多參數影響下輸電線鏈式脫冰實驗研究

李孟珠，晏致濤，熊 輝，游 溢,2

( 1.重慶大學 土木工程學院,重慶 400045; 2.國網新疆電力公司 電力科學研究院,烏魯木齊 830011)

輸電線路脫冰振動是造成電力系統損害的自然災害之一。在一定的溫度和風條件下，輸電線路上的覆冰會脫落，從而引起導線上下振動和橫向擺動，極易造成線路閃絡、跳閘事故的發生，甚至輸電線路的倒塌，威脅整個供電系統的安全。2008年，華中、華東地區3次大范圍的雨雪冰凍天氣，使輸電線路覆冰極為嚴重，南方很多地區的輸電線路發生多起覆冰事故，導致電力中斷、交通癱瘓等后果，直接經濟損失達1 100多億元[1]。因此，研究覆冰輸電線脫冰后的振動響應對導線間距和輸電線路的安全運行具有重要的工程實用價值[2-4]。

目前，關于覆冰輸電線的脫冰[5]跳躍研究主要采用數值仿真[6-8]和物理試驗等兩種手段。有關數值仿真的文獻很多，不論是基于有限元的建模、瞬態脫冰的響應計算分析，還是對于參數的影響及分析都已經進行了比較系統和深入的研究,本文不再贅述。有關物理模擬試驗方面[9]，起初是將均勻冰重轉換成集中質量懸掛在跨中的方法模擬實現輸電線路覆冰進行的脫冰實驗，從而測得各檔架空線的脫冰跳躍高度[10]。Jamaleddine等[11]依據人工建立的氣候室尺寸，設計出僅為3.22 m檔距的兩檔架空線縮尺模型，對覆冰后架空線的多種真實脫冰工況進行物理模擬，瞬時狀態記錄了架空線路的最大跳躍高度以及各掛點的張力變化。在冰凍實驗室，Kollár等[12]完成了單檔輸電線的濕雪脫落試驗，并模擬了在多種自然條件下輸電線的濕雪脫落。國內夏正春[13]通過懸掛集中荷載重物實現輸電線覆冰的模擬，開展了單檔導線的整跨脫冰模擬試驗，測量了跨中導線的張力。王璋奇等[14]采用人工覆冰和集中質量兩種方法來模擬單檔覆冰輸電線的脫冰振動實驗，同時對比了兩種模擬覆冰方法對脫冰跳躍動力響應帶來的影響。除了對輸電導線的脫冰跳躍觀測，劉春城等[15]研究了五塔四檔塔線體系模型在覆冰條件下的脫冰沖擊對輸電桿塔的最不利工況以及位置。黃新波等[16]對檔距組合的輸電線路做了研究，得到了輸電塔線體系的動張力和幅值特性以及多參數對脫冰的影響規律。王璋奇等[17]也研究了輸電線路同時脫冰下的動張力特性。

上述文獻在脫冰模擬試驗方面都有各自的研究重點，大多試驗只關注了瞬時脫冰。而實際自然界中，蔣興良等[18]在自然覆冰實驗站開展的直流融冰實驗記錄和觀測均表明輸電線路的脫冰是一個鏈式過程。在現有的試驗中很少有對高差的研究，但實際中，有很多輸電塔線是建立在高山中的[19]，需要考慮實際工況中的高差影響，所以現有的試驗模擬是有不全面之處的。文章在前期試驗的基礎上進行改進，試驗通過集中荷載代替覆冰荷載方法，利用PCL電路圖來控制不同電磁鐵的磁性以實現覆冰荷載脫落的模擬。有效地完成了模擬現實中各種復雜的脫冰工況的過程。綜合考慮了高差、防震裝置、模型的動力相似、脫冰方式、脫冰工況的多樣性，使用精度達到納米級別的高速攝像儀DIC-3D準確測量脫冰跳躍過程中位移的變化來反映單跨輸電線路脫冰振動響應。

1 試驗模型設計

1.1 模型設計

本試驗模擬孤立檔下的單導線脫冰，考慮原型輸電線的動力特性以及試驗長度的限制，取試驗模型的幾何相似比為

cl=lm/lp=1/30，

(1)

