆破除冰時(shí)輸電線動(dòng)力效應(yīng)較自然脫冰更顯著，因此采用爆破方法除冰時(shí)單次脫冰量不宜過(guò)大。當(dāng)脫冰量一定時(shí)，為確定更安全的爆破除冰方式，有必要分析爆破位置對(duì)除冰動(dòng)態(tài)特性的影響。

基于建立的實(shí)驗(yàn)線路有限元模型，參考實(shí)驗(yàn)工況的爆破長(zhǎng)度，選取爆破除冰量為20%，覆冰厚度設(shè)為12.5 mm，模擬了不同位置施加爆破載荷的除冰過(guò)程，并與相同條件下自然脫冰的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

比較兩種脫冰方式下輸電線的跳躍幅值，如圖10所示。其中，輸電線脫冰位置和跳躍最高點(diǎn)位置為歸一化后的數(shù)值，即為脫冰段中點(diǎn)到最左端的距離與檔距的比值。兩種脫冰方式下輸電線的跳躍幅值隨脫冰位置的變化趨勢(shì)較相似：脫冰位置不在端部時(shí)，跳躍最大點(diǎn)均出現(xiàn)在脫冰段中點(diǎn)附近，且不同脫冰位置跳躍幅值接近；脫冰位置在端部時(shí)，跳躍最大點(diǎn)位于脫冰段靠近檔中一側(cè)邊緣附近，且跳躍幅值最小，這是由于靠近掛點(diǎn)處輸電線剛度較大。相同位置脫冰時(shí)，爆破除冰的跳躍幅值均大于自然脫冰，且除冰位置在端部時(shí)，爆破作用使跳躍幅值增長(zhǎng)最明顯。三類(lèi)輸電線中，地線和光纜重量較輕，爆破作用對(duì)跳躍幅值的影響更顯著，與相同位置自然脫冰相比跳躍幅值增幅均超過(guò)了40%，最大增幅超過(guò)了110%，而導(dǎo)線最大增幅僅為26%。

圖10 不同脫冰位置輸電線的跳躍幅值Fig.10 Jumping amplitude of conductor at different de-icing positions

圖11為兩種脫冰方式下動(dòng)張力峰值隨脫冰位置的變化。由圖可知，爆破除冰時(shí)動(dòng)張力峰值隨脫冰位置的變化趨勢(shì)與自然脫冰時(shí)相似，即脫冰位置越靠近檔中，動(dòng)張力峰值越小。相同位置脫冰時(shí)，爆破除冰的動(dòng)張力峰值均大于自然脫冰；而脫冰位置對(duì)兩種方式動(dòng)張力峰值的變化幅值影響較小，各工況下動(dòng)張力峰值的變化均在4.5%～10.5%。除檔中位置外，三種輸電線其他位置爆破時(shí)動(dòng)張力峰值均大于除冰前的靜態(tài)張力。

圖11 不同脫冰位置輸電線動(dòng)張力峰值Fig.11 Peak values of dynamic tension of transmission line at different de-icing positions

4 結(jié) 論

建立了檔距為50 m 的孤立檔輸電線路模型，進(jìn)行了爆破除冰實(shí)驗(yàn)，利用有限元軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了模擬，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果一致，驗(yàn)證了模擬方法的正確性。在此基礎(chǔ)上，研究了20%脫冰量的情況下，脫冰位置對(duì)輸電線路動(dòng)態(tài)效應(yīng)的影響，得到以下結(jié)論。

（1）對(duì)于雨凇及黏結(jié)強(qiáng)度大的覆冰，適當(dāng)條件下進(jìn)行爆破除冰，只會(huì)引起輸電線爆破區(qū)域的覆冰發(fā)生脫落，利用此性質(zhì)，可以控制輸電線的脫冰量，避免由于不可控的誘發(fā)脫冰造成事故。

（2）爆破除冰時(shí)，輸電線的跳躍幅值及動(dòng)張力最大、最小值均出現(xiàn)在第一個(gè)振蕩周期內(nèi)，檔中最大反向位移大于覆冰后的靜態(tài)位移。

（3）輸電線爆破除冰的跳躍幅值均大于相同位置的自然脫冰，跳躍幅值隨位置的變化趨勢(shì)與自然脫冰相似。三種輸電線中，地線和光纜的跳躍幅值受爆破作用影響更顯著。

（4）爆破位置越靠近檔中，輸電線動(dòng)張力峰值越小。相同位置除冰時(shí)，爆破作用使動(dòng)張力峰值大于自然脫冰的，且增長(zhǎng)程度受脫冰位置影響較小。除檔中位置外，輸電線爆破除冰的動(dòng)張力峰值均大于除冰前的靜態(tài)張力。