【摘?要】在電網(wǎng)構(gòu)成中，輸電線路十分重要，為了分析架空輸電線在覆冰脫落各種工況下的跳躍位移，尋求合理的脫冰方式，設(shè)計(jì)了覆冰模擬系統(tǒng)、覆冰脫落控制系統(tǒng)和位移測(cè)試系統(tǒng)，在臨汾電力學(xué)校的實(shí)際線路上對(duì)單檔導(dǎo)線進(jìn)行了7種不同的覆冰脫落工況模擬實(shí)驗(yàn)，得到了各種工況下的脫冰跳躍位移，并進(jìn)行了有限元模擬.結(jié)果表明：為了使脫冰跳躍位移最小，對(duì)于單檔導(dǎo)線應(yīng)遵循先兩端脫冰后中部脫冰的順序，這與有限元模擬結(jié)果的規(guī)律一致.

【關(guān)鍵詞】架空輸電線路;脫冰模擬實(shí)驗(yàn);脫冰跳躍位移;有限元模擬

引言

輸電線路覆冰是大氣中過(guò)冷水遇到溫度低于零度的架空電線表面釋放熱量冷凝而形成。當(dāng)溫度升高，或者受風(fēng)力作用，或者受到人為機(jī)械除冰時(shí)，輸電線路上會(huì)產(chǎn)生不同期和不均勻的覆冰脫落，簡(jiǎn)稱脫冰。導(dǎo)線脫冰會(huì)引起導(dǎo)線的大幅度上下擺動(dòng)，對(duì)絕緣子串、金具、鐵塔等造成較大的動(dòng)態(tài)拉力，在導(dǎo)線檔距較大，覆冰較厚的情況下對(duì)絕緣子串、金具、鐵塔的破壞作用更加明顯，可能會(huì)引起輸電桿塔折損、倒塔、斷線，金具損壞等嚴(yán)重事故。另一方面，導(dǎo)線脫冰跳躍過(guò)程中，各相導(dǎo)線之間和相地線之間空氣間隙減小，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。在重冰區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)中，導(dǎo)線布置方式、桿塔選型等均需要著重考慮導(dǎo)線脫冰跳躍問(wèn)題。導(dǎo)線脫冰跳躍的研究主要有試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩種手段。加拿大的Jamaleddlne等人在魁北克省人工氣候室內(nèi)利用3.22m長(zhǎng)導(dǎo)線對(duì)多種脫冰狀況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)中通過(guò)移除永久載荷實(shí)現(xiàn)脫冰，測(cè)得導(dǎo)線脫冰跳躍的最大上升高度、導(dǎo)線各掛點(diǎn)處的張力變化和懸垂絕緣子串的偏轉(zhuǎn)角和位移等參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用仿真分析、數(shù)值模擬的方法進(jìn)行輸電線路脫冰跳躍問(wèn)題研究，得到了廣泛應(yīng)用。

