史淋升，孫華東，曹詠弘，李海濤，謝東升

(1.中北大學(xué) 理學(xué)院， 太原 030051；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，太原 030000)

嚴(yán)重覆冰容易造成塔線體系因過(guò)載而失穩(wěn)，損害輸電設(shè)備，威脅電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。因此，研究線路的除冰技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。目前輸電線路的除冰方法可歸為四類(lèi)[2]：改變導(dǎo)線的溫度使覆冰融化的熱力融冰法；依靠風(fēng)力等使覆冰脫落的被動(dòng)除冰法；使用機(jī)械力，使覆冰發(fā)生斷裂從導(dǎo)線上脫落的機(jī)械除冰法；此外還有通過(guò)改變電線材質(zhì)等輔助手段去除覆冰。雖然這些方法目前已經(jīng)取得了一定的成效，但是針對(duì)山區(qū)地形的覆冰類(lèi)型，存在一定的局限性。為此提出一種商用線裝藥爆破除冰新思路，即達(dá)到除冰條件時(shí)引爆預(yù)先敷設(shè)在輸電線路上的少量線裝炸藥，利用炸藥爆破去除覆冰。

在對(duì)線路進(jìn)行爆破除冰時(shí)，關(guān)心的問(wèn)題主要有兩個(gè)方面：一是爆炸沖擊是否會(huì)對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生損傷；二是爆破作用下，導(dǎo)線脫冰時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)是否在安全范圍。對(duì)于前者，謝東升等[3]在縮尺寸覆冰導(dǎo)線模型上進(jìn)行了爆破試驗(yàn)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明：合理的設(shè)置炸藥藥量和炸藥導(dǎo)線間的距離能夠使炸藥去除覆冰的同時(shí)對(duì)導(dǎo)線不產(chǎn)生損傷。對(duì)于爆破后導(dǎo)線的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，縮尺寸試驗(yàn)的結(jié)果并不理想。以往有眾多學(xué)者進(jìn)行了導(dǎo)線的脫冰動(dòng)力響應(yīng)研究[4-7]，然而，相比以往的脫冰方法，爆破除冰雖然速度快，但導(dǎo)線脫冰時(shí)產(chǎn)生的跳躍動(dòng)力響應(yīng)也更劇烈。此外，導(dǎo)線的脫冰動(dòng)力響應(yīng)和脫冰量有關(guān)，可通過(guò)研究在極短爆破時(shí)間內(nèi)的脫冰率來(lái)確定爆破除冰時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)是否在安全范圍內(nèi)。

為了系統(tǒng)研究爆破除冰機(jī)理和實(shí)施策略，本文利用ABAQUS有限元軟件在一段三跨導(dǎo)線上模擬計(jì)算了爆破作用下導(dǎo)線的脫冰率，同時(shí)進(jìn)行了不同脫冰工況下，導(dǎo)線的脫冰跳躍特性研究。為工程線路的爆破除冰方法實(shí)施提供一定的參考。

1 爆破作用下導(dǎo)線脫冰機(jī)理

用于導(dǎo)線爆破除冰裝置示意圖及其脫冰機(jī)理如圖1所示，該裝置的工作原理為：預(yù)先在導(dǎo)線下端敷設(shè)一種線裝炸藥，當(dāng)導(dǎo)線結(jié)冰后，覆冰將線裝炸藥和導(dǎo)線包裹在一起，通過(guò)引爆炸藥，利用爆炸沖擊來(lái)去除導(dǎo)線覆冰。對(duì)于導(dǎo)線上的覆冰，脫落過(guò)程為：炸藥敷設(shè)區(qū)的覆冰會(huì)在爆炸沖擊的作用下直接發(fā)生損毀；對(duì)于非爆破區(qū)域的覆冰，當(dāng)導(dǎo)線受到炸藥沖擊力后會(huì)發(fā)生舞動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致這部分的覆冰被“甩掉”，即誘發(fā)脫冰現(xiàn)象(圖1)。

