连续档架空输电导线脱冰跳跃模拟

苏　攀　孔　韬　张宇娇　何博雅

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 国际文化交流学院， 湖北 宜昌　443002)



连续档架空输电导线脱冰跳跃模拟

苏攀1孔韬1张宇娇1何博雅2

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 国际文化交流学院， 湖北 宜昌443002)

摘要：当气象条件变化，风荷载、机械外力等作用时，被覆冰包裹的输电线路将会发生各种形式的脱冰现象．建立N-Z-Z-N连续档架空输电导线有限元模型，对模型做找形计算，数值仿真计算了连续档导线脱冰的动力响应，得出在一个耐张段中，中间跨的最大跳跃高度要比边跨的跳跃高度大；在三档同时脱冰的情况下，输电线的最大跳跃高度与覆冰厚度成正比；输电导线脱冰跳跃过程中，最大动张力与覆冰厚度成正比而最小动张力与覆冰厚度成反比．

关键词：输电导线；覆冰；脱冰；连续档；动力响应

近年来，我国中部、西南部均出现因输电线路覆冰而造成导线断裂、铁塔破坏等重大安全事故，给电力系统稳定运行带来了严重危害[1-3]．相邻档内的不平衡张力是引起塔线事故的主要原因．在气象条件变化、风荷载、机械外力等作用时，覆冰导线将发生不均匀脱冰或不同期脱冰现象，拉力的瞬时骤变对输电线路危害极大[4]．导线相间电气间隙不够，使线路发生闪络、跳闸甚至断线，严重威胁电力系统安全[5]．1993年美国Nebraska州发生多级杆塔倒塔恶性事件，103 km长的400多座输电杆塔连续倒塌[6]．2008年初我国南方地区发生雨雪冰冻灾害，对电网造成大面积的破坏[7]．

近年来输电系统覆冰事故频发，为了减免该类事故的损失，对该类问题的研究成为学术界的热点问题，国外学者对输电线振动问题有深入的研究[8-9]，我国学者对输电覆冰断线倒塔[10-11]，线路舞动[12-13]等问题研究较多，在导线脱冰跳跃问题上国内外对架空导线脱冰跳跃的研究着重于覆冰厚度、脱冰方式及风荷载各种工况下的分析[14-16]，而模拟覆冰及脱冰方法的细微研究却甚少．

基于上述原因，本文对连续档不同覆冰工况导线脱冰跳跃做有限元计算，并对模拟覆冰及脱冰的方法做细微研究．

1模拟覆冰脱冰的方法

1.1等效荷载法

模拟覆冰的时候，将覆冰简化为圆环截面包裹在导线外面的模型．将单位长度覆冰等效为等值荷载按研究需要施加到模型节点上，来模拟输电线脱冰，等效荷载法可分为集中荷载和均布荷载，如图1所示．文献[17]已经运用集中荷载方法对输电线路覆冰和脱冰跳跃进行模拟，发现输电线的张力以及跳跃高度是符合实际的，因此这种方法也是行的通的[17]．

图1　覆冰等效荷载模型

1.2质量法

只考虑覆冰的质量对输电导线的影响，在有限元分析建模时运用等效增加该单元导线的密度的方法来模拟覆冰单元节点处的质量块；模拟脱冰时，相应的减小该单元导线增加的密度或者卸载该单元处的等效质量块[17]．该法原理简单，为方便程序设计，常用Mass21质量单元模拟．

1.3单元生死法

运用单元生死法的特性[18]来模拟架空输电线路脱冰现象时，可借助单元生死来模拟脱冰．在导线外面建立覆冰实体模型时，常采用单元生死法模拟脱冰．

2连续档输电导线脱冰计算

2.1连续档输电导线模型的建立

设连续档输电导线的导线型号为LGJ-400/35，连续档档数为3档，各挡导线的水平档距L=500 m且各档之间无高差，导线截面面积S=435 mm2，弹性模量E=6.5×1010Pa，单位质量m=1.349 kg/m，泊松比=0.3，导线的水平使用应力为σ=58.27 MPa，绝缘子的长度为5 m，E=2.8×1011Pa，泊松比=0.28．

根据连续档的基本数据，在ANSYS里建立输电线模型，如图2所示．

图2　连续档输电线模型

索单元LINK10单元常用于模拟输电导地线，采用实际材料性质和实常数，并设置很小的初应变，施加重力加速度(延弧长分布)，逐步更新有限元模型，以导线水平张力为收敛条件进行迭代，然后根据所建模型进行自重和覆冰找形可得最终连续档输电线模型，如图3所示．

