王璋奇，王　劍，齊立忠

（華北電力大學 機械工程系，河北 保定 071003）

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同期脫冰架空輸電導線的動張力特性實驗研究

王璋奇，王劍，齊立忠

（華北電力大學 機械工程系，河北 保定 071003）

摘要：架空輸電導線脫冰后，架空導線發(fā)生大幅度的非線性震蕩，其震蕩的位移和導線張力嚴重威脅架空線路的安全運行?；跈n距為40 m的架空導線模型，通過模擬實驗的方法對同期脫冰后的架空導線脫冰動張力特性進行研究。實驗結果表明：導線最大動張力和最小動張力發(fā)生在脫冰震蕩的前1—2周期內；同期整檔脫冰時，導線動張力變化幅度隨覆冰厚度增加而增大，但始終低于相同條件下的靜張力的數值；同期局部脫冰的最大動張力隨脫冰位置的不同而變化，當架空導線檔距中央局部脫冰時，將會引起更大的動張力變化，其最大動張力數值會出現(xiàn)大于相同覆冰條件下的導線靜張力情況。

關鍵字：振動與波；脫冰振蕩；導線動張力；同期脫冰；架空輸電線

對于嚴重覆冰的架空輸電導線，氣溫升高和風力作用將導致覆冰突然脫落，從而發(fā)生架空導線的脫冰振蕩現(xiàn)象[1]。架空導線的脫冰振蕩常常導致架空導、地線間或導線相間的距離顯著減小，破壞了導、地線之間或相線之間的安全距離，從而引發(fā)相導線之間的閃絡事故。與此同時，脫冰振蕩造成的架空導線的大幅度非線性振蕩，也會引起導線內的張力急劇變化，從而使連接桿塔和導線之間的絕緣子串、金具，以及桿塔的橫擔受到較大的動態(tài)作用力[2]，產生非正常大幅振動。區(qū)別于普通靜風載作用下的架空線張力特性[3]，該動張力作用會對架空線產生很大破壞作用，尤其是在塔-線相間的輸電線路中，因為導線的脫冰振蕩使相鄰檔導線的張力不再平衡，異常的不平衡張力將會造成絕緣子串和金具斷裂、鐵塔橫擔發(fā)生塑性變形，甚至可能使鐵塔傾覆，2008年的電網冰災事件中這類事故占有較大的比例[4]。架空導線的脫冰可以分為同期脫冰和非同期脫冰。同期脫冰是指給定范圍內的覆冰同時完成脫落動作；非同期脫冰是指給定范圍內的覆冰在一個時間段內，按照時序依次脫落。同期脫冰包含同期整檔脫冰和同期局部脫冰兩種情況。

計算機技術和有限元技術的發(fā)展使得以數值計算方法為基礎的理論分析方法受到了工程技術人員的青睞，國內外都做了大量的關于架空線覆冰舞動[5]、脫冰跳躍及其控制[6]的相關分析計算工作，文獻[7，8]對架空線整檔和部分檔脫冰跳躍的數值仿真計算，得到其跳躍過程中的動態(tài)特性。數值仿真計算的方法具有成本低，可操作性強等特點，因而被許多學者廣泛采用，但當前對仿真數據的實驗佐證相當匱乏，采用實驗的方法對架空線脫冰跳躍過程進行研究勢在必行。

國內外曾開展了實際架空導線脫冰現(xiàn)象的觀察和實驗研究，建立了觀冰站，對架空導線脫冰的特性進行實驗研究，加深了對脫冰振蕩現(xiàn)象的理解和認識，但是由于實際架空導線覆冰和脫冰過程的復雜性，觀察樣本非常少，缺乏代表性，因此將這些觀測結果直接用于架空導線的抗冰設計，仍然依據不足。架空輸電導線脫冰模擬實驗可以方便地實現(xiàn)各種脫冰模式，從而彌補了現(xiàn)場觀測的不足。國網武漢高壓研究院[9]采用一段長度為235 m的真實架空線進行脫冰的實驗研究，脫冰工況采用遙控重物墜落的方式模擬。Jamaleddine[10－11]等在實驗室構建了兩檔架空線的縮小模型，其每檔長度為3.322 m，覆冰工況采用在導線上等間距懸掛重物實現(xiàn)，重物上連接有細電熔絲，當通電后電熔絲熔斷，重物脫落。華北電力大學[12,13]構建了架空導線脫冰實驗模型，采用電磁鐵懸掛重物吸附的方法[14,15]和在架空導線上噴霧附冰的方法[16]實現(xiàn)覆冰工況模擬，脫冰模擬則采用切斷電磁鐵使得重物脫離架空線的方式實現(xiàn)。脫冰模擬成功的關鍵是保證覆冰重物能在給定的時刻準時脫落，從而保證各種脫冰工況的順利實現(xiàn)。

為更深入地從實驗角度探究架空輸電線脫冰動力學特性，華北電力大學輸電線路工程實驗室研制了一套架空輸電線脫冰實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了對覆冰載荷的高精度控制，進而實現(xiàn)各類脫冰工況的模擬，并對脫冰振蕩過程中架空線動張力變化情況進行實時測量。本文著重討論在多種同期整檔以及同期局部檔脫冰工況下架空導線動張力變化特性，研究其物理規(guī)律，以便為輸電線路抗冰設計提供依據。

圖1　架空線脫冰振蕩實驗系統(tǒng)

1　架空輸電線脫冰實驗系統(tǒng)

圖1顯示了華北電力大學自主研發(fā)的架空線脫冰振蕩實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)由脫冰振蕩物理模塊、脫冰控制模塊以及導線脫冰振蕩參數采集與分析模塊等部分組成。

