長沙理工大學(xué) 何舜威 李 鴻

湖南省電力勘探設(shè)計院 劉慶豐

引言：本文主要根據(jù)南方覆冰脫冰現(xiàn)狀，進(jìn)行脫冰跳躍力學(xué)試驗，并根據(jù)有限元模型成果計算分析脫冰跳躍間隙，合理確定地線支架高度和導(dǎo)地線水平偏移，提出重覆冰地區(qū)線路設(shè)計抗冰措施及線路融冰措施。此實驗將采用差分方程計算分析脫冰跳躍，并根據(jù)南方特定情況給出相應(yīng)對策。

1.前言

2013年的浙中—福州1000kV輸電線路，15mm及以上重覆冰地區(qū)占全線70%以上，證明南方地區(qū)急切需要開展重覆冰專題研究。本文針對2008年以來南方各個沿線冰災(zāi)情況，主要研究計算當(dāng)輸電線路發(fā)生覆冰時的脫冰跳躍計算。

2.脫冰跳躍力學(xué)試驗?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

由于懸掛點之間的距離很大，所以對于架空輸電線路導(dǎo)線，導(dǎo)線懸掛于空中的幾何形狀將受到材料的剛性的影響很小，因此可以將導(dǎo)線假定為一根處處鉸接的柔軟鏈條，同時也可以假定導(dǎo)線的自重沿導(dǎo)線長度方向為均勻分布，所以將采用懸鏈線數(shù)學(xué)模型來分析架空導(dǎo)線的受力。已知導(dǎo)線張力和弧垂的初始值，采用差分方程求解出架空導(dǎo)線的完整的運動過程。

圖1 電線覆冰有限元計算模型

式中：ρ為導(dǎo)線單位長度質(zhì)量kg/m；Xi、Yi為導(dǎo)線上質(zhì)點在i時刻X、Y方向上位移m；FX、FY為導(dǎo)線上質(zhì)點在i時刻X、Y方向上合外力N；TX、TY為導(dǎo)線上質(zhì)點在i時刻X、Y方向上張力合力N；CX、CY為導(dǎo)線X、Y方向上運動的阻尼系數(shù)Nsm-2；ΔT為時間差分間隔s；ΔZ為導(dǎo)線長度差分長度m；Tmax為導(dǎo)線上質(zhì)點所受外力的最大值N。

懸垂絕緣子串兩側(cè)分別連接相鄰兩檔導(dǎo)線，在兩側(cè)導(dǎo)線張力的共同作用下達(dá)到平衡。當(dāng)兩側(cè)導(dǎo)線的覆冰狀況發(fā)生變化時，兩側(cè)導(dǎo)線的張力會發(fā)生變化，懸垂絕緣子串沿z方向左右擺動，直至達(dá)到新的平衡。根據(jù)受力平衡原理，導(dǎo)線懸掛點處所受合力為0，即兩側(cè)導(dǎo)線張力及絕緣子串的拉力的總合力為0，可得：

式中：TIS為絕緣子串的拉力N；θ為絕緣子串與垂直方向的偏轉(zhuǎn)角。

2.2 采集系統(tǒng)模型

脫冰跳躍試驗將采用重物釋放的辦法來模擬導(dǎo)線脫冰，通過模擬各種工作情況下導(dǎo)線脫冰情況，測量出導(dǎo)線跳躍幅度以導(dǎo)線張力變化等物理量。

圖2 導(dǎo)線脫冰跳躍試幅值激光測量

3.脫冰跳躍實驗數(shù)據(jù)及分析

實驗分析其中最嚴(yán)重的脫冰工作情況，為線路設(shè)計和脫冰跳躍計算的理論模型提供依據(jù)，試驗結(jié)果如下。

表1 導(dǎo)線脫冰跳躍幅值測試結(jié)果

表2 孤立檔導(dǎo)線脫冰張力測試結(jié)果

表3 連續(xù)檔導(dǎo)線脫冰張力測試結(jié)果

從試驗結(jié)果和計算結(jié)果的比較中可以看出，在采用相同計算條件和模擬工況條件時，計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本相符，同時考慮到客觀存在的試驗誤差，兩者結(jié)果的差別在可接受的范圍之內(nèi)。因此導(dǎo)線覆冰脫落跳躍采用的計算模型和方法是合理可信的，將導(dǎo)線覆冰考慮為均布載荷相對于試驗?zāi)M工況應(yīng)更接近實際情況，同時針對分裂導(dǎo)線考慮了導(dǎo)線體系的運動阻尼，與試驗條件的單導(dǎo)線相比也更接近實際情況，計算方法合理，結(jié)論可信，可以應(yīng)用于實際工程。

