蘇　攀　孔　韜　張宇嬌　何博雅

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 國(guó)際文化交流學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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連續(xù)檔架空輸電導(dǎo)線脫冰跳躍模擬

蘇攀1孔韜1張宇嬌1何博雅2

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 國(guó)際文化交流學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：當(dāng)氣象條件變化，風(fēng)荷載、機(jī)械外力等作用時(shí)，被覆冰包裹的輸電線路將會(huì)發(fā)生各種形式的脫冰現(xiàn)象．建立N-Z-Z-N連續(xù)檔架空輸電導(dǎo)線有限元模型，對(duì)模型做找形計(jì)算，數(shù)值仿真計(jì)算了連續(xù)檔導(dǎo)線脫冰的動(dòng)力響應(yīng)，得出在一個(gè)耐張段中，中間跨的最大跳躍高度要比邊跨的跳躍高度大；在三檔同時(shí)脫冰的情況下，輸電線的最大跳躍高度與覆冰厚度成正比；輸電導(dǎo)線脫冰跳躍過程中，最大動(dòng)張力與覆冰厚度成正比而最小動(dòng)張力與覆冰厚度成反比．

關(guān)鍵詞：輸電導(dǎo)線；覆冰；脫冰；連續(xù)檔；動(dòng)力響應(yīng)

近年來，我國(guó)中部、西南部均出現(xiàn)因輸電線路覆冰而造成導(dǎo)線斷裂、鐵塔破壞等重大安全事故，給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)重危害[1-3]．相鄰檔內(nèi)的不平衡張力是引起塔線事故的主要原因．在氣象條件變化、風(fēng)荷載、機(jī)械外力等作用時(shí)，覆冰導(dǎo)線將發(fā)生不均勻脫冰或不同期脫冰現(xiàn)象，拉力的瞬時(shí)驟變對(duì)輸電線路危害極大[4]．導(dǎo)線相間電氣間隙不夠，使線路發(fā)生閃絡(luò)、跳閘甚至斷線，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全[5]．1993年美國(guó)Nebraska州發(fā)生多級(jí)桿塔倒塔惡性事件，103 km長(zhǎng)的400多座輸電桿塔連續(xù)倒塌[6]．2008年初我國(guó)南方地區(qū)發(fā)生雨雪冰凍災(zāi)害，對(duì)電網(wǎng)造成大面積的破壞[7]．

近年來輸電系統(tǒng)覆冰事故頻發(fā)，為了減免該類事故的損失，對(duì)該類問題的研究成為學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問題，國(guó)外學(xué)者對(duì)輸電線振動(dòng)問題有深入的研究[8-9]，我國(guó)學(xué)者對(duì)輸電覆冰斷線倒塔[10-11]，線路舞動(dòng)[12-13]等問題研究較多，在導(dǎo)線脫冰跳躍問題上國(guó)內(nèi)外對(duì)架空導(dǎo)線脫冰跳躍的研究著重于覆冰厚度、脫冰方式及風(fēng)荷載各種工況下的分析[14-16]，而模擬覆冰及脫冰方法的細(xì)微研究卻甚少．

基于上述原因，本文對(duì)連續(xù)檔不同覆冰工況導(dǎo)線脫冰跳躍做有限元計(jì)算，并對(duì)模擬覆冰及脫冰的方法做細(xì)微研究．

1模擬覆冰脫冰的方法

1.1等效荷載法

模擬覆冰的時(shí)候，將覆冰簡(jiǎn)化為圓環(huán)截面包裹在導(dǎo)線外面的模型．將單位長(zhǎng)度覆冰等效為等值荷載按研究需要施加到模型節(jié)點(diǎn)上，來模擬輸電線脫冰，等效荷載法可分為集中荷載和均布荷載，如圖1所示．文獻(xiàn)[17]已經(jīng)運(yùn)用集中荷載方法對(duì)輸電線路覆冰和脫冰跳躍進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)輸電線的張力以及跳躍高度是符合實(shí)際的，因此這種方法也是行的通的[17]．

圖1　覆冰等效荷載模型

1.2質(zhì)量法

只考慮覆冰的質(zhì)量對(duì)輸電導(dǎo)線的影響，在有限元分析建模時(shí)運(yùn)用等效增加該單元導(dǎo)線的密度的方法來模擬覆冰單元節(jié)點(diǎn)處的質(zhì)量塊；模擬脫冰時(shí)，相應(yīng)的減小該單元導(dǎo)線增加的密度或者卸載該單元處的等效質(zhì)量塊[17]．該法原理簡(jiǎn)單，為方便程序設(shè)計(jì)，常用Mass21質(zhì)量單元模擬．

