基于特高壓交流線路脫冰跳躍計算實驗及對策分析

長沙理工大學 何舜威 李 鴻

湖南省電力勘探設計院 劉慶豐

引言：本文主要根據南方覆冰脫冰現狀，進行脫冰跳躍力學試驗，并根據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地線水平偏移，提出重覆冰地區線路設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，并根據南方特定情況給出相應對策。

1.前言

2013年的浙中—福州1000kV輸電線路，15mm及以上重覆冰地區占全線70%以上，證明南方地區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情況，主要研究計算當輸電線路發生覆冰時的脫冰跳躍計算。

2.脫冰跳躍力學試驗模型

2.1 實驗模型

由于懸掛點之間的距離很大，所以對于架空輸電線路導線，導線懸掛于空中的幾何形狀將受到材料的剛性的影響很小，因此可以將導線假定為一根處處鉸接的柔軟鏈條，同時也可以假定導線的自重沿導線長度方向為均勻分布，所以將采用懸鏈線數學模型來分析架空導線的受力。已知導線張力和弧垂的初始值，采用差分方程求解出架空導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為導線單位長度質量kg/m；Xi、Yi為導線上質點在i時刻X、Y方向上位移m；FX、FY為導線上質點在i時刻X、Y方向上合外力N；TX、TY為導線上質點在i時刻X、Y方向上張力合力N；CX、CY為導線X、Y方向上運動的阻尼系數Nsm-2；ΔT為時間差分間隔s；ΔZ為導線長度差分長度m；Tmax為導線上質點所受外力的最大值N。

懸垂絕緣子串兩側分別連接相鄰兩檔導線，在兩側導線張力的共同作用下達到平衡。當兩側導線的覆冰狀況發生變化時，兩側導線的張力會發生變化，懸垂絕緣子串沿z方向左右擺動，直至達到新的平衡。根據受力平衡原理，導線懸掛點處所受合力為0，即兩側導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角。

2.2 采集系統模型

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

圖2 導線脫冰跳躍試幅值激光測量

3.脫冰跳躍實驗數據及分析

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

表1 導線脫冰跳躍幅值測試結果

表2 孤立檔導線脫冰張力測試結果

表3 連續檔導線脫冰張力測試結果

從試驗結果和計算結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，計算結果與試驗結果基本相符，同時考慮到客觀存在的試驗誤差，兩者結果的差別在可接受的范圍之內。因此導線覆冰脫落跳躍采用的計算模型和方法是合理可信的，將導線覆冰考慮為均布載荷相對于試驗模擬工況應更接近實際情況，同時針對分裂導線考慮了導線體系的運動阻尼，與試驗條件的單導線相比也更接近實際情況，計算方法合理，結論可信，可以應用于實際工程。

表4 試驗結果與計算結果比較表

4.試驗結論

（1）脫冰跳躍試驗結果表明導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。導線脫冰后，導線張力不會發生突變，而是隨導線的周期運動作周期變化，最后達到新的平衡。

（2）隨著脫冰重量和比例的增加，導線跳躍幅度也會隨之逐漸增大。在相同的脫冰情況下，非均勻脫冰時的導線跳躍幅度遠大于均勻脫冰時的導線跳躍幅度；卸載50%非均勻荷載導線跳躍幅度為1962mm，卸載50%均勻荷載導線跳躍幅度為1251mm，卸載70%非均勻荷載導線跳躍幅度為2937mm，卸載70%均勻荷載導線跳躍幅度為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）對于連續檔的情況，兩檔同時脫冰時的導線跳躍幅度較只有一檔卸載時的導線跳躍幅度要大；兩檔均卸載100%荷載導線跳躍幅度為1794mm；一檔卸載100%荷載導線跳躍幅度為1650mm。

（4）在相同的脫冰情況下，隨著檔距的減小導線跳躍幅度也減小；235m檔距卸載100%荷載導線跳躍幅度為4063mm;117.5m檔距兩檔均卸載100%荷載導線跳躍幅度為1794mm。

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

5.討論

結合覆冰情況及脫冰實驗可知的防護措施目前主要有以下幾個方案：

（1）狀態監測技術：采集絕緣子串風偏角、傾斜角、拉力等參數，對參數和微氣象環境參數進行分析，計算導線覆冰后的比載、覆冰重量、覆冰平均厚度等覆冰技術參數。發現覆冰重量、厚度超出標準，及時發出除冰報警信息，通知線路運行部門及時采取措施，避免覆冰導致的倒塔和舞動等危害的發生。

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

（3）監控平臺：通過對輸電線路覆冰的實時監測，為線路維護人員提供所在區域的微氣象全天候實時監測，提供可比較的數據，在覆冰異常狀態下給運行部門報警。