式中：lm和lp分別為模型和原型的長度；cl表示試驗模型與原型的長度相似比。這里取模型縮尺比為1∶30，原型檔距為270 m，模型單跨檔距9 m。

為了保證構件的拉伸剛度，使用抗側彎能力低的碳素線作為模擬導線的材料。通過輸電導線大小的計算，選擇碳素線的型號為10號，直徑為0.6 mm。

在結構動力試驗中，為了保證幾何相似的基礎上動力相似，根據Froude和Cauchy數相似，Frm=Frp和Cam=Cap,其中Frm,Cam為模型的Froude和Cauchy數，Frp,Cap為原型的Froude和Cauchy數，即可以推導出以下密度的相似比條件為

Cρ=CE/CgCl，

(2)

式中：Cρ為密度相似比；CE為彈模相似比為1；Cg為重力加速度相似比；Cl為長度相似比。

考慮到在試驗中，模型重力加速度應和原型重力加速度相同，取重力加速度的相似比Cg=1。采用人工配重的方法解決密度相似比的問題，導線原型質量mρ=7.668 kg，模型導線單位長度配重質量?m=8.53 g。因為試驗中要用到電磁鐵吸盤，將電磁鐵吸盤均勻分布在輸電線上，而此時的電磁鐵吸盤質量剛好滿足了輸電線的配重質量。

按照比例1∶30設計的導線與原型參數如表1所示。

表1 導線原型與模型參數

1.2 導線及覆冰模擬

輸電線路單位長度上的覆冰質量用M表示，單位為kg/m；覆冰密度為900 kg/m3；導線直徑為d，覆冰后為D，單位為mm。導線覆冰質量為

M=ρ(D2-d2)×10-6×π/4，

(3)

式中，ρ為覆冰密度。

研究證明，采用集中荷載時導線跳躍的位移和張力變化曲線與均勻荷載時的變化基本吻合[16,19]，本文采用集中荷載重物進行實驗，通過PCL電路圖控制電磁鐵的磁性來模擬覆冰輸電導線的脫冰過程。自重單個集中荷載的質量由公式M=mL/n來確定，式中：m為單位長度上導線覆冰的質量；L為每跨導線的長度；n為懸掛重物數，取n=12。導線及覆冰模擬如圖1所示。

圖1 輸電線覆冰模擬及脫冰示意圖

通過PCL電路圖控制集中質量脫落的方法模擬導線脫冰的順序，電路圖布置圖如圖2所示。

注： FU代表熔斷器，SB代表控制按鈕，KM代表接觸器，KT代表時間繼電器，M代表電磁鐵。KM2,KM3,KM4,KM5是具有四對觸點的接觸器，其余的接觸器為具有兩對觸點的接觸器

在圖2(a)中，右側電路是按從左到右的順序控制電磁鐵磁性的釋放一次回路圖，即是順序控制釋放電路的執行電路圖；左側電路是順序控制電磁鐵磁性釋放的二次回路，即是順序控制釋放電路的控制電路圖。順序控制電路磁性釋放的運行步驟如下：

1)首先設置好時間繼電器KT1的預置時間t1；

2)按下控制按鈕SB2，此時KM1被接通同時自鎖現象發生，之后KM2和KM6也瞬時接通，此時KM6的常閉觸點被打開，M1失電磁性消失，該段是模擬覆冰的集中荷載重物脫落；

3)KM1接通時，KT1就開始計時，到達預置時間t1后，KT1的延時觸點動作發生使得KM2失電斷開和KM3得電接通，進而KM7得電被接通，KM7的常閉觸點動作打開使得M2失電磁性消失，此段的模擬覆冰重物脫落；

4)預置時間KT1動作完成后，常斷觸點KT1閉合，同時接通KT1的復位開關，KT1重新計時開始；

5)t1預置時間達到后，KM2重新得電， KM8接通，KM8的常閉觸點斷開使得M3失電磁性消失，覆冰集中荷載脫落;

6)如此往復，根據t1的預置時間，KM6至KM17的常閉觸點依次斷開，達到覆冰順序釋放的目的。

在圖2(b)中，右側電路為從中間到兩邊的控制電磁鐵磁性的釋放一次回路圖，即從中間到兩邊控制釋放電路的執行電路圖；左側電路為從中間到兩邊的控制電磁鐵磁性的釋放二次回路圖，即從中間到兩邊控制釋放電路的控制電路圖。

