杜龍飛， 曹詠弘， 李海濤， 許燕飛， 孫 滔

(1. 中北大學(xué) 理學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 山西 太原 030002)

0 引 言

輸電線路是電網(wǎng)系統(tǒng)最主要的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)， 其運(yùn)行的安全性、 可靠性對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義. 輸電線路覆冰是影響電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要因素之一， 當(dāng)覆冰厚度超過安全范圍時(shí)， 會使導(dǎo)線內(nèi)應(yīng)力急劇變化， 嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致線路過載、 閃絡(luò)甚至引發(fā)斷線、 倒塔等嚴(yán)重事故[1-3]. 因此， 安全高效的除冰技術(shù)對于電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義.

目前， 主流的輸電線路除冰技術(shù)主要有直(交)流融冰、 機(jī)械除冰以及被動除冰等[4]. 直(交)流融冰技術(shù)是通過變壓器、 融冰裝置或整流裝置等， 把電能轉(zhuǎn)化為熱能， 但在除冰過程中不僅需要停運(yùn)線路， 且設(shè)備費(fèi)用高昂、 能耗很大[5-6]； 機(jī)械除冰技術(shù)主要集中在電磁脈沖除冰、 電磁力沖擊除冰、 滑鏟除冰以及機(jī)器人除冰等方面， 此類方法易導(dǎo)致線路疲勞老化縮短其使用壽命， 而且效率低、 安全性差[7-8]； 被動除冰技術(shù)主要是通過在輸電線路上安裝阻雪環(huán)、 平衡塊、 抑冰環(huán)或者噴刷柔韌性強(qiáng)的憎水涂料， 利用風(fēng)或溫度等自然條件對線路進(jìn)行除冰， 但此類方法存在隨機(jī)性較大且除冰不徹底等問題[9]. 此外， 激光除冰技術(shù)[10-11]、 無人機(jī)除冰技術(shù)[12]等也逐漸興起， 但仍處于起步階段， 還未達(dá)到普遍適用的程度.

近年來， 謝東升[13]和宋巍[14]等提出了輸電線路爆破除冰技術(shù)， 選取適當(dāng)藥量和長度的導(dǎo)爆索， 將其預(yù)設(shè)在輸電線路上， 當(dāng)導(dǎo)線覆冰厚度影響線路運(yùn)行安全時(shí)， 引爆導(dǎo)爆索， 利用其爆炸產(chǎn)生的沖擊波對輸電線路進(jìn)行除冰， 該技術(shù)可以不受天氣的影響進(jìn)行除冰作業(yè). 史淋升等[15]通過對50 m孤檔進(jìn)行爆破除冰試驗(yàn)， 并與ABAQUS仿真軟件、 覆冰脫落判定準(zhǔn)則相結(jié)合， 驗(yàn)證了利用有限元軟件對輸電線路爆破除冰進(jìn)行仿真的可行性和可靠性.

本文在實(shí)際線路爆破除冰試驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 利用ABAQUS仿真軟件研究了針對不同密度霧凇覆冰使用分段爆破除冰法的除冰效率以及爆破作用對導(dǎo)線檔中位置跳躍高度的影響， 為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)對象為忻州平鳳線220 kV退役線路中的40#-41#路段， 檔距約為104 m， 其中40#為Z4-26型直線塔， 41#為NA-15型耐張塔. 選取三相單分裂導(dǎo)線中的兩根無高差導(dǎo)線進(jìn)行試驗(yàn)， 導(dǎo)線型號為LGJ300/40， 參數(shù)如表1 所示.

表1 導(dǎo)線基本參數(shù)

如圖 1 所示， 從導(dǎo)線的中心點(diǎn)處牽引出鋼絲繩連接到固定于地面的位移傳感器上. 位移傳感器為EY503-5000系列拉線位移傳感器， 量程 5 m， 精度為0.5% F.S， 安裝位置及方式如圖 2 所示， 其中a為導(dǎo)線， b為與傳感器連接的鋼絲， c為拉線位移傳感器. 采用DH3820測試分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 采集頻率為50 Hz. 試驗(yàn)前后均使用全站儀對導(dǎo)線的檔中弧垂進(jìn)行測量， 測量結(jié)果如表2 所示.