表4 試驗結(jié)果與計算結(jié)果比較表

4.試驗結(jié)論

（1）脫冰跳躍試驗結(jié)果表明導(dǎo)線脫冰跳躍是一個低頻（0.4～0.65Hz）、大振幅（0.9m～4m）的振動過程。導(dǎo)線脫冰后，導(dǎo)線張力不會發(fā)生突變，而是隨導(dǎo)線的周期運動作周期變化，最后達(dá)到新的平衡。

（2）隨著脫冰重量和比例的增加，導(dǎo)線跳躍幅度也會隨之逐漸增大。在相同的脫冰情況下，非均勻脫冰時的導(dǎo)線跳躍幅度遠(yuǎn)大于均勻脫冰時的導(dǎo)線跳躍幅度；卸載50%非均勻荷載導(dǎo)線跳躍幅度為1962mm，卸載50%均勻荷載導(dǎo)線跳躍幅度為1251mm，卸載70%非均勻荷載導(dǎo)線跳躍幅度為2937mm，卸載70%均勻荷載導(dǎo)線跳躍幅度為2042mm，由此可見非均勻脫冰的情況比均勻脫冰的情況對線路的危害更大。

（3）對于連續(xù)檔的情況，兩檔同時脫冰時的導(dǎo)線跳躍幅度較只有一檔卸載時的導(dǎo)線跳躍幅度要大；兩檔均卸載100%荷載導(dǎo)線跳躍幅度為1794mm；一檔卸載100%荷載導(dǎo)線跳躍幅度為1650mm。

（4）在相同的脫冰情況下，隨著檔距的減小導(dǎo)線跳躍幅度也減?。?35m檔距卸載100%荷載導(dǎo)線跳躍幅度為4063mm;117.5m檔距兩檔均卸載100%荷載導(dǎo)線跳躍幅度為1794mm。

（5）隨著檔距的減小，導(dǎo)線跳躍的平均周期也減小，導(dǎo)線跳躍的平均頻率增大；檔距為235m時導(dǎo)線跳躍的平均周期約為2.32s，頻率約為0.43Hz；檔距為117.5m時導(dǎo)線跳躍的平均周期約為1.69s，頻率約為0.59Hz。

5.討論

結(jié)合覆冰情況及脫冰實驗可知的防護(hù)措施目前主要有以下幾個方案：

（1）狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)：采集絕緣子串風(fēng)偏角、傾斜角、拉力等參數(shù)，對參數(shù)和微氣象環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，計算導(dǎo)線覆冰后的比載、覆冰重量、覆冰平均厚度等覆冰技術(shù)參數(shù)。發(fā)現(xiàn)覆冰重量、厚度超出標(biāo)準(zhǔn)，及時發(fā)出除冰報警信息，通知線路運行部門及時采取措施，避免覆冰導(dǎo)致的倒塔和舞動等危害的發(fā)生。

（2）智能巡檢技術(shù)：應(yīng)用無人機、移動作業(yè)終端等技術(shù)，解決偏遠(yuǎn)山區(qū)、超高桿塔、長距離跨區(qū)輸電線路巡視盲點，檢修困難問題和冬季到春季覆冰脫冰情況，可提高巡檢質(zhì)量和效率，降低輸電線路運行維護(hù)成本。

（3）監(jiān)控平臺：通過對輸電線路覆冰的實時監(jiān)測，為線路維護(hù)人員提供所在區(qū)域的微氣象全天候?qū)崟r監(jiān)測，提供可比較的數(shù)據(jù)，在覆冰異常狀態(tài)下給運行部門報警。