架空輸電線路脫冰跳躍模擬試驗研究

白天明，曹詠弘，薛凱允，關(guān)學(xué)峰，高玉波

(中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

輸電線路覆冰對電網(wǎng)的安全運行構(gòu)成威脅，有時盡管覆冰沒有破壞塔線體系，但不合理的脫冰方式可能使得導(dǎo)地線跳躍過高，導(dǎo)致導(dǎo)地線閃絡(luò)跳閘，所以尋求合理的脫冰方式具有重要意義.前期已經(jīng)通過有限元模擬給出了一個脫冰方案[1]，本文通過實驗驗證模擬方案的可靠性.

國內(nèi)外學(xué)者針對輸電線路覆冰及脫落進行了一系列研究，Jamaleddine等[2]在實驗室建立了檔距3.22 m的雙檔導(dǎo)線縮比模型并進行了試驗，測量了導(dǎo)線最大跳躍高度，掛點拉力變化以及絕緣子的偏轉(zhuǎn).Roshan等[3]使用有限元軟件ADINA模擬了雙跨導(dǎo)線的覆冰脫落，得到了覆冰厚度、跨度、掛點高差對導(dǎo)線脫冰的影響；Morgan等[4]在五檔的實際輸電線路上通過施加集中荷載模擬覆冰進行試驗；László E.Kollár等[5]在線纜上制備了濕雪進行了覆冰，研究了不同的環(huán)境條件、液態(tài)水含量和雪密度對脫落時間影響；在國內(nèi)，李宏男[6]在實驗室中建立了50 m孤立檔的導(dǎo)線進行了導(dǎo)線的跳躍試驗，測量了覆冰導(dǎo)線在不同工況下的導(dǎo)線端部張力和導(dǎo)線跨中跳躍高度，并使用有限元軟件ANSYS進行了驗證.楊文剛等[7]在實驗室中模擬了單導(dǎo)線的脫冰狀況，得到了不同工況下導(dǎo)線內(nèi)張力的變化規(guī)律.王璋奇等[8]設(shè)計了一套新型的導(dǎo)線脫冰震蕩模擬測試系統(tǒng)來研究導(dǎo)線脫冰振動，其具有精度高、自動化等優(yōu)點.謝獻忠等[9]設(shè)計了縮尺比為1∶20的2檔塔線體系試驗?zāi)Ｐ?，對拉鏈式脫冰進行了模擬，得到了脫冰動荷系數(shù)和跳躍高度與脫冰工況的關(guān)系.姬昆鵬[10]將改進的冰脫落準則用于分析導(dǎo)線受到斷裂沖擊的情況，并與試驗比較驗證了方法的可靠性，證明冰脫落效應(yīng)對導(dǎo)線的動態(tài)響應(yīng)有顯著作用.

總的來說，研究輸電線路在脫冰響應(yīng)方面主要有兩種手段，有限元模擬和試驗；其中試驗方法也可以分為兩種方法：現(xiàn)場實驗和模型試驗.

這幾種方法各有優(yōu)缺點，有限元軟件模擬更加快捷，成本較低，但有限元模型的誤差、算法的誤差以及模擬所需的參數(shù)難以精確給出，使得模擬結(jié)果會有一定的偏差；模型試驗，一般在實驗室內(nèi)進行，容易控制變量，可以得到較準確的試驗數(shù)據(jù)，但是可信度低于現(xiàn)場實驗.現(xiàn)場實驗是在真實塔線結(jié)構(gòu)上進行實驗，由于缺乏合適的測試設(shè)備和方法，測試難度比較很大，但可信度比較高.

本文在臨汾電力學(xué)校內(nèi)的實際輸電線路上進行了試驗，使用質(zhì)量塊模擬覆冰，研究了不同工況、不同覆冰量的情況下，導(dǎo)線在脫冰過程中的力學(xué)響應(yīng)特性，結(jié)果具有較大的參考價值，可以為理論和模擬工作提供參考.

1 試驗設(shè)計

1.1 實驗線路

實驗線路為臨汾電力學(xué)校內(nèi)一檔不通電的輸電線路，兩端輸電塔詳細信息如表1 所示.

表1 輸電塔詳細信息

輸電線為110 kV雙分裂導(dǎo)線LGJ240/30，導(dǎo)線長69.53 m，雙分裂導(dǎo)線間距40 cm，在下方導(dǎo)線上進行試驗，參數(shù)如表2 所示.

表2 測試段導(dǎo)線具體參數(shù)

1.2 覆冰模擬系統(tǒng)

如圖1 所示，脫冰模擬是通過按一定方式釋放導(dǎo)線上懸掛的具有一定重量的質(zhì)量塊來完成.實驗中在輸電線路上均勻布置12個質(zhì)量塊共4組，掛點間距4.6 m.

圖1 懸掛重物示意圖

1.3 位移測試系統(tǒng)

位移通過拉線位移傳感器進行測試，測點位于試驗線路的中點，如圖1 所示.測量裝置及安裝如圖2 所示.

圖2 測試系統(tǒng)

為了測量導(dǎo)線測點水平位移和垂直位移，在測點布置了兩個拉線位移傳感器，一個豎直向下，一個呈30°夾角斜向擺放，可以得到導(dǎo)線測點的水平位移和豎直位移.