從中間到兩邊控制釋放電路的運行步驟如下：

1)首先設置好時間繼電器KT1和KT2的預置時間t1和t2;

2)按下控制按鈕SB1，此刻KM1被接通同時自鎖現象發生，KM2，KM4，KM11,KM12也瞬時接通，KM11和KM12的常閉觸點被打開，M6和M7由此失電磁性消失，中間兩個覆冰集中荷載脫落；

3)KM1接通時，KT1和KT2就開始計時，t1和t2的預置時間達到后，KT1和KT2延時觸點動作KM2和KM4失電斷開，KM3和KM5瞬時得電接通，使KM10和KM13得電接通，KM10和KM13的常閉觸點打開使M5和M8失電磁性消失，模擬覆冰集中荷載重物脫落；

4)KT1和KT2計時完成后，KT1和KT2常斷觸點閉合，并接通KT1和KT2復位開關，KT1和KT2重新計時開始；

5)t1和t2的預置時間達到后，KM2和KM4再次得電，此時KM9和KM14被接通，KM9和KM14的常閉觸點斷開使得M4和M9失電磁性消失，集中荷載脫落;

6)如此往復，根據t1和t2的預置時間，KM6至KM11和KM12至KM17的常閉觸點依次斷開，達到覆冰中間到兩邊釋放的目的。

1.3 測量設備

跳躍位移采用高速攝像儀DIC-3D進行采集，它是一個可以通過非接觸方式進行光學三維變型測量，主要用于分析、計算和記錄變形，DIC-3D系統提供的包括數據、圖表和云圖等測量結果，能夠直觀清晰地反應被測物體的變形行為，為用戶提供方便，測量精度達到了納米級別，所以，測量設備采用DIC-3D提高了試驗的精度。

2 試驗過程

脫冰試驗工況見表2所示。通過固定質量，來模擬一定長度單元上覆冰輸電導線上的冰荷載重量，實驗采用導線上均勻分布12個集中荷載進行，通過改變導線的脫冰速度、脫冰方向、高差的變化以及防震錘的有無，模擬不同工況下的導線脫冰。通過電磁鐵釋放器控制不同指定位置懸掛的重物脫落的脫冰順序，并利用高速攝像儀來記錄導線脫冰的跳躍位移。

表2 脫冰試驗工況表

研究了不同傾斜角高差下對脫冰振動的影響，設定傾斜角0°，5°，15°，30°，45°，60°和75°下脫冰跳躍的高度。為在山區大高差的輸電線路設計提供了理論支持及有價值的實用意義。

3 試驗分析

3.1 脫冰速度的影響

等高差下分別設定時間繼電器為1 s，2 s和4 s，對應脫冰速度分別為7.5 m/s鏈式脫冰、3.75 m/s鏈式脫冰和1.875 m/s鏈式脫冰，脫冰方向全都設置為從中間到兩邊脫冰。并與瞬時脫冰進行對比，得到不同脫冰速度下的脫冰位移響應，如圖3所示。不同脫冰速度相對與瞬時脫冰下脫冰跳躍的最大高度降低百分比，如圖4所示。

圖3可以看出，不同脫冰速度下，脫冰響應曲線不同，隨著速度的降低，脫冰跳躍的最大位移幅值在降低，脫冰響應曲線的頻率有所下降，瞬時也可以了解到在脫冰完全之前，脫冰速度越大，脫冰跳躍最大幅值降低越多。另外，在脫冰完全穩定之后，在所有脫冰速度工況下，脫冰響應的內力和位移均穩定于同一狀態。

圖3 脫冰速度不同的響應時程曲線

從圖4中可以看出，瞬時脫冰為最不利情況，脫冰跳躍高度最高，隨著脫冰速度的降低，脫冰跳躍最大高度也在降低，但是降低到一定速度之后脫冰跳躍最大高度基本上不變，此時脫冰跳躍高度跟同期脫冰跳躍高度相比降低50%左右。實際工程中脫冰并不是瞬時脫冰的，而是一定速度的鏈式脫冰，所以此次試驗也更加接近于實際工況，設計中采用瞬時脫冰是偏于保守的。

