覆冰导线脱冰国内外研究简述

2018-10-21 21:47 [电力论文] 来源于：互联网作者：互联网

导读：【摘要】输电线路覆冰的危害是巨大的。本文查阅了国内外各学者对覆冰研究的现状，阐述了国内外脱冰研究的进展，分析了导线脱冰的机理，总结了国内外导线脱冰有限元模拟方法，为脱冰问题的进一步研究奠定了基

　　【摘要】输电线路覆冰的危害是巨大的。本文查阅了国内外各学者对覆冰研究的现状，阐述了国内外脱冰研究的进展，分析了导线脱冰的机理，总结了国内外导线脱冰有限元模拟方法，为脱冰问题的进一步研究奠定了基础。

　　【关键词】覆冰；国内外；脱冰；机理

　　1 背景

　　输电线路覆冰对我国的危害比较严重，其中南方省份尤为严重如：湖南湖北等省份。输电线路覆冰可以致使线路的机械性能和电气性能迅速下降，从而导致各种各样的覆冰事故发生，目前覆冰事故的发生，已严重的威胁了我国电力系统的正常运行。覆冰事故主要由以下几种因素所引起：输电线的覆冰过负载、覆冰导线舞动、覆冰导线脱冰跳跃等，由于这些问题的出现，从而导致输电线路断线、倒塔等一系列事故。

　　覆冰在输电塔线体系上的荷载主要有两种，静力荷载和动力荷载。静力荷载也就是覆冰的质量直接性的作用在输电线上和塔上，从而直接增大了输电线的张力；动力荷载主要也就是由于覆冰，使得导线的截面被改变，在温度影响的情况下，则会诱发脱冰跳跃[6]。导线脱冰跳跃会导致导线间互相碰撞和鞭击，可使导线的线股磨损，导线与绝缘子的连接处反复拗折，可导致材料疲劳破坏，引起输电线断股、断线，更为严重的会引发倒塔等一系列安全事故[7]。在覆冰的影响下，塔线体系覆冰动力荷载的破坏性远远大于静力荷载，尤其是在三相导线呈竖直排列的线路中，导线脱冰跳跃不仅能造成导线断股、疲劳断线事故，而且还会导致三相导线间距减小，容易造成导线闪络和烧伤等事故。

　　在超高压输电线路中，输电线的截面比较大，输电线的分裂数比较多，因此如果遇上冰雪天气，覆冰重量也会较大。由于温度的影响，引起导线脱冰跳跃。导线脱冰跳跃容易导致导线较大幅度的跳跃，当导线跳跃时，将导致三相导线之间间隙变小，严重时可引起闪络。此外，输电线脱冰跳跃时，还会影响导线的悬挂点，也就是使得悬垂绝缘子产生一个较大的纵向不平衡张力，从而使得铁塔产生较大的动态拉力，严重可引起铁塔破坏。

　　覆冰的输电线路，如果不同期脱冰，会给线路带来比较严重的安全事故。随着导线覆冰厚度的增大，导线的覆冰量也随着增加，与之对应的导线张力也明显增大，那么弧垂就会有所下降。当覆冰导线的大段脱冰或者整档脱冰时，输电线的弹性势能会迅速的转化为导线的动能，导致导线上下跳跃，使得导线相邻的悬垂串产生剧烈摆动，两端导线张力也有显著的变化。随着目前线路的紧张，增大了线路的档距，导线也随着增多了，如果覆冰厚度增大，那么覆冰脱落引起的危害将会更严重。可引起导线的跳跃幅度更大，导线的摆动导致输电塔的瞬时振动将更加强烈，所以必须采取相对应的措施对导线覆冰脱落进行控制。

　　2 国内外发展动态及趋势

　　2.1 国内研究现状

　　一般情况下对输电塔和导线分别视为柔性悬臂梁和弦线，建立输电线路一塔两线的连续体简化力学模型。采用模态综合法研究分析塔横向振动与线面外振动耦合时的动力特性，给出铁塔与导线振动频率和振型的近似理论算法。针对典型线路的塔线耦合振动，分别采用理论算法和有限元方法对其动力特性做了计算。结果表明，两种方法获得的耦合系统的振动特性基本一致。

　　也有学者提出了输电塔―线体系的多质点模型，在这个模型中将导线简化为一系列集中质点，各个集中质点之间由不计质量的刚性杆连接，将输电塔根据质量集中简化一个竖向串联的多自由度体系。在塔―线体系作平面外横向振动时，可以将导线视为一条垂链，作平面内纵向振动时，将导线视为两端固定的悬索结构，然后作者用能量原理分析了输电塔―线体系的动力响应特性。

　　重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室的学者研究我国冰害事故具有持续时间长、发生频率高、覆盖面积大等特点。国内许多学者研究了微气象地区的严重覆冰会引起输变电设备电气性能和机械性能的下降，严重覆冰引起过荷载、不均匀覆冰或不同期脱冰引起张力差、绝缘子串覆冰闪络及覆冰导线舞动是造成覆冰事故的主要原因。此外对冰害事故的监测手段和防冰除冰方法也进行了总结，并提出了防止覆冰事故的技术措施和方法的研究方向。

