輸電線路拉鏈式脫冰振動特性試驗研究

謝東升，孫 滔，史卓鵬，智生龍，李海濤，白天明

(1.國網山西省電力公司經濟技術研究院， 太原 030002； 2.中北大學 理學院， 太原 030051)

1 引言

架空輸電線路覆冰在氣溫升高、自然風力作用或人為振動敲擊之下會產生不均勻或不同期脫冰[1]。脫冰會引起導線大幅度動態舞動，從而改變絕緣子串、金具、鐵塔等的受力和振動形式，嚴重時可造成輸電桿塔折損、倒塔、斷線，金具損壞等事故。在導線脫冰跳躍過程中，將減小各相導線之間和導地線之間空氣間隙，當小于相應的絕緣間隙要求時，會導致相間閃絡、跳閘等事故[2]。

目前，研究人員從理論分析、試驗研究和數值仿真方面對導線覆冰脫落時的振動特性開展了相關研究，具體包含不同檔距長度和組合、跨數、導線型號、脫冰量、脫冰位置、覆冰厚度、脫冰順序條件下導線的位移和張力、絕緣子串軸力、導線振型等方面。其中，在理論分析方面，伍川等[3]建立了連續檔線路脫冰理論分析簡化模型，基于導線脫冰跳躍過程中的能量關系、應力弧垂關系、變形關系和平衡關系，給出了求解導線最大脫冰跳躍高度的理論計算方法。

在試驗研究中，Kollár等[4-5]在架空線上用管套壓實濕雪的方法模擬覆冰，該方法對氣象條件要求苛刻，且可控性較差。國內脫冰振動試驗大多采用懸掛等效集中質量的方法來模擬覆冰。劉敏等[6]借助三跨覆冰導線的縮尺模型，針對脫冰量、脫冰檔位置、覆冰厚度和風速等參數變化時，導線的冰跳高度、導線張力和絕緣子串軸力變化規律開展了詳細研究。李宏男等[7]在試驗室設計并進行50 m孤立檔導線的脫冰跳躍試驗，測量了覆冰導線在不同的覆冰厚度、脫冰率、脫冰位置、脫冰順序及速度工況下，導線端部張力和導線跨中跳躍高度，并利用有限元軟件進行了驗證。謝獻忠等[8]基于動力相似理論，以湖南某220 kV輸電線路為工程原型，設計了縮尺比為1∶20的兩檔塔線體系試驗模型，采用程控方式控制模擬冰荷載脫落，對各種脫冰工況進行了位移響應與應力響應的測試和分析。王璋奇等[9]利用架空輸電線脫冰跳躍試驗系統，通過模型試驗來研究架空線非同期脫冰跳躍的動張力特性。試驗設計了從一端往另一端、從兩端往跨中以及從跨中往兩端等三種“開拉鏈”式非同期脫冰方式，研究了非同期脫冰方式對導線動張力的影響。

在數值仿真方面，魯元兵等[10]對三跨輸電導線體系進行了模態分析，討論了脫冰前的穩態響應、脫冰后的瞬態響應及穩態響應，并對不均勻脫冰進行了全過程模擬。王昕等[11]采用有限元軟件，模擬了中跨和三跨脫冰2種情況，對脫冰跨數、線路張拉力、檔距和絕緣子串長度等參數對線路脫冰響應的影響進行了研究。沈國輝等[12]針對檔距、覆冰厚度和脫冰位置等參數變化時，塔線體系的脫冰動力響應進行了模擬研究，分析了脫冰檔導線跨中的跳躍高度、輸電塔基底剪力和基底彎矩的變化情況。黃新波等[13-14]利用ANSYS軟件建立了導線脫冰跳躍力學模型，獲得了檔距組合、覆冰厚度、脫冰量、突變高差等參數對塔線體系動態位移和不平衡張力的影響規律。吳天寶等[15]應用有限元模擬方法，探究了各種因素對脫冰跳躍幅值的影響，包括覆冰厚度、脫冰位置、輸電線路長度、輸電線檔數等，并總結了其規律特征。史淋升等[16]基于ABAQUS二次開發子程序，模擬計算了導線爆破除冰時導線的跳躍高度和脫冰率，分析了爆破除冰方法在實際工程中的適用性。