圖1 爆破除冰脫冰機(jī)理示意圖

采用預(yù)先敷設(shè)在輸電線路上的線裝炸藥爆破的方法去除導(dǎo)線覆冰是一種成本低、效率高的除冰方法。保障電網(wǎng)和輸電線路安全的同時(shí)，電網(wǎng)還能不間斷運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了資源和能源利用的最大化。

2 覆冰誘發(fā)脫落判定及其有限元實(shí)現(xiàn)

在對(duì)覆冰導(dǎo)線進(jìn)行爆破除冰時(shí)，爆破區(qū)域的覆冰會(huì)因爆炸沖擊而破壞。對(duì)于非爆破區(qū)域的覆冰則認(rèn)為導(dǎo)線振動(dòng)施加在覆冰上的慣性力和重力大于覆冰內(nèi)部的內(nèi)聚力和覆冰導(dǎo)線間的黏結(jié)力時(shí)，該區(qū)域覆冰被“甩掉”，如式(1)[8]。覆冰受力如圖2所示。

Finertia±G≥Fcohesive+Fadhesive

(1)

式(1)中:Finertia為慣性力，G為覆冰重力，F(xiàn)adhestive為粘結(jié)力，F(xiàn)cohesive為內(nèi)聚力；“+”“-”號(hào)分別表示上半部分和下半部分覆冰。

圖2 覆冰受力示意圖

將式(1)中的各項(xiàng)參數(shù)用加速度表示，最終求出覆冰脫落的臨界加速度值判定為

(2)

其中:D為覆冰導(dǎo)線直徑，Dcable為導(dǎo)線直徑。將式(2)作為判定條件，寫(xiě)入場(chǎng)變量子程序USDFLD來(lái)判定覆冰單元“生死”。在有限元主程序求解的每一個(gè)時(shí)間增量?jī)?nèi)，通過(guò)調(diào)用子程序，對(duì)覆冰單元的加速度進(jìn)行檢測(cè)，若大于臨界加速度，則定義該覆冰單元質(zhì)量和剛度矩陣為“0”。脫落的流程框圖如圖3。

圖3 覆冰脫落判定流程框圖

為了驗(yàn)證模擬方法的正確性，需要用模型試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由于誘發(fā)脫冰實(shí)驗(yàn)受外界因素影響比較多，試驗(yàn)可重復(fù)性差。加拿大魁北克水電研究院在一段檔距100 m的單檔覆冰導(dǎo)線上進(jìn)行的沖擊式機(jī)械除冰實(shí)驗(yàn)是目前僅有的文獻(xiàn)詳細(xì)記載的全尺寸脫冰試驗(yàn)[9]。姬昆鵬等[10]利用ADINA對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與文獻(xiàn)[9]一致。本文通過(guò)覆冰加速度脫落判定準(zhǔn)則對(duì)文獻(xiàn)[10]中的一個(gè)算例進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果如表1所示。其中脫冰率的計(jì)算見(jiàn)式(3)。相關(guān)工況描述見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。結(jié)果相差不大，說(shuō)明了本文模擬方法的可靠性。

(3)

表1 文獻(xiàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果

3 實(shí)例分析

3.1 基本假定和有限元建模

為了討論實(shí)際爆破除冰過(guò)程中的導(dǎo)線動(dòng)力響應(yīng)。模擬建立了如圖4所示的一段三跨覆冰導(dǎo)線模型。導(dǎo)線的檔距為100 m。冰厚取30 mm。覆冰類(lèi)型為霧凇狀覆冰。模擬中，首先對(duì)爆破作用下，導(dǎo)線的除冰率進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同的爆破工況下導(dǎo)線跳躍響應(yīng)進(jìn)行研究。

圖4 三跨覆冰導(dǎo)線模型

模擬中，為了相對(duì)試驗(yàn)方法更為簡(jiǎn)單高效，分別對(duì)塔線體系進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。導(dǎo)線用理想不可壓縮的桿單元離散。由于耐張塔的加固設(shè)計(jì)以及直線塔上豎直絕緣子串在脫冰過(guò)程中的擺動(dòng)，其動(dòng)力響應(yīng)并不明顯[11],因此桿塔簡(jiǎn)化為固定支座處理。