圖 1 試驗(yàn)線路

圖 2 傳感器安裝示意圖

表2 覆冰前后輸電線檔中弧垂

在輸電線路覆冰之前進(jìn)行導(dǎo)爆索敷設(shè)， 安裝位置如圖 3 所示. 兩個(gè)導(dǎo)線的線性裝藥均采用連續(xù)單段方式進(jìn)行敷設(shè)， 即在導(dǎo)線A上將長度為 20 m 的線性導(dǎo)爆索以平行于輸電線的方式自直線塔向耐張塔進(jìn)行敷設(shè)； 對導(dǎo)線B則是將20 m導(dǎo)爆索自耐張塔向直線塔進(jìn)行平行敷設(shè). 試驗(yàn)中分別在直線塔和耐張塔處對兩根導(dǎo)線進(jìn)行一次爆破： 工況1引爆導(dǎo)爆索①對導(dǎo)線A進(jìn)行除冰； 工況2引爆導(dǎo)爆索②對導(dǎo)線B進(jìn)行除冰.

圖 3 兩種工況的試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

本次試驗(yàn)中使用PB11型導(dǎo)爆索， 外徑5 mm， 藥量為(11.0 ±1.5) g/m. 導(dǎo)爆索敷設(shè)方式如圖 4 所示， 其中， d為導(dǎo)爆索， e為夾具. 利用導(dǎo)爆索夾具將導(dǎo)爆索平行于導(dǎo)線并間隔50 mm敷設(shè)在導(dǎo)線正下方； 夾具材料為PLA， 該材料具有密度小、 強(qiáng)度低等特性， 對試驗(yàn)結(jié)果無影響. 如圖 5 所示， 在自然條件下進(jìn)行試驗(yàn)， 輸電線覆冰平均外徑為 70 mm， 平均密度為0.20 g/cm3； 導(dǎo)爆索覆冰未形成環(huán)狀并且厚度均小于0.8 mm， 對試驗(yàn)結(jié)果影響很小， 故后續(xù)的分析中對導(dǎo)爆索覆冰忽略不計(jì).

圖 4 導(dǎo)爆索安裝

圖 5 覆冰外形

2 有限元模型

對爆破作用下輸電線路的脫冰率、 導(dǎo)線舞動以及掛點(diǎn)處動張力進(jìn)行分析， 從而對脫冰方案的效率以及安全性進(jìn)行評估. 本文使用ABAQUS有限元仿真軟件對試驗(yàn)線路進(jìn)行數(shù)值模擬， 通過數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析， 確定幾何模型以及仿真參數(shù)的可靠性， 并在此基礎(chǔ)上對分段爆破除冰方案進(jìn)行深入研究.

2.1 幾何模型

仿真中， 輸電塔的主材和絕緣子串選用B31梁單元， 采用Q235鋼的材料屬性進(jìn)行建模. 輔材選用T3D2桿單元， 采用Q345鋼的材料屬性進(jìn)行建模. 輸電線選用T3D2H混合桿單元， 采用表1 中與實(shí)際線路相同的材料屬性進(jìn)行建模. 覆冰導(dǎo)線采用等效密度法， 按照實(shí)際線路的參數(shù)進(jìn)行建模， 并依據(jù)懸鏈線方程以及表2全站儀測得的弧垂數(shù)據(jù)對輸電線進(jìn)行找形， 確定重力影響下的導(dǎo)線覆冰前后的線形狀態(tài). 塔線體系最終形態(tài)模型如圖 6 所示.