綜上所述，盡管國內外學者對導線覆冰脫落振動特性進行了相關研究，但仍存在諸多不足。首先，目前已有研究主要是針對導線整檔或局部同期脫冰情形，而對拉鏈式脫冰的研究相對較少；其次，多數脫冰試驗使用實驗室環境下的縮尺模型，但從較小比例模型上獲得的試驗結果很難推廣到實際線路上；第三，連續檔導線覆冰脫落振動過程中，相鄰檔脫冰動力響應存在明顯的耦合現象和局部效應，相關研究尚缺少對連續檔振動特性的試驗研究。

基于以上原因，本文在220 kV單回路線路選取兩檔(耐-直-耐)布置表面應變計和位移傳感器，采用附加集中質量法模擬導線覆冰和脫冰振動，開展了不同脫冰速度、脫冰方式和覆冰厚度條件下導線拉鏈式脫冰的振動特性試驗研究。

2 試驗概況

2.1 試驗線路

本試驗在山西省臨汾市電力高級技工學校的220 kV單回路培訓線路上進行，取2號塔至4號塔之間的兩檔線路為試驗段，線路的跨越形式為耐-直-耐，如圖1所示。兩側的耐張塔是干字型塔，呼稱高15 m，耐張絕緣子串型號為XP-70；中間的直線塔為貓頭型塔，呼稱高18 m，懸垂絕緣子串型號為FXBW3-220/100。2號塔和3號塔之間檔距為66 m，為便于描述，稱為L檔；3號塔和4號塔之間檔距為52 m，稱為S檔。導線為雙分裂LGJ-240/30型鋼芯鋁絞線，取下側導線進行模擬脫冰實驗，導線直徑21.6 mm，計算截面275.96 mm2，單位導線質量0.922 2 kg/m，彈性模量73 GPa。

圖1 試驗線路場景圖

2.2 模擬脫冰方法

由于受到溫度、濕度、風速等氣候條件的限制，自然條件下對導線進行人工覆冰很難達到預期的覆冰狀態，因此相關研究多采用附加集中質量法模擬導線覆冰和脫冰振動，并從實驗和模擬兩方面驗證了該方法的有效性[17-19]。其中，王璋奇[19]對集中質量法模擬輸電線覆冰脫落的適用性進行了試驗研究，結果表明與真實覆冰脫落相比，雖然集中質量法的動張力峰值略小，振動頻率略低，但輸電線張力時程曲線在脫冰初期與真實覆冰脫落基本吻合，說明此方法能較好的模擬真實覆冰脫落情況。

由于受到覆冰氣候條件和導線自身性質的影響，實際導線覆冰通常為“D”形、新月形或扇形等不規則形狀，而輸電線路設計時覆冰可按等厚中空圓形等效考慮[7]。因此，集中載荷的質量M與覆冰厚度b的關系式可表示為

m=ρπb(D+b)

(1)

M=mL/n

(2)

其中，m為單位長度上導線覆冰的質量；冰的密度為ρ=900 kg/m3；b為覆冰厚度；D為導線外徑；L為導線長度；n為懸掛重物數。

試驗時根據每檔導線覆冰重量等效為9個相同重量的重物，設計夾具固定重物，均勻懸掛于導線上，并利用電磁閥和繼電器并聯電路控制重物脫落時間和順序。當電路中繼電器發出斷電開關指令，電磁鐵隨重物一同脫落(電磁鐵重量計入重物總重)，導線覆冰厚度和懸掛重物質量對應關系如表1所示。

表1 導線覆冰厚度

2.3 試驗方案

目前關于輸電線路模擬脫冰試驗研究，大部分是在模擬線路上進行，且主要是對脫冰過程中導線跨中的跳躍位移和端部的動態張力進行測量。在實際線路上進行脫冰試驗，采用常規方法對導線多個位置的跳躍特性和動態張力進行測量比較困難。本文采用東華測試技術股份有限公司的拉線位移傳感器和表面應變計分別來監測導線各測點的位移和張力變化量(試驗線路無法測量導線張力初值)，如圖2所示。由設備DH3820高速靜態應變測試分析系統采集并輸出實驗數據，采樣頻率為50 Hz。位移傳感器的型號選用EY503-5000系列，量程為5 000 mm，傳感器精度0.5% F.S。表面應變計型號為EY501-762，量程±1 000 με，傳感器精度0.5% F.S。所有傳感器的靈敏系數出廠前均做單獨標定。