　　孟晓波、王黎明等人运用了中心差分的计算方法，建立了多档导线的模型，所建模型应用于导线脱冰跳跃分析。而后又根据线路实际参数建立特高压导线模型，分析在脱冰量、覆冰厚度、档距大小、档数、导线悬挂点高差等几种不同的工况下，当导线不均匀脱冰时对特高压输电线路脱冰跳跃的影响，最后得出了导线跳跃高度和纵向不平衡张力随各种影响因素变化的规律，为特高压输电线路设计提供了理论支持。

　　三峡大学机械与材料学院孟遂民、单鲁平等人针对输电线覆冰脱落使杆塔承受动态冲击荷载和不平衡张力，且导线的上下跳跃减小了相间导线电气间隙，采用有限元软件构建了某跨越段线路三自由度模型，数值仿真计算了导线脱冰的动力响应，并分析了在风荷载作用下覆冰厚度、脱冰方式及导线应力对中间档导线脱冰的动力影响。中国电力科学研究院和清华大学等学者分析在几种不同因素的影响下，建立了三维多档导线模型，进行了导线脱冰跳跃动力响应计算，更深入的研究了导线脱冰跳跃高度及挂点荷载的变化规律。

　　许多学者数值模拟了单根导线在冲击荷载作用下，在荷载幅值，覆冰厚度和线路档距三种不同的因素下，分析研究对除冰率的影响。随着冲击荷载幅值的增大，除冰率也增大。覆冰厚度和档距越小，除冰率越大。

　　在研究覆冰导线脱冰时，单纯的以单根导线作为研究对象根本无法代替多分裂导线的研究结果。所以，随着研究的深入，浙江大学的某位学者建立了分裂导线-间隔棒耦合体系，研究分裂导线与合成单根导线的覆冰和脱冰等代性问题。得出如果在均匀覆冰的情况下，分裂导线可以等效为单根导线进行计算，导线等效直径和等效覆冰厚度均为分裂导线的倍。同时也分析了三档分裂导线中间档单根子导线整档脱冰以及中间档单根子导线上单段次档距不均匀脱冰情况。得出，当单根子导线发生整档脱冰时，脱冰档内的位移最大值一般都会发生在靠近档距中央；单段次档距不均匀脱冰时，最大值的响应规律不太明显。这种将分裂导线等效成一根导线的计算，为以后的研究提供了极强的可用性方法。　　浙江大学的某学者研究采用了有限元分析方法研究输电塔线体系覆冰的静力效应，再者对塔线体系的不同参数如：档距、冰厚、脱冰位置、脱冰比例等进行分析，比较覆冰作用下塔线体系动力响应的影响。

　　华中科技大学的李黎等研究了输电塔线体系脱冰跳跃反应的控制研究，建立了两塔三线模型，仅仅是中间档导线脱冰，研究导线脱冰对塔的振动研究，再者分析了在铁塔的关键点处加装粘弹铅芯阻尼器后，分析安装粘弹铅芯阻尼器对铁塔关键点的位移及减振效果。结果证明在塔头上半部分和塔头横担两处布置粘弹铅芯阻尼器，整个塔的最大顺线向位移和竖向位移均能得到较好的减震效果。

　　2.2 国外研究现状

　　国外学者G.M.cClure数值模拟了110kV线路在脱冰跳跃时的动态效应，仅仅建立了单跨和三跨双回路导线的有限元模型，分析发现如果导线脱冰跳跃，可使导线产生振动幅度较大，所以需要使用类似于导线防舞器的装置，用来防治当导线脱冰跳跃时带来的事故。

　　国外学者在20世纪90年代利用ADINA软件对架空线路的脱冰现象进行了模拟，并将之前得到的实验模拟结论与仿真结果进行了对比，验证了计算机仿真的可靠性，通过比较说明了该种方法的实用性，将研究方式由实验转为计算机，这一举措不仅使脱冰问题能利用更简便的方法进行研究，而且无论从材料、场地甚至是人力等方面都能得到优化利用。

　　2004年，学者Roshan Fekr 等利用有限元方法，建立了孤立档导线的模型，对其进行脱冰跳跃动力响应分析，以覆冰厚度作为工况对线路进行分析，此研究过程着重考虑了导线脱冰的动态过程，将整个脱冰过程作为分析对象，由于研究工况只有覆冰厚度一种，未能对其他工况进行研究使分析结论略显单薄。学者Nilson Barbieri等在模拟过程中借助气象学统计方法对所建立的输电线路进行了脱冰跳跃的模拟，这种将气象学方法引入导线脱冰问题研究的方法使问题的模拟和研究更具真实性。学者JIANG Xing-liang进行了改进，建立了多档塔线体系的二维有限元模型，在各种不同脱冰工况下进行了分析研究输电铁塔和导线的动力响应。

　　国外学者Lehn建立多档塔线体系有限元数值模型，分析了不同档距和不同脉冲荷载工况下，仅仅研究在不同地线脱冰工况下，地线的位移、拉力等动力响应，分析了在进行除冰时，导线脱冰跳跃对地线力学性能的影响研究。

