輸電線路拉鏈?zhǔn)矫摫駝?dòng)特性試驗(yàn)研究

謝東升，孫 滔，史卓鵬，智生龍，李海濤，白天明

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

1 引言

架空輸電線路覆冰在氣溫升高、自然風(fēng)力作用或人為振動(dòng)敲擊之下會(huì)產(chǎn)生不均勻或不同期脫冰[1]。脫冰會(huì)引起導(dǎo)線大幅度動(dòng)態(tài)舞動(dòng)，從而改變絕緣子串、金具、鐵塔等的受力和振動(dòng)形式，嚴(yán)重時(shí)可造成輸電桿塔折損、倒塔、斷線，金具損壞等事故。在導(dǎo)線脫冰跳躍過(guò)程中，將減小各相導(dǎo)線之間和導(dǎo)地線之間空氣間隙，當(dāng)小于相應(yīng)的絕緣間隙要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相間閃絡(luò)、跳閘等事故[2]。

目前，研究人員從理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真方面對(duì)導(dǎo)線覆冰脫落時(shí)的振動(dòng)特性開(kāi)展了相關(guān)研究，具體包含不同檔距長(zhǎng)度和組合、跨數(shù)、導(dǎo)線型號(hào)、脫冰量、脫冰位置、覆冰厚度、脫冰順序條件下導(dǎo)線的位移和張力、絕緣子串軸力、導(dǎo)線振型等方面。其中，在理論分析方面，伍川等[3]建立了連續(xù)檔線路脫冰理論分析簡(jiǎn)化模型，基于導(dǎo)線脫冰跳躍過(guò)程中的能量關(guān)系、應(yīng)力弧垂關(guān)系、變形關(guān)系和平衡關(guān)系，給出了求解導(dǎo)線最大脫冰跳躍高度的理論計(jì)算方法。

在試驗(yàn)研究中，Kollár等[4-5]在架空線上用管套壓實(shí)濕雪的方法模擬覆冰，該方法對(duì)氣象條件要求苛刻，且可控性較差。國(guó)內(nèi)脫冰振動(dòng)試驗(yàn)大多采用懸掛等效集中質(zhì)量的方法來(lái)模擬覆冰。劉敏等[6]借助三跨覆冰導(dǎo)線的縮尺模型，針對(duì)脫冰量、脫冰檔位置、覆冰厚度和風(fēng)速等參數(shù)變化時(shí)，導(dǎo)線的冰跳高度、導(dǎo)線張力和絕緣子串軸力變化規(guī)律開(kāi)展了詳細(xì)研究。李宏男等[7]在試驗(yàn)室設(shè)計(jì)并進(jìn)行50 m孤立檔導(dǎo)線的脫冰跳躍試驗(yàn)，測(cè)量了覆冰導(dǎo)線在不同的覆冰厚度、脫冰率、脫冰位置、脫冰順序及速度工況下，導(dǎo)線端部張力和導(dǎo)線跨中跳躍高度，并利用有限元軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。謝獻(xiàn)忠等[8]基于動(dòng)力相似理論，以湖南某220 kV輸電線路為工程原型，設(shè)計(jì)了縮尺比為1∶20的兩檔塔線體系試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用程控方式控制模擬冰荷載脫落，對(duì)各種脫冰工況進(jìn)行了位移響應(yīng)與應(yīng)力響應(yīng)的測(cè)試和分析。王璋奇等[9]利用架空輸電線脫冰跳躍試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)研究架空線非同期脫冰跳躍的動(dòng)張力特性。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了從一端往另一端、從兩端往跨中以及從跨中往兩端等三種“開(kāi)拉鏈”式非同期脫冰方式，研究了非同期脫冰方式對(duì)導(dǎo)線動(dòng)張力的影響。