圖4 脫冰速度不同的最大跳躍高度降低比

3.2 防振錘效果

從圖5可知，加入防振錘后，脫冰跳躍最大位移降低幅值有所增大，頻率降低，同種工況下，防振錘能夠有效降低脫冰跳躍的最大高度，瞬時脫冰最大跳躍位移降低了20%，而鏈式脫冰最大跳躍高度降低了35.88%。所以在鏈式脫冰中防振錘的效果更加明顯。而實際工程中也是一個鏈式脫冰的過程，防振錘可以很好地起到一個減振的效果，這為設計院中對于輸電線路的減振設計提供理論支撐。

圖5 考慮防振措施的脫冰時程曲線

3.3 不同傾角高差對脫冰振動的影響

研究不同傾角高差對于線路脫冰振動的影響。設計了高差傾角為0°，15°，45°和75° 4種鏈式脫冰下的工況。保證各種工況下跨中的張力保持一致。脫冰方向從中間到兩邊，鏈式脫冰速度為7.5 m/s為不變量，得到不同傾角高差下輸電線路跨中脫冰響應如圖6所示。

從圖6可知，在不同傾角高差下，隨著高差傾角的增大，脫冰跳躍的最大跳躍位移一直在增大，脫冰振動的時程曲線頻率在一直降低。不同傾角高差下脫冰跳躍的最大高度進行分析如圖7。圖7表明，得到脫冰跳躍最大高度隨著不同傾角高差的增大而非線性增加，當傾斜角度達到75°時，脫冰跳躍最大高度比沒有高差時增大了64.16%。這就給實際工況中設計不同高差輸電線路提供了理論支撐，特別是在山地上建立的大跨度大高差的輸電線路，要充分考慮這個因素，做好防振減振措施，避免不必要的事故發生。

圖6 傾角高差不同的響應時程曲線

圖7 不同傾角高差下的脫冰跳躍最大高度

3.4 脫冰方向對脫冰振動的影響

在線路有高差環境下，線路的脫冰方向對振動響應也有較大影響。這里研究不同脫冰方向對于脫冰振動的響應分析，典型高差為5°，設計了從中間到兩邊鏈式脫冰，從低到高的鏈式脫冰和從高到低的鏈式脫冰3種工況進行脫冰方向的研究，脫冰速度取為7.5 m/s，測試得到不同脫冰方向的時間響應時程曲線(圖8)。

圖8 脫冰方向不同的響應時程曲線

從圖8可以看出，在有高差的工況中，脫冰跳躍的最大高度與脫冰方式或者方向有著密切的關系，其中從中間到兩邊的脫冰方式是最不利的情況，脫冰跳躍最大位移最大，頻率最大，而從較低端到較高端脫冰比從較高端到較低端的脫冰跳躍最大位移略高1.3%，所以它們的位移響應幾乎相同，頻率幾乎一樣，但它們比從中間到兩端脫冰方式的脫冰跳躍最大高度降低了40%。

4 結 論

在已有脫冰實驗的基礎上對輸電線路脫冰振動進行改進試驗研究，綜合考慮了在鏈式脫冰和瞬時脫冰下的高差、防振措施、脫冰速度、脫冰率、覆冰厚度、脫冰方向等因素的工況研究，通過使用精度達到納米級別的高速攝像儀得到的脫冰振動響應時程曲線和分析對比后總結出如下的結論：

1)瞬時脫冰在不同脫冰速度為最不利情況，隨著脫冰速度的降低，脫冰跳躍最大高度降低，脫冰跳躍最大高度與瞬時脫冰跳躍高度相比最終趨于降低50%左右。

2)在有減振裝置如防振錘情況下，鏈式脫冰的減振效果更加明顯。

3)脫冰跳躍最大高度隨著不同傾斜角高差的增大在非線性增加，脫冰振動需要充分考慮高差的影響。

4)從中間到兩邊脫冰方式為最不利情況，實驗案例表明，它們比從一端到另一端的脫冰方式的脫冰跳躍最大高度增大了40%。