圖2 位移傳感器和表面應變計安裝示意圖

圖3為試驗線路各傳感器及測量設備布置圖。兩檔導線上各布置3個位移測點，位移傳感器均勻布置在兩檔導線的四分點上，其中L檔導線從右向左3個測點表示為：DL1、DL2、DL3；S檔導線為DS1、DS2、DS3。每個測點從導線上引出鋼絲繩與固定在地面的位移傳感器連接，且試驗中鋼絲繩始終處于拉緊狀態，從而可以監測脫冰過程中測點的位移變化。本次試驗時間為8月份，試驗現場處于市中心且較封閉，周圍為居民樓，可忽略風對鋼絲繩和導線的影響。

圖3 試驗方案示意圖

為測量脫冰時導線測點的豎向和橫向位移，每個測量點安裝有豎直和斜向兩個角度的位移傳感器，如圖3和圖4所示。圖4中，A為導線上測點，B、C兩點為位移傳感器位置，LB和LC為拉線長度，H為靜態下測點A高度。導線測點從A運動到A′使拉線方向發生了改變，但由于導線位移與拉線長度LB和LC相差較大，可忽略拉線方向的改變，認為LB始終沿豎直方向，位移傳感器B的測量值即為測點的豎直方向位移，且LC與LB夾角始終為α。

圖4 豎直和斜向移傳感器布局示意圖

以測點A為原點建立坐標系Axy和Ax1y1，其中x1軸沿CA方向，則A′在兩個坐標系下的坐標(x,y)和(x1,y1)之間關系可表示為

(3)

位移傳感器B和C可分別測得y方向(豎直方向)和x1方向(傾斜角α方向)的位移，則測點A水平方向的位移x為

(4)

由A點的水平方向位移x、豎直方向位移y，即可得到A點任意時刻的位移。本文中各測點豎直和斜向拉線間夾角為30°。若靜態下測點A高度H為12 m，測點最大豎直位移為1 m，最大橫向位移為0.5 m，經估算，導線振動過程中位移傳感器B的測量值與豎直位移的偏差均小于1.1%，水平位移誤差均小于5.5%。

為測量脫冰過程中導線不同位置的張力變化，每檔導線布設5組表面應變計，分別位于導線兩端部及四分點上(圖3)。為便于表示，取L檔右側靠近2號塔的導線端部為坐標原點，則張力測點由右至左依次可表示為：FL1(0 m)、FL2(16.5 m)、FL3(33 m)、FL4(49.5 m)、FL5(66 m)、FS1(68 m)、FS2(81 m)、FS3(94 m)、FS4(107 m)、FS5(120 m)，括號中表示各測點相對原點的距離。

2.4 試驗工況

為分析脫冰方式對導線振動的影響，試驗設計了4種脫冰方式：方式Ⅰ是重物從右向左逐個依次脫落；方式Ⅱ是兩檔同時從直線塔一側開始，重物逐個依次脫落；方式Ⅲ是兩檔同時從耐張塔一側開始，重物逐個依次脫落；方式Ⅳ為兩檔同時脫冰。其中：脫冰方式Ⅰ～Ⅲ屬于拉鏈式脫冰，方式Ⅳ屬于整檔同時脫冰。在模擬實驗中，拉鏈式脫冰的脫冰速度是由相鄰重物脫落的時間間隔Δt所確定，本文選Δt=1 s和2 s兩種脫冰速度參數。具體試驗工況如表2所示。拉鏈式脫冰3種脫冰方式如圖5所示。

圖5 拉鏈式脫冰方式示意圖

表2 實驗工況

3 試驗結果分析

導線覆冰脫落時，因覆冰存儲在導線內的彈性勢能轉化為導線的動能和重力勢能，引起導線振動。對于連續檔，某檔導線脫冰，該檔與鄰近檔間的不平衡張力會使直線塔的懸垂絕緣子串發生擺動，因此相鄰檔脫冰動力響應存在明顯的耦合現象。

3.1 脫冰速度的影響

針對不同速度拉鏈式脫冰進行了模擬覆冰脫落試驗，選擇脫冰方式Ⅰ、覆冰厚度為12.5 mm、脫冰起始時刻設置為1.5 s、脫冰速度參數Δt分別取2 s和1 s(工況2和工況3)，并與兩檔整檔同時脫冰(工況1)進行對比分析。