在數(shù)值仿真方面，魯元兵等[10]對(duì)三跨輸電導(dǎo)線體系進(jìn)行了模態(tài)分析，討論了脫冰前的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、脫冰后的瞬態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并對(duì)不均勻脫冰進(jìn)行了全過(guò)程模擬。王昕等[11]采用有限元軟件，模擬了中跨和三跨脫冰2種情況，對(duì)脫冰跨數(shù)、線路張拉力、檔距和絕緣子串長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)線路脫冰響應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。沈國(guó)輝等[12]針對(duì)檔距、覆冰厚度和脫冰位置等參數(shù)變化時(shí)，塔線體系的脫冰動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了模擬研究，分析了脫冰檔導(dǎo)線跨中的跳躍高度、輸電塔基底剪力和基底彎矩的變化情況。黃新波等[13-14]利用ANSYS軟件建立了導(dǎo)線脫冰跳躍力學(xué)模型，獲得了檔距組合、覆冰厚度、脫冰量、突變高差等參數(shù)對(duì)塔線體系動(dòng)態(tài)位移和不平衡張力的影響規(guī)律。吳天寶等[15]應(yīng)用有限元模擬方法，探究了各種因素對(duì)脫冰跳躍幅值的影響，包括覆冰厚度、脫冰位置、輸電線路長(zhǎng)度、輸電線檔數(shù)等，并總結(jié)了其規(guī)律特征。史淋升等[16]基于ABAQUS二次開(kāi)發(fā)子程序，模擬計(jì)算了導(dǎo)線爆破除冰時(shí)導(dǎo)線的跳躍高度和脫冰率，分析了爆破除冰方法在實(shí)際工程中的適用性。

綜上所述，盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)導(dǎo)線覆冰脫落振動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，但仍存在諸多不足。首先，目前已有研究主要是針對(duì)導(dǎo)線整檔或局部同期脫冰情形，而對(duì)拉鏈?zhǔn)矫摫难芯肯鄬?duì)較少；其次，多數(shù)脫冰試驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的縮尺模型，但從較小比例模型上獲得的試驗(yàn)結(jié)果很難推廣到實(shí)際線路上；第三，連續(xù)檔導(dǎo)線覆冰脫落振動(dòng)過(guò)程中，相鄰檔脫冰動(dòng)力響應(yīng)存在明顯的耦合現(xiàn)象和局部效應(yīng)，相關(guān)研究尚缺少對(duì)連續(xù)檔振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究。

基于以上原因，本文在220 kV單回路線路選取兩檔(耐-直-耐)布置表面應(yīng)變計(jì)和位移傳感器，采用附加集中質(zhì)量法模擬導(dǎo)線覆冰和脫冰振動(dòng)，開(kāi)展了不同脫冰速度、脫冰方式和覆冰厚度條件下導(dǎo)線拉鏈?zhǔn)矫摫恼駝?dòng)特性試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)線路

本試驗(yàn)在山西省臨汾市電力高級(jí)技工學(xué)校的220 kV單回路培訓(xùn)線路上進(jìn)行，取2號(hào)塔至4號(hào)塔之間的兩檔線路為試驗(yàn)段，線路的跨越形式為耐-直-耐，如圖1所示。兩側(cè)的耐張塔是干字型塔，呼稱高15 m，耐張絕緣子串型號(hào)為XP-70；中間的直線塔為貓頭型塔，呼稱高18 m，懸垂絕緣子串型號(hào)為FXBW3-220/100。2號(hào)塔和3號(hào)塔之間檔距為66 m，為便于描述，稱為L(zhǎng)檔；3號(hào)塔和4號(hào)塔之間檔距為52 m，稱為S檔。導(dǎo)線為雙分裂LGJ-240/30型鋼芯鋁絞線，取下側(cè)導(dǎo)線進(jìn)行模擬脫冰實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)線直徑21.6 mm，計(jì)算截面275.96 mm2，單位導(dǎo)線質(zhì)量0.922 2 kg/m，彈性模量73 GPa。

圖1 試驗(yàn)線路場(chǎng)景圖

2.2 模擬脫冰方法

由于受到溫度、濕度、風(fēng)速等氣候條件的限制，自然條件下對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行人工覆冰很難達(dá)到預(yù)期的覆冰狀態(tài)，因此相關(guān)研究多采用附加集中質(zhì)量法模擬導(dǎo)線覆冰和脫冰振動(dòng)，并從實(shí)驗(yàn)和模擬兩方面驗(yàn)證了該方法的有效性[17-19]。其中，王璋奇[19]對(duì)集中質(zhì)量法模擬輸電線覆冰脫落的適用性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明與真實(shí)覆冰脫落相比，雖然集中質(zhì)量法的動(dòng)張力峰值略小，振動(dòng)頻率略低，但輸電線張力時(shí)程曲線在脫冰初期與真實(shí)覆冰脫落基本吻合，說(shuō)明此方法能較好的模擬真實(shí)覆冰脫落情況。