圖 6 塔線體系模型

2.2 爆破沖擊載荷

為獲取爆破產(chǎn)生的沖擊載荷， 通過LS-DYNA仿真軟件對導(dǎo)爆索爆破進(jìn)行數(shù)值仿真. 建立輸電線、 覆冰、 導(dǎo)爆索以及空氣域的流固耦合模型， 采用S-ALE算法， 空氣邊界設(shè)置為非反射邊界， 以波陣面與導(dǎo)線初次相遇點(diǎn)為觀測點(diǎn)， 得到?jīng)_擊波的正壓時(shí)程曲線. 通過計(jì)算得到爆破作用于導(dǎo)線上的載荷曲線， 如圖 7 所示.

圖 7 簡化的三角沖擊波

2.3 覆冰脫落判定準(zhǔn)則

覆冰脫落判定準(zhǔn)則是研究輸電線路除冰的關(guān)鍵問題. 在輸電線路脫冰的模擬過程中， 需要對導(dǎo)線覆冰是否脫落施加一個(gè)判定準(zhǔn)則， 常見的判定準(zhǔn)則有剪應(yīng)力破壞準(zhǔn)則、 剪切失效準(zhǔn)則、 最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則和加速度判定準(zhǔn)則等[16]. 加速度判定準(zhǔn)則同時(shí)考慮了覆冰與導(dǎo)線之間的粘結(jié)強(qiáng)度和覆冰內(nèi)部的內(nèi)聚破壞強(qiáng)度， 更接近實(shí)際情況. 因此， 本文采用式(1)加速度判定準(zhǔn)則[16]作為覆冰脫落的臨界條件.

(1)

式中：Dline為輸電線的外徑， m；Dsum為覆冰和輸電線的總外徑， m；τad和τco為導(dǎo)線與覆冰間的粘結(jié)強(qiáng)度和覆冰內(nèi)部的內(nèi)聚破壞強(qiáng)度， Pa；ρice為覆冰的密度， kg/m3. 根據(jù)試驗(yàn)采集到的覆冰樣本， 通過測量相關(guān)參數(shù)， 霧凇與輸電線間的粘結(jié)強(qiáng)度取 0.041 MPa， 霧凇內(nèi)聚破壞強(qiáng)度取為 0.03 MPa. 由式(1)可得， 覆冰脫落的臨界加速度值為2 901.90 m/s2.

3 仿真分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果及模型驗(yàn)證

對兩種脫冰工況中點(diǎn)位移時(shí)程曲線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比， 試驗(yàn)在無風(fēng)的條件下進(jìn)行， 因此， 忽略導(dǎo)線的橫向位移， 僅對導(dǎo)線的豎向位移進(jìn)行分析， 結(jié)果如圖 8 所示.

導(dǎo)爆索爆破產(chǎn)生的沖擊波， 使得爆破區(qū)域的覆冰被擊碎并脫落. 同時(shí)， 爆破沖擊波的作用以及覆冰脫落釋放了一部分導(dǎo)線的彈性勢能， 導(dǎo)致輸電線以一定的加速度迅速豎直向上回彈跳躍. 在跳躍過程中， 非爆破區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)線加速度達(dá)到臨界加速度時(shí)覆冰脫落， 最終使導(dǎo)線整體弧垂減小.

由圖 8 可知， 兩種工況的跳躍高度峰值均出現(xiàn)在第一個(gè)振蕩周期內(nèi). 導(dǎo)爆索爆破產(chǎn)生的沖擊波給予導(dǎo)線爆破段一個(gè)向上的脈沖， 并且爆破作用使導(dǎo)線覆冰脫落時(shí)導(dǎo)線釋放了一定的彈性勢能， 兩者同時(shí)作用使導(dǎo)線的勢能與動能相互轉(zhuǎn)化， 并呈現(xiàn)出衰減趨勢. 對比試驗(yàn)與仿真的結(jié)果可得， 工況1位移峰值的試驗(yàn)和仿真的誤差約為1.6%， 工況2位移峰值的試驗(yàn)和仿真的誤差約為1.9%.

