架空输电线路脱冰跳跃模拟试验研究

【摘 要】在电网构成中，输电线路十分重要，为了分析架空输电线在覆冰脱落各种工况下的跳跃位移，寻求合理的脱冰方式，设计了覆冰模拟系统、覆冰脱落控制系统和位移测试系统，在临汾电力学校的实际线路上对单档导线进行了7种不同的覆冰脱落工况模拟实验，得到了各种工况下的脱冰跳跃位移，并进行了有限元模拟.结果表明：为了使脱冰跳跃位移最小，对于单档导线应遵循先两端脱冰后中部脱冰的顺序，这与有限元模拟结果的规律一致.

【关键词】架空输电线路;脱冰模拟实验;脱冰跳跃位移;有限元模拟

引言

输电线路覆冰是大气中过冷水遇到温度低于零度的架空电线表面释放热量冷凝而形成。当温度升高，或者受风力作用，或者受到人为机械除冰时，输电线路上会产生不同期和不均匀的覆冰脱落，简称脱冰。导线脱冰会引起导线的大幅度上下摆动，对绝缘子串、金具、铁塔等造成较大的动态拉力，在导线档距较大，覆冰较厚的情况下对绝缘子串、金具、铁塔的破坏作用更加明显，可能会引起输电杆塔折损、倒塔、断线，金具损坏等严重事故。另一方面，导线脱冰跳跃过程中，各相导线之间和相地线之间空气间隙减小，当小于相应的绝缘间隙要求时，会导致相间闪络、跳闸等事故。在重冰区输电线路设计中，导线布置方式、杆塔选型等均需要着重考虑导线脱冰跳跃问题。导线脱冰跳跃的研究主要有试验和数值仿真两种手段。加拿大的Jamaleddlne等人在魁北克省人工气候室内利用3.22m长导线对多种脱冰状况进行模拟试验，试验中通过移除永久载荷实现脱冰，测得导线脱冰跳跃的最大上升高度、导线各挂点处的张力变化和悬垂绝缘子串的偏转角和位移等参数。随着计算机技术的迅速发展，利用仿真分析、数值模拟的方法进行输电线路脱冰跳跃问题研究，得到了广泛应用。

1影响导线脱冰跳跃的因素

（1）绝缘子长度。当发生脱冰跳跃时，在纵向不平衡张力的作用下，绝缘子串的纵向摆动和偏移，会增大导线的跳跃高度。绝缘子串长度对脱冰跳跃高度的影响在于：如串长很短，接近于固定点悬挂方式，相邻档间的耦合较小，脱冰跳跃也较小;如串长很长，悬挂点发生同样的纵向偏移时，其垂直位移的抬升很小，因而跳跃的高度也不会大;而当绝缘子串长取某一特定值时，脱冰跳跃可能会有最大高度。（2）脱冰量。脱冰的载荷越大，导线的跳跃高度也越大。仅改变脱冰载荷（以初始冰载荷的百分比计），在均匀脱冰条件下，导线脱冰跳跃高度与脱冰百分比近似满足线性关系。（3）覆冰性质的影响。当覆冰为附着力较强的雨淞、混合淞时，通常只是一段一段地脱落，很难形成大的脱冰跳跃现象。反之，如果覆冰为附着力较弱的雾淞或湿雪时，则较容易出现整档导线同时脱冰而导致导线强烈跳跃。（4）连续档距组合的影响。研究结果表明，档距组合对脫冰跳跃的影响显著，连续档脱冰跳跃高度远大于孤立档情况。脱冰档两侧的连续档数越多、档距越长，则悬挂点处的档间耦合越强，因而脱冰跳跃高度越大。但随脱冰档的档距增大，各种组合条件下的脱冰跳跃高度呈现饱和趋势。（5）导线型号的影响。相同铝截面条件下，导线刚度越大，其脱冰跳跃高度越小。（6）不均匀脱冰的影响。不均匀脱冰越靠近档距中央，其跳跃高度越大，且明显大于均匀脱冰的情况。架空导线的悬索结构中，靠近悬挂点位置的导线刚度较大，而档距中点位置刚度最小。因而当脱冰发生在沿档距方向的不同位置，即使脱冰荷载完全相同，引起的脱冰跳跃的高度也是不同的。

2 覆冰模拟系统

如图1所示，脱冰模拟是通过按一定方式释放导线上悬挂的具有一定重量的质量块来完成.实验中在输电线路上均匀布置12个质量块共4组，挂点间距4.6m.