由于受到覆冰氣候條件和導(dǎo)線自身性質(zhì)的影響，實(shí)際導(dǎo)線覆冰通常為“D”形、新月形或扇形等不規(guī)則形狀，而輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)覆冰可按等厚中空?qǐng)A形等效考慮[7]。因此，集中載荷的質(zhì)量M與覆冰厚度b的關(guān)系式可表示為

m=ρπb(D+b)

(1)

M=mL/n

(2)

其中，m為單位長(zhǎng)度上導(dǎo)線覆冰的質(zhì)量；冰的密度為ρ=900 kg/m3；b為覆冰厚度；D為導(dǎo)線外徑；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度；n為懸掛重物數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)根據(jù)每檔導(dǎo)線覆冰重量等效為9個(gè)相同重量的重物，設(shè)計(jì)夾具固定重物，均勻懸掛于導(dǎo)線上，并利用電磁閥和繼電器并聯(lián)電路控制重物脫落時(shí)間和順序。當(dāng)電路中繼電器發(fā)出斷電開(kāi)關(guān)指令，電磁鐵隨重物一同脫落(電磁鐵重量計(jì)入重物總重)，導(dǎo)線覆冰厚度和懸掛重物質(zhì)量對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 導(dǎo)線覆冰厚度

2.3 試驗(yàn)方案

目前關(guān)于輸電線路模擬脫冰試驗(yàn)研究，大部分是在模擬線路上進(jìn)行，且主要是對(duì)脫冰過(guò)程中導(dǎo)線跨中的跳躍位移和端部的動(dòng)態(tài)張力進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際線路上進(jìn)行脫冰試驗(yàn)，采用常規(guī)方法對(duì)導(dǎo)線多個(gè)位置的跳躍特性和動(dòng)態(tài)張力進(jìn)行測(cè)量比較困難。本文采用東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司的拉線位移傳感器和表面應(yīng)變計(jì)分別來(lái)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線各測(cè)點(diǎn)的位移和張力變化量(試驗(yàn)線路無(wú)法測(cè)量導(dǎo)線張力初值)，如圖2所示。由設(shè)備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。位移傳感器的型號(hào)選用EY503-5000系列，量程為5 000 mm，傳感器精度0.5% F.S。表面應(yīng)變計(jì)型號(hào)為EY501-762，量程±1 000 με，傳感器精度0.5% F.S。所有傳感器的靈敏系數(shù)出廠前均做單獨(dú)標(biāo)定。

圖2 位移傳感器和表面應(yīng)變計(jì)安裝示意圖

圖3為試驗(yàn)線路各傳感器及測(cè)量設(shè)備布置圖。兩檔導(dǎo)線上各布置3個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，位移傳感器均勻布置在兩檔導(dǎo)線的四分點(diǎn)上，其中L檔導(dǎo)線從右向左3個(gè)測(cè)點(diǎn)表示為：DL1、DL2、DL3；S檔導(dǎo)線為DS1、DS2、DS3。每個(gè)測(cè)點(diǎn)從導(dǎo)線上引出鋼絲繩與固定在地面的位移傳感器連接，且試驗(yàn)中鋼絲繩始終處于拉緊狀態(tài)，從而可以監(jiān)測(cè)脫冰過(guò)程中測(cè)點(diǎn)的位移變化。本次試驗(yàn)時(shí)間為8月份，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)處于市中心且較封閉，周圍為居民樓，可忽略風(fēng)對(duì)鋼絲繩和導(dǎo)線的影響。