(a) 工況1

(b) 工況2

試驗(yàn)中用相機(jī)記錄除冰的全過程， 逐幀分析導(dǎo)線在爆破作用產(chǎn)生的覆冰脫落的長度， 如圖 9 所示. 工況1中爆破作用下產(chǎn)生的脫冰長度為45 m， 仿真得到的脫冰長度為43.5 m， 誤差約為3.3%； 工況2試驗(yàn)測得脫冰長度為44.5 m， 仿真得到的脫冰長度為43.5 m， 誤差約為2.2%.

圖 9 誘發(fā)脫冰效果圖

綜上所述， 兩種工況脫冰長度和跳躍高度的試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本吻合， 驗(yàn)證了該模型用于爆破除冰試驗(yàn)?zāi)M的有效性， 表明仿真參數(shù)設(shè)置正確合理. 在此基礎(chǔ)上分別對密度為0.2 g/cm3和0.4 g/cm3的軟霧凇以及密度0.8 g/cm3的硬霧凇覆冰進(jìn)行分段爆破除冰工況模擬.

3.2 0.2 g/cm3軟霧凇除冰工況模擬

針對0.2 g/cm3的軟霧凇除冰模擬仍然選取平鳳線路為研究對象， 覆冰厚度與試驗(yàn)相同設(shè)為70 mm. 試驗(yàn)中采用單段20 m導(dǎo)爆索對線路進(jìn)行除冰， 工況模擬將20 m導(dǎo)爆索均勻分為兩段， 通過調(diào)整導(dǎo)爆索的起爆位置， 分為4種工況進(jìn)行討論. 模擬工況示意圖如圖 10 所示.

圖 10 模擬工況示意圖

圖 11 為各個(gè)工況分段爆破除冰的檔中位移時(shí)程曲線. 由圖可知， 在相同爆破量的情況下， 工況A0.2的位移峰值為0.78 m， 脫冰長度為69 m； 工況B0.2的位移峰值達(dá)到了1.25 m， 脫冰長度為81 m； 工況C0.2的位移峰值為0.96 m， 脫冰長度為74 m； 工況D0.2位移峰值為0.83 m， 脫冰長度為72.5 m. 由此可知， 當(dāng)起爆段設(shè)為檔中位置時(shí)， 導(dǎo)線的跳躍高度達(dá)到了最大， 這是由于導(dǎo)線檔中位置的剛度小于兩端的剛度， 在同等長度藥量的導(dǎo)爆索作用下產(chǎn)生的位移也最大； 當(dāng)起爆段遠(yuǎn)離檔中位置時(shí)， 兩段導(dǎo)爆索的間距越大所產(chǎn)生的跳躍高度就越小.

(a) 工況A0.2

(b) 工況B0.2

(c) 工況C0.2

(d) 工況D0.2

各工況掛點(diǎn)動張力幅值如圖 12 所示. 與位移相同， 在檔中進(jìn)行爆破時(shí)動張力幅值達(dá)到最大. 當(dāng)爆破位置遠(yuǎn)離檔中位置時(shí)， 隨著兩段導(dǎo)爆索的間距增加， 爆破導(dǎo)致導(dǎo)線掛點(diǎn)動張力變化的幅值減小. 4種工況導(dǎo)線掛點(diǎn)動張力幅值均未超出導(dǎo)線的許用張力.