導(dǎo)線在自重狀態(tài)下呈懸鏈線形，通過(guò)施加初始預(yù)應(yīng)力的方式進(jìn)行覆冰導(dǎo)線的找形[12]。導(dǎo)線單元和覆冰單元之間的連接方式為共節(jié)點(diǎn)綁定連接。覆冰導(dǎo)線阻尼用Rayleigh阻尼來(lái)描述，模擬中阻尼系數(shù)α取0.14，β近似取值0[13]。模型的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 有限元模型相關(guān)參數(shù)

覆冰脫落的臨界加速度根據(jù)GuyFortin等[14]對(duì)霧凇的粘結(jié)內(nèi)聚強(qiáng)度研究，利用式(2)計(jì)算取值為14 000 m/s2。對(duì)應(yīng)的覆冰粘結(jié)內(nèi)聚強(qiáng)度為0.8 MPa和0.2 MPa。

3.2 爆破載荷作用下導(dǎo)線的脫冰率分析

首先進(jìn)行爆破載荷下的導(dǎo)線脫冰率分析，爆炸波的幅值大小如圖5(a)。模擬了每檔導(dǎo)線中部脫冰和導(dǎo)線端部脫冰的工況，計(jì)算了各種工況下導(dǎo)線總體脫冰率。為了充分研究導(dǎo)線脫冰率的影響因素，同時(shí)計(jì)算了另外兩種沖擊載荷下導(dǎo)線的脫冰率，以及改變臨界加速度值后的導(dǎo)線脫冰率。模擬結(jié)果如表3和表4所示。

圖5 載荷作用時(shí)間歷程

從表3可以看出：對(duì)于霧凇這種類(lèi)型的覆冰，應(yīng)用爆破的方式進(jìn)行除冰時(shí)，不論是那種脫冰工況，都不會(huì)發(fā)生誘發(fā)脫冰。一方面，這是由于爆破本身持續(xù)時(shí)間比較短(μs量級(jí))造成的。相同工況下，增加沖擊載荷時(shí)長(zhǎng)(ms量級(jí))時(shí)，導(dǎo)線的脫冰率則有了明顯的提高。唐銳、姬昆鵬等人的研究得到了類(lèi)似的結(jié)論[15]，這里不再贅述。另一方面，由于霧凇脫落的臨界加速度值很大，即其和導(dǎo)線間的粘結(jié)力以及自身的內(nèi)聚力較大(0.8 MPa)，基于這種原因，覆冰很難從導(dǎo)線上被“甩掉”。從表4中可以看出：當(dāng)脫落臨界加速度值減小的時(shí)候，導(dǎo)線的脫冰率隨之增加，即覆冰的粘結(jié)力越小，覆冰越容易被甩掉，這與常識(shí)相符合。綜上兩方面可以說(shuō)明模擬結(jié)果的可靠性。

表3 不同沖擊載荷下導(dǎo)線的脫冰率(a=14 000 m/s2)

表4 爆破載荷不同臨界加速度值下導(dǎo)線的脫冰率

當(dāng)覆冰脫落臨界加速度值為2 500 m/s2時(shí)，爆破載荷下的覆冰導(dǎo)線開(kāi)始有了很小的誘發(fā)脫冰現(xiàn)象，此時(shí)根據(jù)式(2)求出此時(shí)覆冰的粘結(jié)強(qiáng)度為0.03 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)[14]列出的不同覆冰粘結(jié)強(qiáng)度表，可以得出對(duì)于大部分覆冰類(lèi)型(水冰、混合淞等)，在對(duì)其用爆破的方法進(jìn)行除冰時(shí)，均不會(huì)發(fā)生明顯誘發(fā)脫冰現(xiàn)象。當(dāng)覆冰和導(dǎo)線間的粘聚力很小時(shí)(粘結(jié)強(qiáng)度0.002 MPa)，這種情況下，覆冰的脫落加速度值很小(小于2 000 m/s2)，甚至能夠自然脫落。此時(shí)，對(duì)其應(yīng)用爆破的方法除冰時(shí)，容易引起覆冰大面積脫落，造成冰跳事故。對(duì)于這種情況可不予以爆破的方法除冰。