1.3單元生死法

運(yùn)用單元生死法的特性[18]來模擬架空輸電線路脫冰現(xiàn)象時(shí)，可借助單元生死來模擬脫冰．在導(dǎo)線外面建立覆冰實(shí)體模型時(shí)，常采用單元生死法模擬脫冰．

2連續(xù)檔輸電導(dǎo)線脫冰計(jì)算

2.1連續(xù)檔輸電導(dǎo)線模型的建立

設(shè)連續(xù)檔輸電導(dǎo)線的導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-400/35，連續(xù)檔檔數(shù)為3檔，各擋導(dǎo)線的水平檔距L=500 m且各檔之間無高差，導(dǎo)線截面面積S=435 mm2，彈性模量E=6.5×1010Pa，單位質(zhì)量m=1.349 kg/m，泊松比=0.3，導(dǎo)線的水平使用應(yīng)力為σ=58.27 MPa，絕緣子的長(zhǎng)度為5 m，E=2.8×1011Pa，泊松比=0.28．

根據(jù)連續(xù)檔的基本數(shù)據(jù)，在ANSYS里建立輸電線模型，如圖2所示．

圖2　連續(xù)檔輸電線模型

索單元LINK10單元常用于模擬輸電導(dǎo)地線，采用實(shí)際材料性質(zhì)和實(shí)常數(shù)，并設(shè)置很小的初應(yīng)變，施加重力加速度(延弧長(zhǎng)分布)，逐步更新有限元模型，以導(dǎo)線水平張力為收斂條件進(jìn)行迭代，然后根據(jù)所建模型進(jìn)行自重和覆冰找形可得最終連續(xù)檔輸電線模型，如圖3所示．

圖3　進(jìn)行脫冰分析的最終輸電線模型

2.2連續(xù)檔輸電線脫冰跳躍的模擬分析

當(dāng)覆冰厚度為15 mm時(shí)，假設(shè)架空導(dǎo)線三檔同時(shí)脫冰(100%脫冰)，脫冰仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)成0.01 s，仿真時(shí)間設(shè)成50 s，編寫相應(yīng)的脫冰程序進(jìn)行脫冰分析：圖4和圖5顯示的是左邊檔跨中，中間檔跨中位移時(shí)程曲線圖．由圖4和5可知中間跨的最大跳躍高度要比邊跨的跳躍高度大，這是由于中間跨受兩邊跨跳躍的影響較邊跨受中跨的影響要大得多．

圖4　左邊檔跨中Z向位移時(shí)程曲線圖

圖5　中間檔跨中Z向位移時(shí)程曲線圖

圖6顯示的跨中左端絕緣子X向位移時(shí)程曲線，圖7顯示的是中間跨跨中動(dòng)張力時(shí)間曲線圖，圖8顯示的是中間跨左端絕緣子下端剪力時(shí)間曲線圖．

圖6　跨中左端絕緣子X向位移時(shí)程曲線

圖7　中間跨跨中動(dòng)張力時(shí)間曲線圖

圖8　中間跨左端絕緣子下端剪力時(shí)間曲線圖

當(dāng)覆冰厚度為20 mm時(shí)，假設(shè)架空導(dǎo)線三檔同時(shí)脫冰(100%脫冰)，脫冰仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)成0.01 s，仿真時(shí)間設(shè)成50 s，編寫相應(yīng)的脫冰程序進(jìn)行脫冰分析：

圖9～10顯示的是左邊檔跨中，中間檔跨中位移時(shí)程曲線圖，圖11顯示的跨中左端絕緣子X向位移時(shí)程曲線．

圖9　左邊檔跨中Z向位移時(shí)程曲線圖

圖10　中間檔跨中Z向位移時(shí)程曲線圖

圖11　跨中左端絕緣子X向位移時(shí)程曲線

圖12顯示的是中間跨跨中動(dòng)張力時(shí)間曲線圖，圖13顯示的是中間跨左端絕緣子下端剪力時(shí)間曲線圖．

圖12　中間跨跨中動(dòng)張力時(shí)間曲線圖

圖13　中間跨左端絕緣子下端剪力時(shí)間曲線圖

當(dāng)覆冰厚度為25 mm時(shí)，假設(shè)架空導(dǎo)線三檔同時(shí)脫冰(100%脫冰)，脫冰仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)成0.01 s，仿真時(shí)間設(shè)成50 s，編寫相應(yīng)的脫冰程序進(jìn)行脫冰分析：圖14～15顯示的是左邊檔跨中，中間檔跨中位移時(shí)程曲線圖，圖16顯示的跨中左端絕緣子X向位移時(shí)程曲線．