圖6和圖7是工況1的位移時程曲線和張力變化的時程曲線。由圖6可知，兩檔導線最大跳躍高度均出現在跨中位置，L檔的最大跳躍高度(948 mm)為S檔(524 mm)的181%；另一方面，S檔跨中位移幅值變化規律與L檔不同，并非隨時間單調減小，這是由于脫冰后兩檔間的懸垂絕緣子串會發生擺動，使能量在兩檔間反復傳遞，而使兩檔振動相互疊加的結果。脫冰振動過程中，兩檔導線各測點的最低位置均未低于覆冰后的靜態位置。此外，由于耐張絕緣子串隨導線一起振動，能夠減小臨近導線的振動幅值，因此同檔導線靠近直線塔的振動幅度要大于靠近耐張塔一側，結果表明，兩檔導線靠近直線塔一側測點的跳躍幅值較同檔靠近耐張塔的測點增大了約23%。

圖6 兩檔覆冰同時脫落(工況1)位移時程曲線

圖7 兩檔覆冰同時脫落(工況1)張力變化時程曲線

由圖7可知：覆冰脫落使兩檔導線各測點張力迅速減小，導線張力急劇變化后有7 s左右的波動，兩檔導線均為跨中附近張力波動幅度較大，且兩檔導線張力在脫冰振動過程中均未超過覆冰后的靜態張力。

圖8為工況2和工況3的位移時程曲線。由圖可知，L檔導線位移受本檔脫冰影響隨時間振蕩增加，而在S檔脫冰階段逐漸回落直至達到穩定；S檔導線位移歷程趨勢與L檔相反，且其位移變化幅值略小于L檔。兩檔導線出現不同的位移變化趨勢主要是由于脫冰檔覆冰依次脫落使兩檔間產生不平衡張力，導致兩檔間的懸垂絕緣子串逐漸偏向非脫冰檔一側，脫冰檔有效檔距增大，非脫冰檔有效檔距減小所引起。

圖8 同速度覆冰脫落導線位移時程曲線

與兩檔同時脫冰(工況1)不同，此脫冰方式下S檔各點在振動過程中的最低位置明顯低于其覆冰后的靜態位置，會出現較大的反向位移。而兩檔導線最大跳躍高度均出現在L檔跨中，分別為757 mm(工況2)和702 mm(工況3)，較兩檔同時脫冰(工況1)的L檔跳躍高度分別減小了26%和20%，且當脫冰速度較小時L檔的最大位移及S檔的反向位移更大，且每段覆冰脫落后的導線振蕩更顯著。此外，可以看出該脫冰方式下，絕緣子串類型對臨近導線的位移幅值影響較小，導線兩側測點的位移幅值較為接近。

圖9記錄了工況2和工況3導線跨中位置的張力變化時程曲線。可以看出，脫冰速度較小時，張力波動幅度較大。值得注意的是，2種工況下當覆冰脫落至導線跨中位置時，此檔導線跨中位置張力均瞬間變化，且突變幅值相近，分別為1.7 kN(工況2)和1.9 kN(工況3)。輸電線拉鏈式脫冰時輸電線產生周期性振動，覆冰依次脫落使輸電線張力不斷減小。端部覆冰脫落時，由于距離跨中位置較遠，對跨中位置張力的影響有限。而跨中臨近位置覆冰脫落時，一方面使跨中位置張力顯著減小；另一方面，覆冰脫落后跨中加速度的瞬間變化又與輸電線周期性振動相疊加，因此造成該位置張力發生較大突變。除輸電線跨中位置外，其余位置由于受導線端部邊界條件約束明顯，張力突變值較小。

圖9 不同速度脫冰導線張力變化時程曲線

3.2 脫冰方式的影響

圖10為兩檔同時從直線塔一側開始脫冰(工況4)和同時從耐張塔一側開始脫冰(工況5)各測點的位移時程曲線。由圖可知，2種脫冰方式下導線的振動趨勢相似，但與脫冰方式Ⅰ(工況3)導線的振動規律有顯著的差別：脫冰開始后，兩檔導線覆冰脫落段導線位移振蕩增加，覆冰未脫落側導線則在平衡位置往復振蕩，當先脫冰段脫冰完成后該段導線則在新平衡位置附近往復振蕩。兩檔最大跳躍高度均出現在跨中位置，工況4中兩檔跨中最大跳躍高度(553 mm、437 mm)略大于工況5(547 mm、410 mm)，進一步對比2種工況中靠近初始脫冰位置測點的最大位移，以L檔為例，工況4中測點DL3的最大位移比工況5中測點DL1的最大位移增加了約16%，說明從直線塔一側開始脫冰時導線脫冰側的振動比從耐張塔一側開始脫冰脫冰側的振動更劇烈。此外，未脫冰段由于覆冰載荷作用在振蕩過程中會出現反向位移，但最大反向位移均未超過100 mm。