與以往的沖擊式除冰方法相比，爆破除冰在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以根據(jù)爆破載荷這種持續(xù)時(shí)間短、誘發(fā)脫冰量少的特性，來(lái)人為的控制其導(dǎo)線跳躍高度，從而使除冰方案更加安全。

3.3 爆破載荷下脫冰工況分析

用爆破的方法對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行除冰時(shí)，根據(jù)線裝炸藥的爆炸傳播速度，100 m檔距的覆冰在0.7 s左右就可以全部爆破掉。導(dǎo)線的這種短時(shí)間載荷變化容易引起張力發(fā)生突變，從而使導(dǎo)線發(fā)生很大的跳躍。為了充分研究脫冰時(shí)間和導(dǎo)線的跳躍關(guān)系，進(jìn)行了L2檔導(dǎo)線中間50 m覆冰在不同脫冰時(shí)間下的導(dǎo)線跳躍模擬。結(jié)果如圖6所示的跳躍曲線。

圖6 不同脫冰時(shí)間下導(dǎo)線跳躍曲線

從圖6可以看出：脫冰時(shí)間越短，導(dǎo)線的跳躍高度越大。這是由于爆破作用下的覆冰脫落類(lèi)似于一種載荷“瞬時(shí)卸載”，導(dǎo)線在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的這種重力改變會(huì)使其發(fā)生很大的跳躍。基于這種原因，在對(duì)覆冰導(dǎo)線進(jìn)行爆破除冰時(shí)，需要嚴(yán)格設(shè)置脫冰工況使其脫冰跳躍高度處于安全范圍之內(nèi)。

針對(duì)圖4所示的三跨輸電線路模型，從脫冰線段、一檔導(dǎo)線內(nèi)脫冰位置兩個(gè)方面進(jìn)行考慮設(shè)計(jì)了如表5所示的脫冰工況。模擬計(jì)算了每種爆破工況下，導(dǎo)線的最大跳躍高度。

表5 脫冰工況

圖7為不同線段內(nèi)一整檔導(dǎo)線全部脫冰下的L2檔導(dǎo)線跨中節(jié)點(diǎn)跳躍曲線。

從圖7可以看出：先進(jìn)行耐張段脫冰，再進(jìn)行直線段脫冰時(shí)，導(dǎo)線的跳躍幅度最大(5 m)。由于耐張段導(dǎo)線L1、L3檔脫冰后中間直線段L2檔由于豎直絕緣子串的擺動(dòng)，會(huì)下垂一定距離，如圖8所示。此時(shí)再對(duì)L2檔導(dǎo)線進(jìn)行脫冰時(shí)，由于直線檔導(dǎo)線兩端的L1、L3檔已經(jīng)沒(méi)有了覆冰載荷，導(dǎo)致其對(duì)L2檔導(dǎo)線的拉力變小，從而使得L2檔導(dǎo)線在脫冰時(shí)發(fā)生了更大的跳躍。

圖7 一整檔導(dǎo)線全部脫冰導(dǎo)線跳躍曲線

圖8 耐張段脫冰后絕緣子串偏移

通過(guò)對(duì)比表5前三種脫冰工況可以得出：在對(duì)三檔導(dǎo)線同時(shí)進(jìn)行脫冰時(shí)，導(dǎo)線的跳躍高度是最小的。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于導(dǎo)線的檔距一般都在百米級(jí)別，這種脫冰工況實(shí)際操作起來(lái)不容易實(shí)現(xiàn)。因此脫冰時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮先脫直線檔的覆冰。