圖14　左邊檔跨中Z向位移時(shí)程曲線圖

圖15　中間檔跨中Z向位移時(shí)程曲線圖

圖16　跨中左端絕緣子X向位移時(shí)程曲線

圖17為中間跨跨中動(dòng)張力時(shí)間曲線圖，圖18為中間跨左端絕緣子下端剪力時(shí)間曲線圖．

圖17　中間跨跨中動(dòng)張力時(shí)間曲線圖

圖18　中間跨左端絕緣子下端剪力時(shí)間曲線圖

冰厚/mm最大跳躍高度/m159.1622013.3572515.732

由表1知在三檔同時(shí)脫冰的情況下，輸電線的最大跳躍高度隨覆冰厚度的增大而增大，由于覆冰厚度越大，同一仿真時(shí)間內(nèi)，當(dāng)發(fā)生脫冰跳躍的時(shí)候，輸電線自身所釋放的彈性勢(shì)能就越大，因此脫冰的跳躍高度也越大．

表2　3種覆冰厚度下的中間檔中跨動(dòng)張力對(duì)照表

由表2知輸電導(dǎo)線脫冰跳躍過程中，最大動(dòng)張力隨覆冰厚度的增大而增大而最小動(dòng)張力卻隨覆冰厚度的增大而減小，這是由于覆冰厚度越大脫冰時(shí)的跳躍高度也越大，此時(shí)導(dǎo)線的動(dòng)能和重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能就越多，因此最大動(dòng)張力也越大，可見同樣的輸電導(dǎo)線動(dòng)張力的變化是和其跳躍高度息息相關(guān)的，其實(shí)質(zhì)是能量相互轉(zhuǎn)換問題．

表3　3種覆冰厚度下的絕緣子下端剪力對(duì)照表

由表3可知當(dāng)覆冰厚度增大時(shí)，輸電線絕緣子下端的剪力隨之增大，剪力是危害絕緣子和輸電線路之間關(guān)系的重要參數(shù)，隨著脫冰跳躍輸電線反復(fù)振動(dòng)，剪力也隨之反復(fù)變化著方向，這樣就加劇了輸電線和絕緣子的磨損，從而給輸電線路帶來相當(dāng)大的安全隱患．

3結(jié)論

1)在一個(gè)耐張段中，由于中間跨受兩邊跨跳躍的影響較邊跨受中跨的影響要大的多，中間跨的最大跳躍高度要比邊跨的跳躍高度大．

2)由于覆冰厚度越大，同一仿真時(shí)間內(nèi)，當(dāng)發(fā)生脫冰跳躍的時(shí)候，輸電線自身所釋放的彈性勢(shì)能就越大，因此脫冰的跳躍高度也越大，在三檔同時(shí)脫冰的情況下，輸電線的最大跳躍高度隨覆冰厚度的增大而增大．

3)由于覆冰厚度越大脫冰時(shí)的跳躍高度也越大，此時(shí)導(dǎo)線的動(dòng)能和重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能就越多，因此最大動(dòng)張力也越大，輸電導(dǎo)線脫冰跳躍過程中，最大動(dòng)張力隨覆冰厚度的增大而增大而最小動(dòng)張力卻隨覆冰厚度的增大而減?。?/p>

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[責(zé)任編輯張莉]

收稿日期：2015-07-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207081)

通信作者：蘇攀(1985-)，男，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)檩旊娋€路力學(xué)．E-mail：371493959@qq.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.014

中圖分類號(hào)：TM753

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2016)02-0060-05

Simulation of Jumping of Continuous Spans Overhead Transmission Line Due to Ice-shedding

Su Pan1Kong Tao1Zhang Yujiao1He Boya2

(1. College of Electrical Engineering & Renewable Energry, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China； 2. College of International Communications, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractWhen weather conditions change, under the action of wind load, mechanical force, the ice-covering transmission line will have several forms of ice-shedding phenomenon. A N-Z-Z-N continuous stall overhead transmission line finite element model is established. And then finding form of the model calculations, numerical simulation of the dynamic response of a continuous profile wrapped ice are carried out. The biggest draw in a strain segment, the middle span of jump height bigger than the side span of jump height are obtained. In the case of three spans wrapped ice, the maximum jump height power lines with ice thickness increases; transmission lines ice-shedding, the maximum dynamic tension increases with increasing thickness of ice cover; but the minimum dynanic tension decreases with the increasing of ice cover.

Keywordstransmission lines;ice coating;ice-shedding;continuous spans;dynamic response