《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊》中規(guī)定： ①試驗(yàn)線路中輸電線與地線之間的間距應(yīng)始終大于2.248 m； ②導(dǎo)線許用應(yīng)力為導(dǎo)線拉斷力的40%. 因此， 由本試驗(yàn)線路中輸電線與地線之間的初始距離為4.7 m， 可得導(dǎo)線位移峰值不得超過2.452 m； 由本試驗(yàn)線路中導(dǎo)線的拉斷力為 92.22 kN， 可得導(dǎo)線的許用張力為36.8 kN. 由此可計(jì)算出， 在0.2 g/cm3的軟霧凇覆冰狀態(tài)下， 導(dǎo)線脫冰長度達(dá)到31.2 m， 可使線路便處于安全狀態(tài). 綜合4種分段爆破除冰工況的位移峰值、 脫冰長度以及掛點(diǎn)動張力幅值可知， 本試驗(yàn)的4種工況均符合設(shè)計(jì)手冊規(guī)范要求. 對厚度為 70 mm、 密度為0.2 g/cm3的軟霧凇覆冰進(jìn)行除冰時(shí)， 采取在導(dǎo)線兩端敷設(shè)10 m導(dǎo)爆索的方式進(jìn)行分段爆破除冰， 可以使導(dǎo)線舞動的幅值最小， 從而提高爆破除冰的安全性.

由試驗(yàn)的兩種工況與0.2 g/cm3軟霧凇的仿真工況的結(jié)果對比可得： 通過合理選擇分段爆破除冰的方案可以有效減小導(dǎo)線的跳躍峰值以及增加脫冰率， 提高了爆破除冰的脫冰效率以及安全性.

圖 12 0.2 g/cm3軟霧凇時(shí)各工況掛點(diǎn)動張力變化幅值

3.3 0.4 g/cm3軟霧凇除冰工況模擬

0.4 g/cm3軟霧凇與0.2 g/cm3軟霧凇覆冰厚度、 實(shí)驗(yàn)線路以及工況設(shè)置保持一致. 據(jù)J. Druez[17]對霧凇相關(guān)參數(shù)的研究可知， 0.4 g/cm3軟霧凇與鋼芯鋁絞線間的粘結(jié)強(qiáng)度[16]為 0.074 MPa， 霧凇內(nèi)聚強(qiáng)度為0.479 MPa， 由式(1) 計(jì)算可得， 0.4 g/cm3軟霧凇脫落的臨界加速度為6 359.11 m/s2.

表3 為0.4 g/cm3軟霧凇除冰4種模擬工況的位移峰值、 脫冰長度以及設(shè)計(jì)手冊規(guī)范要求. 由仿真數(shù)據(jù)可知， 保持覆冰厚度以及導(dǎo)爆索長度不變的情況下， 隨著覆冰密度的增加使得導(dǎo)線自身積蓄的勢能逐漸增大， 在除冰過程中釋放的勢能也隨之增大， 從而導(dǎo)致導(dǎo)線的位移幅值變大.

表3 0.4 g/cm3軟霧凇時(shí)各工況結(jié)果對比

各工況掛點(diǎn)動張力幅值如圖 13 所示. 由圖可知， 工況B0.4掛點(diǎn)動張力幅值已經(jīng)超出導(dǎo)線的許用張力要求， 其余3個(gè)工況掛點(diǎn)動張力幅值均符合規(guī)范要求； 當(dāng)覆冰厚度為0.4 g/cm3且符合當(dāng)爆破位置遠(yuǎn)離檔中位置時(shí)， 隨著兩段導(dǎo)爆索間距的增大， 爆破導(dǎo)致的導(dǎo)線掛點(diǎn)動張力變化的幅值減小.

圖 13 0.4 g/cm3軟霧凇時(shí)各工況掛點(diǎn)動張力變化幅值

綜合0.4 g/cm3軟霧凇的4種分段爆破除冰工況可知： 保持藥量不變的情況下， 采取工況A0.4無法滿足設(shè)計(jì)手冊的除冰要求； 工況B0.4雖滿足脫冰規(guī)范要求； 但是檔中位置脫冰引起的導(dǎo)線位移幅值過大， 且導(dǎo)線張力已超出許用張力； 工況C0.4和工況D0.4中導(dǎo)線位移幅值相差很小， 而前者達(dá)到了更高的除冰率. 所以， 在對厚度70 mm密度為0.4 g/cm3軟霧凇覆冰進(jìn)行分段爆破除冰時(shí)， 可以采用工況C0.4中的導(dǎo)爆索敷設(shè)方案進(jìn)行除冰.