1影響導(dǎo)線脫冰跳躍的因素

（1）絕緣子長(zhǎng)度。當(dāng)發(fā)生脫冰跳躍時(shí)，在縱向不平衡張力的作用下，絕緣子串的縱向擺動(dòng)和偏移，會(huì)增大導(dǎo)線的跳躍高度。絕緣子串長(zhǎng)度對(duì)脫冰跳躍高度的影響在于：如串長(zhǎng)很短，接近于固定點(diǎn)懸掛方式，相鄰檔間的耦合較小，脫冰跳躍也較小;如串長(zhǎng)很長(zhǎng)，懸掛點(diǎn)發(fā)生同樣的縱向偏移時(shí)，其垂直位移的抬升很小，因而跳躍的高度也不會(huì)大;而當(dāng)絕緣子串長(zhǎng)取某一特定值時(shí)，脫冰跳躍可能會(huì)有最大高度。（2）脫冰量。脫冰的載荷越大，導(dǎo)線的跳躍高度也越大。僅改變脫冰載荷（以初始冰載荷的百分比計(jì)），在均勻脫冰條件下，導(dǎo)線脫冰跳躍高度與脫冰百分比近似滿足線性關(guān)系。（3）覆冰性質(zhì)的影響。當(dāng)覆冰為附著力較強(qiáng)的雨淞、混合淞?xí)r，通常只是一段一段地脫落，很難形成大的脫冰跳躍現(xiàn)象。反之，如果覆冰為附著力較弱的霧淞或濕雪時(shí)，則較容易出現(xiàn)整檔導(dǎo)線同時(shí)脫冰而導(dǎo)致導(dǎo)線強(qiáng)烈跳躍。（4）連續(xù)檔距組合的影響。研究結(jié)果表明，檔距組合對(duì)脫冰跳躍的影響顯著，連續(xù)檔脫冰跳躍高度遠(yuǎn)大于孤立檔情況。脫冰檔兩側(cè)的連續(xù)檔數(shù)越多、檔距越長(zhǎng)，則懸掛點(diǎn)處的檔間耦合越強(qiáng)，因而脫冰跳躍高度越大。但隨脫冰檔的檔距增大，各種組合條件下的脫冰跳躍高度呈現(xiàn)飽和趨勢(shì)。（5）導(dǎo)線型號(hào)的影響。相同鋁截面條件下，導(dǎo)線剛度越大，其脫冰跳躍高度越小。（6）不均勻脫冰的影響。不均勻脫冰越靠近檔距中央，其跳躍高度越大，且明顯大于均勻脫冰的情況。架空導(dǎo)線的懸索結(jié)構(gòu)中，靠近懸掛點(diǎn)位置的導(dǎo)線剛度較大，而檔距中點(diǎn)位置剛度最小。因而當(dāng)脫冰發(fā)生在沿檔距方向的不同位置，即使脫冰荷載完全相同，引起的脫冰跳躍的高度也是不同的。

2 覆冰模擬系統(tǒng)

如圖1所示，脫冰模擬是通過(guò)按一定方式釋放導(dǎo)線上懸掛的具有一定重量的質(zhì)量塊來(lái)完成.實(shí)驗(yàn)中在輸電線路上均勻布置12個(gè)質(zhì)量塊共4組，掛點(diǎn)間距4.6m.

3初始脫冰沖擊下翰電線路動(dòng)力響應(yīng)研究

當(dāng)環(huán)境溫度或風(fēng)載荷（風(fēng)速、風(fēng)向）發(fā)生變化或在熱力融冰時(shí)，輸電線路上的覆冰會(huì)因與架空線的粘附力不足而突然脫落，從而對(duì)輸電塔線系統(tǒng)形成一個(gè)初始沖擊載荷，導(dǎo)致架空線大幅振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱之為脫冰跳躍（IceShedding。由于脫冰沖擊會(huì)對(duì)輸電線路系統(tǒng)造成嚴(yán)重的電氣和機(jī)械安全事故，這一問(wèn)題引起了輸電線路相關(guān)工程和學(xué)術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。以往的脫冰跳躍研究主要采用等效密度法或集中載荷法模擬覆冰，分析過(guò)程中通過(guò)假定架空線上的整檔（或部分）覆冰突然脫落或按照規(guī)定的速度脫落，進(jìn)而研究在該脫冰（稱為“初始脫冰”）沖擊下輸電塔線系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。此類研究均默認(rèn)或假定在初始脫冰結(jié)束后，在架空線的后續(xù)振動(dòng)過(guò)程中，線路其他位置的覆冰始終粘附在架空線上而不會(huì)被“甩掉”。但是，在真實(shí)條件下，當(dāng)線路某處率先發(fā)生脫冰并引起架空線大幅振動(dòng)后，線路其他位置的覆冰勢(shì)必會(huì)有一部分在振動(dòng)過(guò)程中被“甩掉”（稱為“誘發(fā)脫冰”），并因不斷脫冰而引起整個(gè)輸電塔線系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度和阻尼在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)間不斷變化（稱為“誘發(fā)脫冰效應(yīng)”）。由初始脫冰導(dǎo)致的誘發(fā)脫冰效應(yīng)和輸電塔線系統(tǒng)的時(shí)變特性（尤其是由誘發(fā)脫冰引起的質(zhì)量的時(shí)變特性）無(wú)法使用以往的方捧進(jìn)行分析。因此，本章將通過(guò)對(duì)第2章提出的基于粘附力和內(nèi)聚力的覆冰脫落判定準(zhǔn)則進(jìn)行修正，使之可對(duì)自然脫冰過(guò)程中的誘發(fā)脫冰效應(yīng)進(jìn)行模擬;通過(guò)與某單檔試驗(yàn)線路的脫冰試驗(yàn)進(jìn)行比較，對(duì)修正后的覆冰脫落判定準(zhǔn)則在輸電線路脫冰動(dòng)力響應(yīng)分析中的適用性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證;隨后，對(duì)采用本文所提方法時(shí)覆冰輸電線路系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣的時(shí)變過(guò)程及特性進(jìn)行推導(dǎo)和展示;然后對(duì)某單檔發(fā)生自然脫冰的線路，分別使用本文所提方法和以往的等效密度法進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)兩者的對(duì)比進(jìn)一步從數(shù)值仿真角度對(duì)本文所提覆冰脫落判定準(zhǔn)則的可靠性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)使用兩種方法的差異進(jìn)行說(shuō)明。最后，通過(guò)建立一段三檔線路模型，對(duì)初始脫冰量、初始脫冰位置及方式和初始脫冰速度等因素對(duì)輸電線路系統(tǒng)脫冰動(dòng)力響應(yīng)的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，為易覆冰地區(qū)的線路設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供參考。