圖3 試驗(yàn)方案示意圖

為測(cè)量脫冰時(shí)導(dǎo)線測(cè)點(diǎn)的豎向和橫向位移，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)安裝有豎直和斜向兩個(gè)角度的位移傳感器，如圖3和圖4所示。圖4中，A為導(dǎo)線上測(cè)點(diǎn)，B、C兩點(diǎn)為位移傳感器位置，LB和LC為拉線長(zhǎng)度，H為靜態(tài)下測(cè)點(diǎn)A高度。導(dǎo)線測(cè)點(diǎn)從A運(yùn)動(dòng)到A′使拉線方向發(fā)生了改變，但由于導(dǎo)線位移與拉線長(zhǎng)度LB和LC相差較大，可忽略拉線方向的改變，認(rèn)為L(zhǎng)B始終沿豎直方向，位移傳感器B的測(cè)量值即為測(cè)點(diǎn)的豎直方向位移，且LC與LB夾角始終為α。

圖4 豎直和斜向移傳感器布局示意圖

以測(cè)點(diǎn)A為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系A(chǔ)xy和Ax1y1，其中x1軸沿CA方向，則A′在兩個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x,y)和(x1,y1)之間關(guān)系可表示為

(3)

位移傳感器B和C可分別測(cè)得y方向(豎直方向)和x1方向(傾斜角α方向)的位移，則測(cè)點(diǎn)A水平方向的位移x為

(4)

由A點(diǎn)的水平方向位移x、豎直方向位移y，即可得到A點(diǎn)任意時(shí)刻的位移。本文中各測(cè)點(diǎn)豎直和斜向拉線間夾角為30°。若靜態(tài)下測(cè)點(diǎn)A高度H為12 m，測(cè)點(diǎn)最大豎直位移為1 m，最大橫向位移為0.5 m，經(jīng)估算，導(dǎo)線振動(dòng)過(guò)程中位移傳感器B的測(cè)量值與豎直位移的偏差均小于1.1%，水平位移誤差均小于5.5%。

為測(cè)量脫冰過(guò)程中導(dǎo)線不同位置的張力變化，每檔導(dǎo)線布設(shè)5組表面應(yīng)變計(jì)，分別位于導(dǎo)線兩端部及四分點(diǎn)上(圖3)。為便于表示，取L檔右側(cè)靠近2號(hào)塔的導(dǎo)線端部為坐標(biāo)原點(diǎn)，則張力測(cè)點(diǎn)由右至左依次可表示為：FL1(0 m)、FL2(16.5 m)、FL3(33 m)、FL4(49.5 m)、FL5(66 m)、FS1(68 m)、FS2(81 m)、FS3(94 m)、FS4(107 m)、FS5(120 m)，括號(hào)中表示各測(cè)點(diǎn)相對(duì)原點(diǎn)的距離。

2.4 試驗(yàn)工況

為分析脫冰方式對(duì)導(dǎo)線振動(dòng)的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種脫冰方式：方式Ⅰ是重物從右向左逐個(gè)依次脫落；方式Ⅱ是兩檔同時(shí)從直線塔一側(cè)開(kāi)始，重物逐個(gè)依次脫落；方式Ⅲ是兩檔同時(shí)從耐張塔一側(cè)開(kāi)始，重物逐個(gè)依次脫落；方式Ⅳ為兩檔同時(shí)脫冰。其中：脫冰方式Ⅰ～Ⅲ屬于拉鏈?zhǔn)矫摫?，方式Ⅳ屬于整檔同時(shí)脫冰。在模擬實(shí)驗(yàn)中，拉鏈?zhǔn)矫摫拿摫俣仁怯上噜徶匚锩撀涞臅r(shí)間間隔Δt所確定，本文選Δt=1 s和2 s兩種脫冰速度參數(shù)。具體試驗(yàn)工況如表2所示。拉鏈?zhǔn)矫摫?種脫冰方式如圖5所示。

圖5 拉鏈?zhǔn)矫摫绞绞疽鈭D

表2 實(shí)驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

導(dǎo)線覆冰脫落時(shí)，因覆冰存儲(chǔ)在導(dǎo)線內(nèi)的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)線的動(dòng)能和重力勢(shì)能，引起導(dǎo)線振動(dòng)。對(duì)于連續(xù)檔，某檔導(dǎo)線脫冰，該檔與鄰近檔間的不平衡張力會(huì)使直線塔的懸垂絕緣子串發(fā)生擺動(dòng)，因此相鄰檔脫冰動(dòng)力響應(yīng)存在明顯的耦合現(xiàn)象。