圖9為直線檔L2脫冰工況下，導(dǎo)線跨中節(jié)點(diǎn)的最大跳躍位移曲線。

圖9 直線檔分區(qū)域脫冰工況下的導(dǎo)線跨中節(jié)點(diǎn)的最大跳躍位移曲線

從圖9可以看出：相同脫冰量下，脫冰位置位于導(dǎo)線中間時(shí)，導(dǎo)線的跳躍高度最大；直線檔的左右兩端同時(shí)進(jìn)行除冰時(shí)，導(dǎo)線的跳躍高度是最小的。在對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行脫冰時(shí)，在同一脫冰區(qū)域進(jìn)行分區(qū)脫冰，能有效的減低導(dǎo)線跳躍高度。如工況E中，導(dǎo)線左端進(jìn)行了一次20 m脫冰，工況G中，導(dǎo)線左端進(jìn)行了兩次脫冰，每次脫冰量為10 m。兩種工況下，總的脫冰量相同，但是工況G的跳躍高度明顯小于工況E下的跳躍高度。

圖10為耐張檔L1脫冰工況下，導(dǎo)線跨中節(jié)點(diǎn)的最大跳躍位移曲線。

可以看出：跟直線檔相同，脫冰位置位于導(dǎo)線兩端時(shí)，導(dǎo)線的跳躍高度最小，在同一脫冰區(qū)域進(jìn)行分區(qū)脫冰，能有效的降低導(dǎo)線跳躍高度。

圖10 耐張檔分區(qū)域脫冰工況下的導(dǎo)線跨中節(jié)點(diǎn)的最大跳躍位移曲線

實(shí)際上，對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行單獨(dú)一檔脫冰很后，導(dǎo)線的不平衡張力急劇增大，容易造成危險(xiǎn)[16]。以工況B為例，優(yōu)先在L2檔導(dǎo)線脫冰后，由于L1、L3檔還存在有覆冰，此時(shí)L2檔導(dǎo)線將承受很大的拉力。為了使導(dǎo)線間的不平衡張力減小，可以進(jìn)行在L2檔導(dǎo)線脫冰時(shí)同時(shí)在L1、L3檔導(dǎo)線上也去除一部分覆冰的組合脫冰工況。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)相關(guān)脫冰安全規(guī)范來(lái)具體設(shè)計(jì)脫冰量和脫冰位置。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)一般重冰區(qū)覆冰類(lèi)型，其覆冰誘發(fā)脫落現(xiàn)象與機(jī)械除冰時(shí)的外載荷持續(xù)時(shí)間有關(guān)，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)線的誘發(fā)脫冰率越高。運(yùn)用線裝炸藥爆破的方法去除導(dǎo)線覆冰是一種效率高、見(jiàn)效快的方法。該方法載荷作用時(shí)間極短，能夠有效的抑制覆冰誘發(fā)脫落現(xiàn)象，從而使除冰區(qū)域更加精準(zhǔn)，能夠消除由于覆冰誘發(fā)脫落帶來(lái)的導(dǎo)線動(dòng)力危險(xiǎn)響應(yīng)。

2) 覆冰脫落時(shí)，導(dǎo)線的跳躍高度跟脫冰時(shí)間有關(guān)。同一脫冰量下，脫冰時(shí)間越短，導(dǎo)線的跳躍高度越高。爆破除冰方法下，由于爆炸傳播速度極快，百米脫冰時(shí)間在0.7 s左右。這種方法下，容易造成導(dǎo)線跳躍高度過(guò)大。采用合理的脫冰工況設(shè)置能夠控制導(dǎo)線的脫冰跳躍高度。對(duì)于文中提到的三跨輸電線路，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮進(jìn)行直線檔脫冰，再進(jìn)行耐張檔脫冰。選擇在導(dǎo)線兩端除冰的方式對(duì)一檔線路除冰時(shí)，導(dǎo)線的跳躍高度最小。在同一脫冰區(qū)域進(jìn)行分區(qū)脫冰，能有效的減低導(dǎo)線跳躍高度。

3) 實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)相關(guān)脫冰安全規(guī)范，通過(guò)模擬計(jì)算具體每檔導(dǎo)線的脫冰量大小來(lái)消除相鄰導(dǎo)線間的不平衡張力。本文提出的模擬方法可為爆破除冰應(yīng)用提供合理參考。