3.4 0.8 g/cm3硬霧凇除冰工況模擬

0.8 g/cm3硬霧凇的脫冰模擬仍選取平鳳線路為研究對象， 覆冰厚度為 70 mm. 0.8 g/cm3硬霧凇與鋼芯鋁絞線間粘結(jié)強(qiáng)度為 0.125 MPa， 其內(nèi)聚強(qiáng)度[17]為2.066 MPa， 根據(jù)式(1) 計(jì)算可得， 0.8 g/cm3硬霧凇脫冰的臨界加速度值為 10 903.52 m/s2.

各種工況的位移峰值、 脫冰長度以及設(shè)計(jì)手冊規(guī)范要求如表4 所示， 掛點(diǎn)動張力幅值如圖 14 所示.

結(jié)合3種不同密度覆冰的脫冰工況可得： 隨著覆冰密度的增大， 覆冰的內(nèi)聚強(qiáng)度以及覆冰與導(dǎo)線之間的粘結(jié)強(qiáng)度也逐漸增大， 使用相同藥量和長度的導(dǎo)爆索， 使導(dǎo)線產(chǎn)生的加速度隨之降低， 從而導(dǎo)致爆破的除冰率逐漸降低. 同時(shí)， 結(jié)合仿真數(shù)據(jù)可知， 檔中跳躍高度隨覆冰密度的增大而大幅增加.

表4 0.8 g/cm3硬霧凇時(shí)各工況結(jié)果對比

圖 14 0.8 g/cm3硬霧凇時(shí)各工況掛點(diǎn)動張力變化幅值

由各工況檔中位移峰值、 動張力幅值以及脫冰長度可知， 在4種分段爆破除冰工況下， 導(dǎo)線的中點(diǎn)位移峰值和掛點(diǎn)動張力幅值都超過了設(shè)計(jì)規(guī)范要求， 且脫冰長度未達(dá)到規(guī)范要求. 因此， 在對 70 mm， 0.8 g/cm3的硬霧凇覆冰進(jìn)行除冰時(shí)， 應(yīng)采用更小藥量， 同時(shí)縮短爆破段長度， 增加起爆次數(shù)， 在安全范圍內(nèi)進(jìn)行分段爆破除冰.

本文所有試驗(yàn)、 仿真工況中分段導(dǎo)爆索均為同時(shí)起爆. 對于分段導(dǎo)爆索先后在一定時(shí)間間隔內(nèi)起爆對試驗(yàn)結(jié)果的影響， 將在后續(xù)的研究中進(jìn)行深入的探究.

4 結(jié) 論

基于平鳳線220 kV的退役線路中40#-41#路段的爆破除冰試驗(yàn)進(jìn)行了仿真分析， 驗(yàn)證了有限元模型以及仿真參數(shù)的合理性， 并對不同密度霧凇覆冰輸電線路以不同方式分段爆破除冰的檔中跳躍峰值以及脫冰長度進(jìn)行分析. 結(jié)果表明：

1) 在輸電線路爆破除冰時(shí)， 將分段導(dǎo)爆索分別設(shè)置在輸電線兩端， 可以有效提高爆破除冰的安全性以及除冰效率.

2) 在其他條件不變的情況下， 使用分段爆破除冰時(shí)， 脫冰長度與導(dǎo)線覆冰密度為負(fù)相關(guān)， 檔中跳躍峰值與覆冰密度呈正相關(guān)趨勢.

3) 當(dāng)覆冰密度超過0.8 g/cm3且覆冰厚度大于70 mm時(shí)， 應(yīng)采用更小藥量， 同時(shí)縮短爆破段長度， 增加起爆次數(shù)， 以保證在安全范圍內(nèi)進(jìn)行分段爆破除冰.