3.1 脫冰速度的影響

針對(duì)不同速度拉鏈?zhǔn)矫摫M(jìn)行了模擬覆冰脫落試驗(yàn)，選擇脫冰方式Ⅰ、覆冰厚度為12.5 mm、脫冰起始時(shí)刻設(shè)置為1.5 s、脫冰速度參數(shù)Δt分別取2 s和1 s(工況2和工況3)，并與兩檔整檔同時(shí)脫冰(工況1)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6和圖7是工況1的位移時(shí)程曲線和張力變化的時(shí)程曲線。由圖6可知，兩檔導(dǎo)線最大跳躍高度均出現(xiàn)在跨中位置，L檔的最大跳躍高度(948 mm)為S檔(524 mm)的181%；另一方面，S檔跨中位移幅值變化規(guī)律與L檔不同，并非隨時(shí)間單調(diào)減小，這是由于脫冰后兩檔間的懸垂絕緣子串會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，使能量在兩檔間反復(fù)傳遞，而使兩檔振動(dòng)相互疊加的結(jié)果。脫冰振動(dòng)過(guò)程中，兩檔導(dǎo)線各測(cè)點(diǎn)的最低位置均未低于覆冰后的靜態(tài)位置。此外，由于耐張絕緣子串隨導(dǎo)線一起振動(dòng)，能夠減小臨近導(dǎo)線的振動(dòng)幅值，因此同檔導(dǎo)線靠近直線塔的振動(dòng)幅度要大于靠近耐張塔一側(cè)，結(jié)果表明，兩檔導(dǎo)線靠近直線塔一側(cè)測(cè)點(diǎn)的跳躍幅值較同檔靠近耐張塔的測(cè)點(diǎn)增大了約23%。

圖6 兩檔覆冰同時(shí)脫落(工況1)位移時(shí)程曲線

圖7 兩檔覆冰同時(shí)脫落(工況1)張力變化時(shí)程曲線

由圖7可知：覆冰脫落使兩檔導(dǎo)線各測(cè)點(diǎn)張力迅速減小，導(dǎo)線張力急劇變化后有7 s左右的波動(dòng)，兩檔導(dǎo)線均為跨中附近張力波動(dòng)幅度較大，且兩檔導(dǎo)線張力在脫冰振動(dòng)過(guò)程中均未超過(guò)覆冰后的靜態(tài)張力。

圖8為工況2和工況3的位移時(shí)程曲線。由圖可知，L檔導(dǎo)線位移受本檔脫冰影響隨時(shí)間振蕩增加，而在S檔脫冰階段逐漸回落直至達(dá)到穩(wěn)定；S檔導(dǎo)線位移歷程趨勢(shì)與L檔相反，且其位移變化幅值略小于L檔。兩檔導(dǎo)線出現(xiàn)不同的位移變化趨勢(shì)主要是由于脫冰檔覆冰依次脫落使兩檔間產(chǎn)生不平衡張力，導(dǎo)致兩檔間的懸垂絕緣子串逐漸偏向非脫冰檔一側(cè)，脫冰檔有效檔距增大，非脫冰檔有效檔距減小所引起。

圖8 同速度覆冰脫落導(dǎo)線位移時(shí)程曲線

與兩檔同時(shí)脫冰(工況1)不同，此脫冰方式下S檔各點(diǎn)在振動(dòng)過(guò)程中的最低位置明顯低于其覆冰后的靜態(tài)位置，會(huì)出現(xiàn)較大的反向位移。而兩檔導(dǎo)線最大跳躍高度均出現(xiàn)在L檔跨中，分別為757 mm(工況2)和702 mm(工況3)，較兩檔同時(shí)脫冰(工況1)的L檔跳躍高度分別減小了26%和20%，且當(dāng)脫冰速度較小時(shí)L檔的最大位移及S檔的反向位移更大，且每段覆冰脫落后的導(dǎo)線振蕩更顯著。此外，可以看出該脫冰方式下，絕緣子串類型對(duì)臨近導(dǎo)線的位移幅值影響較小，導(dǎo)線兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的位移幅值較為接近。