圖10 不同脫冰方式導線位移時程曲線

圖11所示，當重物脫落到導線跨中位置時，該段導線張力突變仍存在，且兩檔導線張力突變值相差不大，出現時間接近。由表3可知：脫冰方式Ⅰ引起的導線最大跳躍高度和最大反向位移要明顯大于方式Ⅱ和Ⅲ，且3種脫冰方式下導線的張力變化差別較小，因此，兩檔導線覆冰依次順序脫落可能引起的電氣安全問題要大于兩檔覆冰同時拉鏈式脫冰。

圖11 張力時程曲線(工況4)

表3 不同脫冰方式下導線動態響應幅值

3.3 覆冰厚度的影響

為研究覆冰厚度對拉鏈式脫冰振動特性的影響，選擇脫冰方式Ⅰ、脫冰速度參數Δt取1 s，覆冰厚度分別為12.5 mm、10 mm和7.5 mm(工況3、6和7)，得到導線位移幅值及跨中張力突變值隨覆冰厚度的變化情況(圖12)。可知，隨著覆冰厚度增大，L檔的最大跳躍高度、S檔最大反向位移幅值以及兩檔跨中位置張力突變值增加均較為明顯，可見對于拉鏈式脫冰，覆冰厚度依然是影響導線振動劇烈程度的重要因素。然而，與相同覆冰厚度兩檔同時脫冰的情形相比，拉鏈式脫冰L檔的最大跳躍高度減小了20%以上。此外，檔距較小的S檔導線跨中張力突變值略小于L檔。

圖12 不同覆冰厚度下導線位移幅值和跨中張力突變值曲線(工況3,6,7)

由式(4)可計算得到兩檔導線各測點位置的橫向位移歷程，相應幅值如表4所示。

表4 不同導線測點位置處橫向位移幅值 mm

由表4可知：兩檔導線各測點橫向位移幅值約為豎向位移的十分之一，數值相對較小，且舞動基本無規律；除各別位置外，各測點數值相差不大。因此，在沒有風載作用條件下，導線覆冰脫落可不考慮橫向位移的影響。

4 結論

架空輸電線路覆冰脫落振動容易造成桿塔折損、斷線、金具損壞，以及相間閃絡、跳閘等事故，致使電力系統的癱瘓。為獲得不同脫冰速度、脫冰順序、覆冰厚度條件下輸電線路的振動特性，本文對220 kV單回路線路選取兩檔(耐-直-耐)開展了覆冰脫落試驗研究。主要結論如下：

1) 拉鏈式脫冰過程中導線所受沖量的作用時間比兩檔同時脫冰的作用時間更長，則作用于導線上的平均力相對較小，因此在相同覆冰厚度下，兩檔拉鏈式脫冰時導線的最大跳躍高度和張力變化幅值均小于兩檔同時脫冰工況。但拉鏈式脫冰時懸垂絕緣子串的偏轉會使導線的最大反向位移會低于覆冰靜態位置。

2) 拉鏈式脫冰下局部和臨檔導線均存在明顯的張力不平衡，導線跨中位置張力曲線存在一個突變，其余位置曲線波動較小。

3) 兩檔依次拉鏈式脫冰時導線最大跳躍高度和最大反向位移均明顯大于兩檔同時拉鏈式脫冰，屬于拉鏈式脫冰中較危險的工況。

4) 隨著覆冰厚度的增加，兩檔依次拉鏈式脫冰的最大跳躍高度、最大反向位移以及跨中張力突變均逐漸增大。

5) 覆冰脫落時，兩檔導線各測點橫向位移幅值約為豎向位移的1/10，因此在風速較小條件下，可忽略橫向位移的影響。

因此，除冰過程不宜采用覆冰同時脫落的方式，可采用拉鏈式脫冰，但此時要注意導線跨中張力瞬間變化的影響。多檔導線脫冰時，應盡量避免兩檔依次脫冰，建議采用兩檔同期拉鏈式脫冰方式。總之，基于實際輸電線路的模擬脫冰試驗，較真實地再現了輸電線的脫冰振動過程，研究結果可為覆冰區輸電線路設計及除冰方案決策提供重要的試驗依據。