　　3 覆冰导线脱冰机理

　　主要分为以下三种形式：融化脱冰、升华脱冰以及机械外力脱冰。

　　（1）融化脱冰

　　融化脱冰就是当导线周围温度达到覆冰融点时，导线上的覆冰开始融化脱落。这种脱冰方式的决定因素为温度是否达到覆冰融点，而使导线周围温度升高主要有两种原因：覆冰外表面对流融化覆冰和内表面接触融化覆冰。研究时假设覆冰附着在导线上是以环形附着，其与导线接触一面为内表面，与大气接触的一面称为外表面。

　　外表面对流融冰是覆冰的外表吸收热量使其融化的过程，此过程的热量来源主要有两方面：一方面是气温升高与覆冰进行对流热量传递，另一方面是阳光和大地的热辐射传给输电线路引起覆冰融化脱落。由于此种方式脱冰的过程较为缓慢，一般要经过如下过程：覆冰外部在吸收热量之后会发生融冰现象，随着时间的推移，输电线的局部会接触阳光，温度升高，此时覆冰的内外表面均开始融化，此过程较为缓慢，且脱冰方式可近似为均匀脱冰，不会对输电线路造成过于严重的危害，一般不会形成振幅较大的导线脱冰跳跃。

　　内表面接触融冰一般情况下，输电线路都不会出现均匀覆冰的情况，这就使得在融冰过程中出现不均匀脱冰的情况。当导线上未覆冰的部分受热后将热量传给输电导线的其他部位，此时覆冰内表面就会形成一层液体，这种液体层就会降低输电导线覆冰内表面的附着能力，引起脱冰。这个过程就是内表面接触融冰。

　　由于导线覆冰与实际条件有关，如风速、温度等，很难出现全部均匀覆冰的情况，尤其是在输电塔附近极易出现偏心覆冰情况。当覆冰脱落时，这部分偏心覆冰由于内表面形成的液体层会使自身发生转动，出现输电塔附近导线覆冰比其他部位先行脱落的现象。这一现象会导致导线不均匀脱冰，不仅能引起大幅度的脱冰跳跃还能使得绝缘子挂点出现不平衡张力，当脱冰率较大时容易出现倒塔、断线等危险。

　　（2）升华脱冰

　　升华是一种物理变化，是指物质从固态直接变成气态的变化过程。这种过程对温度没有要求，即不需要达到融点就能发生。升华脱冰与覆冰周围的温度和风速有关，还在一定的程度上受空气相对湿度的影响。升华脱冰是一个平缓的过程，是覆冰由固态直接以气态的形式挥发到空气中的过程，脱冰率也处于较低水平。因此很难出现大幅度输电导线脱冰跳跃的情况，也是属于对输电线路危害较小的脱冰方式。

　　（3）机械外力脱冰

　　机械外力脱冰是在机械外力的作用下，将覆冰击破脱掉的过程。这种脱冰形式涉及许多方面的技术，如防覆冰技术、机械融冰等，从力学角度分析包括静力作用和动力作用两方面。因此会出现拉伸扭转等情况造成舞动等严重后果，对输电线路的危害极其严重。

　　4 脱冰模拟介绍

　　目前，国内外对覆冰脱冰问题研究的有限元模拟方法大致有三种：（1）附加力模拟法，（2）附加冰单元法，（3）改变密度法。

　　（1）附加力模拟法

　　此方法是采用一系列等间距的集中力来模拟导线和地线覆冰的静态荷载，也就是覆冰荷载采用集中力的形式施加在导线和地线各个相应的节点上。当建模分析时，首先应该根据公式计算出实际中一档内导线和地线的覆冰荷载，然后把所算出的荷载平均的分配到一档内导线和地线的各个节点上，其计算简图如图1所示。

　　图1 附加力模拟法

　　（2）附加冰单元法

　　在研究某些非连续过程或分析某一模型时，有时需要某个或某单元不存在，利用单元生死法就可以很好的解决这种问题。该种方法的实质就是对单元的刚度进行设置，原理是用一个足够小的参数把它的刚度矩阵变的足够小，被“杀死”单元的单元荷载等于0，其质量和参数都设为零。被“杀死”单元的质量不参与方程求解，单元的应变始终为0。单元“激活”则是将被“杀死”单元的刚度、质量、单元荷载等恢复真实取值的过程。此方法在数值模拟时，采用有限元中的“生死单元法”，用pipe梁单元模拟覆冰单元。通过激活或移除冰单元模拟输电线的覆冰脱冰过程。　　（3）改变密度法

　　改变密度法是通过改变导线的密度来等效覆冰脱冰荷载。其特点是只考虑覆冰的自重而不考虑其它因素的影响，对输电导线进行静力或动力分析，此方法原理较为简单，在有限元程序设计中比较容易。在对覆冰脱冰进行数值模拟时，附加集中力比较方便，并且可以达到比较精确的计算精度。所以本文选择的是附加集中力的方法模拟覆冰脱冰。

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（编辑：东北亚）

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