圖9記錄了工況2和工況3導(dǎo)線跨中位置的張力變化時(shí)程曲線。可以看出，脫冰速度較小時(shí)，張力波動(dòng)幅度較大。值得注意的是，2種工況下當(dāng)覆冰脫落至導(dǎo)線跨中位置時(shí)，此檔導(dǎo)線跨中位置張力均瞬間變化，且突變幅值相近，分別為1.7 kN(工況2)和1.9 kN(工況3)。輸電線拉鏈?zhǔn)矫摫鶗r(shí)輸電線產(chǎn)生周期性振動(dòng)，覆冰依次脫落使輸電線張力不斷減小。端部覆冰脫落時(shí)，由于距離跨中位置較遠(yuǎn)，對(duì)跨中位置張力的影響有限。而跨中臨近位置覆冰脫落時(shí)，一方面使跨中位置張力顯著減?。涣硪环矫?，覆冰脫落后跨中加速度的瞬間變化又與輸電線周期性振動(dòng)相疊加，因此造成該位置張力發(fā)生較大突變。除輸電線跨中位置外，其余位置由于受導(dǎo)線端部邊界條件約束明顯，張力突變值較小。

圖9 不同速度脫冰導(dǎo)線張力變化時(shí)程曲線

3.2 脫冰方式的影響

圖10為兩檔同時(shí)從直線塔一側(cè)開(kāi)始脫冰(工況4)和同時(shí)從耐張塔一側(cè)開(kāi)始脫冰(工況5)各測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線。由圖可知，2種脫冰方式下導(dǎo)線的振動(dòng)趨勢(shì)相似，但與脫冰方式Ⅰ(工況3)導(dǎo)線的振動(dòng)規(guī)律有顯著的差別：脫冰開(kāi)始后，兩檔導(dǎo)線覆冰脫落段導(dǎo)線位移振蕩增加，覆冰未脫落側(cè)導(dǎo)線則在平衡位置往復(fù)振蕩，當(dāng)先脫冰段脫冰完成后該段導(dǎo)線則在新平衡位置附近往復(fù)振蕩。兩檔最大跳躍高度均出現(xiàn)在跨中位置，工況4中兩檔跨中最大跳躍高度(553 mm、437 mm)略大于工況5(547 mm、410 mm)，進(jìn)一步對(duì)比2種工況中靠近初始脫冰位置測(cè)點(diǎn)的最大位移，以L檔為例，工況4中測(cè)點(diǎn)DL3的最大位移比工況5中測(cè)點(diǎn)DL1的最大位移增加了約16%，說(shuō)明從直線塔一側(cè)開(kāi)始脫冰時(shí)導(dǎo)線脫冰側(cè)的振動(dòng)比從耐張塔一側(cè)開(kāi)始脫冰脫冰側(cè)的振動(dòng)更劇烈。此外，未脫冰段由于覆冰載荷作用在振蕩過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)反向位移，但最大反向位移均未超過(guò)100 mm。

圖10 不同脫冰方式導(dǎo)線位移時(shí)程曲線

圖11所示，當(dāng)重物脫落到導(dǎo)線跨中位置時(shí)，該段導(dǎo)線張力突變?nèi)源嬖冢覂蓹n導(dǎo)線張力突變值相差不大，出現(xiàn)時(shí)間接近。由表3可知：脫冰方式Ⅰ引起的導(dǎo)線最大跳躍高度和最大反向位移要明顯大于方式Ⅱ和Ⅲ，且3種脫冰方式下導(dǎo)線的張力變化差別較小，因此，兩檔導(dǎo)線覆冰依次順序脫落可能引起的電氣安全問(wèn)題要大于兩檔覆冰同時(shí)拉鏈?zhǔn)矫摫?/p>

圖11 張力時(shí)程曲線(工況4)

表3 不同脫冰方式下導(dǎo)線動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅值

3.3 覆冰厚度的影響

為研究覆冰厚度對(duì)拉鏈?zhǔn)矫摫駝?dòng)特性的影響，選擇脫冰方式Ⅰ、脫冰速度參數(shù)Δt取1 s，覆冰厚度分別為12.5 mm、10 mm和7.5 mm(工況3、6和7)，得到導(dǎo)線位移幅值及跨中張力突變值隨覆冰厚度的變化情況(圖12)?？芍S著覆冰厚度增大，L檔的最大跳躍高度、S檔最大反向位移幅值以及兩檔跨中位置張力突變值增加均較為明顯，可見(jiàn)對(duì)于拉鏈?zhǔn)矫摫脖穸纫廊皇怯绊憣?dǎo)線振動(dòng)劇烈程度的重要因素。然而，與相同覆冰厚度兩檔同時(shí)脫冰的情形相比，拉鏈?zhǔn)矫摫鵏檔的最大跳躍高度減小了20%以上。此外，檔距較小的S檔導(dǎo)線跨中張力突變值略小于L檔。