1.4 覆冰脫落控制系統(tǒng)

各種脫冰工況是通過電磁鐵控制重物按照一定時序脫落來實現(xiàn)的，控制系統(tǒng)如圖3 所示，根據(jù)脫冰工況所需調(diào)整接線器接線方式來控制脫冰.

圖3 控制系統(tǒng)

1.5 工況設(shè)置

為了研究不同工況下的動力學(xué)響應(yīng)，設(shè)計了覆冰同時脫落、先兩端后中間、先中間后兩端、順序脫落等7種覆冰脫落工況，如表3 所示.

表3 脫冰工況設(shè)置

2 測量和分析

實測了單個重物分別為2.5 kg，3.5 kg，5 kg的3種覆冰工況，共21種脫冰工況.

2.1 靜力加載

圖4 為單個重物為2.5 kg的覆冰工況，逐步順次加載12個重物時測點的位移圖.可以看出，隨著載荷的增加，靜載位移與載荷增加基本成正相關(guān)，導(dǎo)線的弧垂也與導(dǎo)線施加載荷成正相關(guān).

圖4 加載中導(dǎo)線測點位移時程曲線

2.2 脫冰響應(yīng)

以工況1為例，不同載荷作用下的時程曲線如圖5 所示.

圖5 不同載荷下卸載導(dǎo)線測點位移曲線

由圖5 可以看出，相同脫冰工況時，不同覆冰工況的脫冰響應(yīng)規(guī)律類似，衰減時間相同，但是跳躍高度隨載荷增加而增加，因此以下以單個重物為2.5 kg的覆冰工況為例來分析說明.

以工況1為例，其位移時程曲線如圖6 所示.

圖6 導(dǎo)線測點豎向位移和水平位移的比較

由圖6 可以得到，導(dǎo)線的振動周期為1.85 s，脫冰后，導(dǎo)線首先做衰減振動，振幅不斷減小，之后由于相鄰檔的導(dǎo)線振動影響，出現(xiàn)二次振動，振動衰減時間較長，大約為34 s，水平位移始終保持在較小的水平，主要是由于絕緣子串橫向擺動引起的.

針對不同工況進行分析，得到不同工況的位移曲線，如圖7 所示.

圖7 不同卸載工況測點位移曲線

分析各種工況，得到每個脫冰工況下各個步驟的跳躍高度，如表4 所示.

表4 不同工況各個步驟測點最大位移

對比工況2和3，得到中間荷載先卸載比兩端荷載先卸載具有更大的跳躍位移，因而更容易發(fā)生閃絡(luò)事故，所以在實際脫冰時，需先考慮邊緣脫冰，其次考慮中部脫冰；對比工況2和7，得到端部載荷的分步卸載有利于減小導(dǎo)線的跳躍高度；對比工況2和6，得到了中間荷載的分步卸載，同樣減小了導(dǎo)線的跳躍高度；因此在實際脫冰中，檔內(nèi)脫冰，端部和中間段覆冰均需分步進行.

3 模擬部分

3.1 結(jié)果對比

在有限元軟件ABAQUS中建立了單耐張段3塔4線塔線體系模型如圖8 所示，對相關(guān)脫冰工況進行了模擬，圖8 為一些工況模擬和實驗工況的數(shù)據(jù)對比.

圖8 塔線模型

圖9 模擬和實驗的數(shù)據(jù)對比

對比這兩種工況，模擬數(shù)據(jù)的規(guī)律和實驗基本相同，第一個波峰高度，也即最大脫冰跳躍高度基本一致，但模擬中周期為2 s，略大于實驗數(shù)據(jù)，這是由于在模擬導(dǎo)線時采用了桿單元忽略了導(dǎo)線的彎曲剛度[11]所導(dǎo)致的.在檔距增大的情況下，其影響會縮小[12].

該對比驗證了實驗方法以及模擬方法的可靠性.

3.2 質(zhì)量塊模擬覆冰的可靠性分析

對覆冰12.5 mm全脫的工況進行了模擬，對比質(zhì)量塊和均勻覆冰的兩種荷載情況下的中點位移，如圖10 所示.

圖10 均勻覆冰和質(zhì)量塊載荷的中點位移比較

通過對比可以看到，曲線基本重合，所以使用質(zhì)量塊可以用于模擬均勻覆冰的情況.

3.3 覆冰量對跳躍高度的影響

實驗中使用質(zhì)量塊雖然可以模擬不同覆冰量的覆冰[13]，但由于實際情況所限，只能采用幾種荷載進行試驗.為了更好地擬合數(shù)據(jù)，在有限元中模擬了更多不同荷載下全部脫冰工況的導(dǎo)線最大跳躍高度，結(jié)果如圖11 所示.

圖11 跳躍高度隨覆冰量的變化曲線

通過擬合模擬數(shù)據(jù)得出

y=0.118x-0.001 84x2-0.026 1,

(1)

式中：y為全部脫冰工況的跳躍高度，m；x為覆冰量，mm.公式擬合殘差平方和為0.003 37，與模擬擬合效果較好.結(jié)果表明，在檔距固定的條件下，全部脫冰工況的脫冰跳躍高度和覆冰量之間為二次關(guān)系.

4 結(jié) 論

1)在實際的脫冰問題中，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)線脫冰振動幅值越大，滿足式(1).

3)模擬和試驗的位移曲線規(guī)律相同，驗證了模擬方法的正確性，為模擬工作提供了參考.