图3　进行脱冰分析的最终输电线模型

2.2连续档输电线脱冰跳跃的模拟分析

当覆冰厚度为15 mm时，假设架空导线三档同时脱冰(100%脱冰)，脱冰仿真时间步长设成0.01 s，仿真时间设成50 s，编写相应的脱冰程序进行脱冰分析：图4和图5显示的是左边档跨中，中间档跨中位移时程曲线图．由图4和5可知中间跨的最大跳跃高度要比边跨的跳跃高度大，这是由于中间跨受两边跨跳跃的影响较边跨受中跨的影响要大得多．

图4　左边档跨中Z向位移时程曲线图

图5　中间档跨中Z向位移时程曲线图

图6显示的跨中左端绝缘子X向位移时程曲线，图7显示的是中间跨跨中动张力时间曲线图，图8显示的是中间跨左端绝缘子下端剪力时间曲线图．

图6　跨中左端绝缘子X向位移时程曲线

图7　中间跨跨中动张力时间曲线图

图8　中间跨左端绝缘子下端剪力时间曲线图

当覆冰厚度为20 mm时，假设架空导线三档同时脱冰(100%脱冰)，脱冰仿真时间步长设成0.01 s，仿真时间设成50 s，编写相应的脱冰程序进行脱冰分析：

图9～10显示的是左边档跨中，中间档跨中位移时程曲线图，图11显示的跨中左端绝缘子X向位移时程曲线．

图9　左边档跨中Z向位移时程曲线图

图10　中间档跨中Z向位移时程曲线图

图11　跨中左端绝缘子X向位移时程曲线

图12显示的是中间跨跨中动张力时间曲线图，图13显示的是中间跨左端绝缘子下端剪力时间曲线图．

图12　中间跨跨中动张力时间曲线图

图13　中间跨左端绝缘子下端剪力时间曲线图

当覆冰厚度为25 mm时，假设架空导线三档同时脱冰(100%脱冰)，脱冰仿真时间步长设成0.01 s，仿真时间设成50 s，编写相应的脱冰程序进行脱冰分析：图14～15显示的是左边档跨中，中间档跨中位移时程曲线图，图16显示的跨中左端绝缘子X向位移时程曲线．

图14　左边档跨中Z向位移时程曲线图

图15　中间档跨中Z向位移时程曲线图

图16　跨中左端绝缘子X向位移时程曲线

图17为中间跨跨中动张力时间曲线图，图18为中间跨左端绝缘子下端剪力时间曲线图．

图17　中间跨跨中动张力时间曲线图

图18　中间跨左端绝缘子下端剪力时间曲线图

冰厚/mm最大跳跃高度/m159.1622013.3572515.732

由表1知在三档同时脱冰的情况下，输电线的最大跳跃高度随覆冰厚度的增大而增大，由于覆冰厚度越大，同一仿真时间内，当发生脱冰跳跃的时候，输电线自身所释放的弹性势能就越大，因此脱冰的跳跃高度也越大．

表2　3种覆冰厚度下的中间档中跨动张力对照表

由表2知输电导线脱冰跳跃过程中，最大动张力随覆冰厚度的增大而增大而最小动张力却随覆冰厚度的增大而减小，这是由于覆冰厚度越大脱冰时的跳跃高度也越大，此时导线的动能和重力势能转化为弹性势能就越多，因此最大动张力也越大，可见同样的输电导线动张力的变化是和其跳跃高度息息相关的，其实质是能量相互转换问题．

表3　3种覆冰厚度下的绝缘子下端剪力对照表

由表3可知当覆冰厚度增大时，输电线绝缘子下端的剪力随之增大，剪力是危害绝缘子和输电线路之间关系的重要参数，随着脱冰跳跃输电线反复振动，剪力也随之反复变化着方向，这样就加剧了输电线和绝缘子的磨损，从而给输电线路带来相当大的安全隐患．

3结论

1)在一个耐张段中，由于中间跨受两边跨跳跃的影响较边跨受中跨的影响要大的多，中间跨的最大跳跃高度要比边跨的跳跃高度大．

2)由于覆冰厚度越大，同一仿真时间内，当发生脱冰跳跃的时候，输电线自身所释放的弹性势能就越大，因此脱冰的跳跃高度也越大，在三档同时脱冰的情况下，输电线的最大跳跃高度随覆冰厚度的增大而增大．

3)由于覆冰厚度越大脱冰时的跳跃高度也越大，此时导线的动能和重力势能转化为弹性势能就越多，因此最大动张力也越大，输电导线脱冰跳跃过程中，最大动张力随覆冰厚度的增大而增大而最小动张力却随覆冰厚度的增大而减小．