4導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)對(duì)線路安全運(yùn)行的影響

統(tǒng)計(jì)資料表明，分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線容易舞動(dòng)。單導(dǎo)線覆冰時(shí)，因偏心覆冰形成的偏心力矩使導(dǎo)線產(chǎn)生繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于扭轉(zhuǎn)剛度小，在偏心覆冰作用下導(dǎo)線易發(fā)生很大扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)線可能產(chǎn)生相對(duì)均勻的對(duì)稱覆冰，使線路不易發(fā)生舞動(dòng)。而分裂導(dǎo)線覆冰時(shí)，在子導(dǎo)線產(chǎn)生偏心覆冰后，因間隔棒線夾握力的存在，導(dǎo)線很難產(chǎn)生繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，每根子導(dǎo)線的相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度比單導(dǎo)線大得多，在偏心覆冰作用下，導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)極其微小，不能阻止導(dǎo)線覆冰的不對(duì)稱性，導(dǎo)線覆冰易形成扇形、新月形、D形等形狀的不均勻覆冰，從而對(duì)風(fēng)激勵(lì)形成正反饋，使得系統(tǒng)能量積聚，最終失穩(wěn)導(dǎo)致舞動(dòng)，使得分裂導(dǎo)線相對(duì)于單導(dǎo)線更易舞動(dòng)。大截面導(dǎo)線比小截面易舞動(dòng)。大截面導(dǎo)線的相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭轉(zhuǎn)角要小，導(dǎo)線覆冰更易形成翼形斷面，在風(fēng)激勵(lì)作用下，產(chǎn)生的升力和扭矩要大些。

結(jié)語(yǔ)

1）在實(shí)際的脫冰問(wèn)題中，須先在端部分步脫冰，其次在中間分步脫冰，可以有效地減小跳躍高度.2）不同負(fù)載情況，相同脫冰工況導(dǎo)線的脫冰響應(yīng)規(guī)律基本相同，幅值成正相關(guān)，覆冰量越大，導(dǎo)線脫冰振動(dòng)幅值越大，滿足式（1）.3）模擬和試驗(yàn)的位移曲線規(guī)律相同，驗(yàn)證了模擬方法的正確性，為模擬工作提供了參考.

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作者簡(jiǎn)介：

劉雙，出生年月：1985.02.15，性別：男，民族：漢，籍貫：河北保定市清苑區(qū)，學(xué)歷：科，職稱：工程師，研究方向：輸線電路方向。

（作者單位：保定吉達(dá)電力建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司線路分公司）