3初始脱冰冲击下翰电线路动力响应研究

当环境温度或风载荷（风速、风向）发生变化或在热力融冰时，输电线路上的覆冰会因与架空线的粘附力不足而突然脱落，从而对输电塔线系统形成一个初始冲击载荷，导致架空线大幅振动，这种现象称之为脱冰跳跃（IceShedding。由于脱冰冲击会对输电线路系统造成严重的电气和机械安全事故，这一问题引起了输电线路相关工程和学术领域的广泛关注。以往的脱冰跳跃研究主要采用等效密度法或集中载荷法模拟覆冰，分析过程中通过假定架空线上的整档（或部分）覆冰突然脱落或按照规定的速度脱落，进而研究在该脱冰（称为“初始脱冰”）冲击下输电塔线系统的动力响应。此类研究均默认或假定在初始脱冰结束后，在架空线的后续振动过程中，线路其他位置的覆冰始终粘附在架空线上而不会被“甩掉”。但是，在真实条件下，当线路某处率先发生脱冰并引起架空线大幅振动后，线路其他位置的覆冰势必会有一部分在振动过程中被“甩掉”（称为“诱发脱冰”），并因不断脱冰而引起整个输电塔线系统的质量、刚度和阻尼在整个振动过程中随时间不断变化（称为“诱发脱冰效应”）。由初始脱冰导致的诱发脱冰效应和输电塔线系统的时变特性（尤其是由诱发脱冰引起的质量的时变特性）无法使用以往的方捧进行分析。因此，本章将通过对第2章提出的基于粘附力和内聚力的覆冰脱落判定准则进行修正，使之可对自然脱冰过程中的诱发脱冰效应进行模拟;通过与某单档试验线路的脱冰试验进行比较，对修正后的覆冰脱落判定准则在输电线路脱冰动力响应分析中的适用性和有效性进行验证;随后，对采用本文所提方法时覆冰输电线路系统质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵的时变过程及特性进行推导和展示;然后对某单档发生自然脱冰的线路，分别使用本文所提方法和以往的等效密度法进行数值模拟，通过两者的对比进一步从数值仿真角度对本文所提覆冰脱落判定准则的可靠性和有效性进行验证，并对使用两种方法的差异进行说明。最后，通过建立一段三档线路模型，对初始脱冰量、初始脱冰位置及方式和初始脱冰速度等因素对输电线路系统脱冰动力响应的影响进行系统研究，为易覆冰地区的线路设计和安全运行提供参考。

4导线覆冰舞动对线路安全运行的影响

统计资料表明，分裂导线比单导线容易舞动。单导线覆冰时，因偏心覆冰形成的偏心力矩使导线产生绕自身轴线的转动，由于扭转刚度小，在偏心覆冰作用下导线易发生很大扭转，导线可能产生相对均匀的对称覆冰，使线路不易发生舞动。而分裂导线覆冰时，在子导线产生偏心覆冰后，因间隔棒线夹握力的存在，导线很难产生绕自身轴线的转动，每根子导线的相对扭转刚度比单导线大得多，在偏心覆冰作用下，导线的扭转极其微小，不能阻止导线覆冰的不对称性，导线覆冰易形成扇形、新月形、D形等形状的不均匀覆冰，从而对风激励形成正反馈，使得系统能量积聚，最终失稳导致舞动，使得分裂导线相对于单导线更易舞动。大截面导线比小截面易舞动。大截面导线的相对扭转刚度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭转角要小，导线覆冰更易形成翼形断面，在风激励作用下，产生的升力和扭矩要大些。

结语

1）在实际的脱冰问题中，须先在端部分步脱冰，其次在中间分步脱冰，可以有效地减小跳跃高度.2）不同负载情况，相同脱冰工况导线的脱冰响应规律基本相同，幅值成正相关，覆冰量越大，导线脱冰振动幅值越大，满足式（1）.3）模拟和试验的位移曲线规律相同，验证了模拟方法的正确性，为模拟工作提供了参考.

参考文献：

[1]梁曦东，李雨佳，张轶博，等.导线的覆冰时变仿真模型[J].高电压技术，2014，40（2）：336-343.

[2]陆彬，高山，孙逊，等.不同直径下导线覆冰增长特性[J].高电压技术，2014，40（2）：458-464.

作者简介：

刘双，出生年月：1985.02.15，性别：男，民族：汉，籍贯：河北保定市清苑区，学历：科，职称：工程师，研究方向：输线电路方向。

（作者单位：保定吉达电力建设集团有限责任公司线路分公司）