参考文献：

[1]胡毅．电网大面积冰灾分析及对策探讨[J]．高电压技术，2008，34(2)；215-219．

[2]蒋兴良，易辉．输电线路覆冰及防护[M]．北京：中国电力出版社，2002．

[3]陈鹏云，王羽，文习山，等．低温雨雪冰冻灾害对我国电网损毁性影响概述[J]．电网技术，2010，34(10)；135-139．

[4]李庆峰，范峥，吴穹，等．全国输电线路覆冰情况调研及事故分析[J]．电网技术，2008，32(9)：33-36．

[5]孟遂民，单鲁平，杨晹．输电线脱冰跳跃过程仿真研究[J]．水电能源科学，2010，28(2)：149-151，162．

[6]刘春城，毛绪坤，刘法栋，等．大跨越输电塔-线体系覆冰断线数值模拟[J]．水电能源科学，2012，30(5)：130-132．

[7]刘春城，初征宇，孙显鹤，等．大跨越高压输电线路覆冰断线的冲击动力学模型[J]．振动与冲击，2012，31(3)：43-48．

[8]Lummis J，Pohhlman J C．Flexible Transmission Structures Operate to Suppress Cascading Failures[C]．IEEE-Winter Meeting，New York，1974．

[9]Bob O swald，Dennis Schroeder，Peter Catchpole. Investigative Summery of the July 1993 Nebraska Public District Grand Island Moore 345kV Transmission Line Failure[C]．Transmission and Distrbution Conference，Proceedings of the 1994 IEEE Power Engineering Society， 1994，574-580．

[10] 蒋正龙，陆佳政，雷红才，等．湖南2008年冰灾引起的倒塔原因分析[J]．高电压技术，2008，34(11)：2468-2474．

[11] Mcclure G， Lapointe M． Modeling the Structural Dynamic Response of Overhead Transmission Lines[J]．Camputer and Structres，2003，81：825-834．

[12] Farshad Mirsha fiei， Ghyslaine McClure，et al．Modelling the Dynamic Response of Iced Transmission Lines Subjected to Cable Rupture and Ice Shedding[J]． IEEE Transactions On Power Delivery，2013，28(2)：948-954．

[13] 杜志叶，张宇，阮江军，等．500kV架空输电线路覆冰失效有限元仿真分析[J]．高电压技术，2012，33(9)；2430-2436．

[14] 王昕，楼文娟．多跨输电线路脱冰动力响应研究[J]．工程力学，2011，28(1)：226-232．

[15] 韩军科，杨靖波，杨风利，等．超/特高压同塔多回输电线路脱冰跳跃动力响应分析[J]．电网技术，2012，36(9)：61-67．

[16] 鲁元兵，楼文娟，李焕龙．输电导线不均匀脱冰的全过程模拟分析[J]．振动与冲击，2010，29(9)：47-50．

[17] Jamaleddine A，Mcclure G，Rousselet J，et al．Simulation of Ice-shedding on Electrical Transmission Lines Using ADINA[J]． Computers and Structures，1993，47(4～5)：523-536．

[18] 王国强．实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M]．西安：西北工业大学出版社，1999．

[责任编辑张莉]

收稿日期：2015-07-02

基金项目：国家自然科学基金项目(51207081)

通信作者：苏攀(1985-)，男，硕士研究生，助教，主要研究方向为输电线路力学．E-mail：371493959@qq.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.014

中图分类号：TM753

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)02-0060-05

Simulation of Jumping of Continuous Spans Overhead Transmission Line Due to Ice-shedding

Su Pan1Kong Tao1Zhang Yujiao1He Boya2

(1. College of Electrical Engineering & Renewable Energry, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China； 2. College of International Communications, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractWhen weather conditions change, under the action of wind load, mechanical force, the ice-covering transmission line will have several forms of ice-shedding phenomenon. A N-Z-Z-N continuous stall overhead transmission line finite element model is established. And then finding form of the model calculations, numerical simulation of the dynamic response of a continuous profile wrapped ice are carried out. The biggest draw in a strain segment, the middle span of jump height bigger than the side span of jump height are obtained. In the case of three spans wrapped ice, the maximum jump height power lines with ice thickness increases; transmission lines ice-shedding, the maximum dynamic tension increases with increasing thickness of ice cover; but the minimum dynanic tension decreases with the increasing of ice cover.

Keywordstransmission lines;ice coating;ice-shedding;continuous spans;dynamic response