圖12 不同覆冰厚度下導(dǎo)線位移幅值和跨中張力突變值曲線(工況3,6,7)

由式(4)可計(jì)算得到兩檔導(dǎo)線各測(cè)點(diǎn)位置的橫向位移歷程，相應(yīng)幅值如表4所示。

表4 不同導(dǎo)線測(cè)點(diǎn)位置處橫向位移幅值 mm

由表4可知：兩檔導(dǎo)線各測(cè)點(diǎn)橫向位移幅值約為豎向位移的十分之一，數(shù)值相對(duì)較小，且舞動(dòng)基本無(wú)規(guī)律；除各別位置外，各測(cè)點(diǎn)數(shù)值相差不大。因此，在沒(méi)有風(fēng)載作用條件下，導(dǎo)線覆冰脫落可不考慮橫向位移的影響。

4 結(jié)論

架空輸電線路覆冰脫落振動(dòng)容易造成桿塔折損、斷線、金具損壞，以及相間閃絡(luò)、跳閘等事故，致使電力系統(tǒng)的癱瘓。為獲得不同脫冰速度、脫冰順序、覆冰厚度條件下輸電線路的振動(dòng)特性，本文對(duì)220 kV單回路線路選取兩檔(耐-直-耐)開(kāi)展了覆冰脫落試驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下：

1) 拉鏈?zhǔn)矫摫^(guò)程中導(dǎo)線所受沖量的作用時(shí)間比兩檔同時(shí)脫冰的作用時(shí)間更長(zhǎng)，則作用于導(dǎo)線上的平均力相對(duì)較小，因此在相同覆冰厚度下，兩檔拉鏈?zhǔn)矫摫鶗r(shí)導(dǎo)線的最大跳躍高度和張力變化幅值均小于兩檔同時(shí)脫冰工況。但拉鏈?zhǔn)矫摫鶗r(shí)懸垂絕緣子串的偏轉(zhuǎn)會(huì)使導(dǎo)線的最大反向位移會(huì)低于覆冰靜態(tài)位置。

2) 拉鏈?zhǔn)矫摫戮植亢团R檔導(dǎo)線均存在明顯的張力不平衡，導(dǎo)線跨中位置張力曲線存在一個(gè)突變，其余位置曲線波動(dòng)較小。

3) 兩檔依次拉鏈?zhǔn)矫摫鶗r(shí)導(dǎo)線最大跳躍高度和最大反向位移均明顯大于兩檔同時(shí)拉鏈?zhǔn)矫摫瑢儆诶準(zhǔn)矫摫休^危險(xiǎn)的工況。

4) 隨著覆冰厚度的增加，兩檔依次拉鏈?zhǔn)矫摫淖畲筇S高度、最大反向位移以及跨中張力突變均逐漸增大。

5) 覆冰脫落時(shí)，兩檔導(dǎo)線各測(cè)點(diǎn)橫向位移幅值約為豎向位移的1/10，因此在風(fēng)速較小條件下，可忽略橫向位移的影響。

因此，除冰過(guò)程不宜采用覆冰同時(shí)脫落的方式，可采用拉鏈?zhǔn)矫摫?，但此時(shí)要注意導(dǎo)線跨中張力瞬間變化的影響。多檔導(dǎo)線脫冰時(shí)，應(yīng)盡量避免兩檔依次脫冰，建議采用兩檔同期拉鏈?zhǔn)矫摫绞??？傊?，基于?shí)際輸電線路的模擬脫冰試驗(yàn)，較真實(shí)地再現(xiàn)了輸電線的脫冰振動(dòng)過(guò)程，研究結(jié)果可為覆冰區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)及除冰方案決策提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。