在實驗室進行架空線模擬脫冰實驗研究，使用直徑為6 mm的鋼絞線模擬架空線，架設檔距為40 m。架空線上等間距安裝有20個輕質鐵吸盤，覆冰工況的模擬采用電磁鐵懸掛重物，以吸附在吸盤上的方式來實現(xiàn)，電磁鐵編號如圖1所示，從左至右依次為1—20號。脫冰振蕩實驗模型參數詳見表1。

脫冰控制模塊用于控制重物按照指定方式脫落，完成脫冰振蕩激勵工況的模擬，其技術關鍵為使用脫冰控制裝置實現(xiàn)對每個電磁鐵動作執(zhí)行的精準控制。當給電磁鐵通電時，電磁鐵產生吸附力，實現(xiàn)覆冰工況模擬；反之，當切斷電磁鐵供電時，電磁鐵吸附力消失，連同重物脫離導線，完成脫冰工況模擬。利用計算機對每路電磁鐵動作時間進行精確設置，從而方便地實現(xiàn)整檔脫冰、局部脫冰等多種脫冰工況的模擬。

表1　脫冰振蕩物理實驗模型參數表

導線脫冰振蕩參數采集與分析模塊用于實時采集脫冰跳躍過程中架空輸電線端部軸向張力變化情況，為提高采樣精度，系統(tǒng)采用高精度采集卡DT9800對該動張力值進行采集，采樣頻率為1 000 Hz，AD采樣精度為16位。同時系統(tǒng)提供圖形顯示功能，可以繪制出動張力時程曲線，以供進一步分析研究。

架空輸電線脫冰跳躍實驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖2　脫冰跳躍實驗現(xiàn)場圖

2　同期整檔脫冰架空導線動張力

2.1同期整檔脫冰實驗工況

同期整檔脫冰是架空導線脫冰研究的典型工況。在此情況下，整檔導線上的覆冰同時脫落，造成的導線振蕩位移以及導線動張力的波動最為嚴重，是架空輸電線路設計人員最為關心的設計工況之一。為考察覆冰厚度對導線動張力特性的影響，參照架空輸電線路設計準則，選擇了三個模擬覆冰工況，各工況參數見表2。

2.2同期整檔脫冰振蕩動張力實驗結果及分析

架空線是彈性體，覆冰后架空線長度發(fā)生變化，并積聚彈性勢能，導線張力也隨之增大。當架空線整檔脫冰后，架空線中蓄積的彈性勢能得到釋放，轉換為架空線的動能和重力勢能，架空線往上“回彈”運動，導線的彈性伸長及其張力也隨導線的運動而發(fā)生變化。覆冰脫落后架空線往上運動，其彈性勢能轉換為動能和重力勢能，動張力逐漸減??；導線運動到最高點后又開始回落，重力勢能、彈性勢能和重力勢能又進行重新轉化與分配，動張力逐漸變大，這樣的過程循環(huán)往復進行，產生波動變化的張力，同時又由于阻尼因素動張力呈波動衰減狀。架空導線部分檔距內的張力動態(tài)變化將會在鄰近的鐵塔上產生不平衡張力，該波動形式的動張力會對鐵塔施加振動激勵，誘發(fā)鐵塔低頻大幅擺動。

根據表2中的參數，選擇不同質量的覆冰和重物等間距懸掛在架空線上，撥動控制箱上的控制開關，實現(xiàn)架空導線的整檔脫冰，安裝在架空導線端部的張力傳感器實時記錄脫冰后架空導線振動過程中的動張力變化情況。同期整檔脫冰時，架空導線動張力的測量結果如圖3所示。

圖3　同期整檔脫冰動張力時程曲線

由圖3可知，隨著架空導線覆冰厚度的增加，導線內的初始靜張力也隨之增加。架空導線脫冰后，導線動張力隨時間振蕩衰減，變化幅度和規(guī)律與導線覆冰的厚度相關，最后達到無冰狀態(tài)所對應的靜張力。不同工況下，動張力的特征參數見表3。

表2　同期整檔脫冰實驗工況

表3　導線動張力參數

由表3可知，架空導線動張力振幅隨著覆冰厚度的增加而愈發(fā)劇烈，這是由于覆冰厚度越大，架空導線中存儲的彈性勢能越大，往上躍起時轉換為架空導線重力勢能的量也越多，架空導線跳起的高度也越高，同時也會顯得越發(fā)松弛，導線的張力就相對較小。同時，在架空線下落時，下降到最低點處所積聚的能量也同樣較大，即張力峰值也相應地有所增加。

三種同期整檔脫冰工況下，架空導線動張力最小值均出現(xiàn)在第一次谷值處，最大值均出現(xiàn)在第二次峰值處。張力最小值在脫冰動作后出現(xiàn)的時間隨著覆冰厚度的增加而增大，但其間時間差很短，不超過400 ms。

三種同期整檔脫冰工況下，由于架空導線比載是不同的，動/靜張力的數值差別很大，不便于分析。為此，本文將實驗中得到的導線動張力的最值表示成相應工況下導線靜張力的百分比，并由此分析導線動張力最值與覆冰厚度之間的關系，如圖4所示。

由圖4可知，在4 mm到8 mm覆冰區(qū)間，隨著覆冰厚度的增加，動張力峰值和谷值占初始張力的百分比在不斷地減小。圖4表明，在脫冰后的架空導線振動過程中，導線中的動張力變化是非常劇烈的，變動范圍（峰谷值之差）可以達到靜張力的50%以上。

圖4　動張力最大/最小值占初始張力百分比隨覆冰厚度變化

3　同期局部脫冰架空導線動張力

3.1同期局部脫冰實驗工況

通過在架空線上懸掛20個重物的方式模擬覆冰工況，脫冰動作由架空輸電線脫冰實驗系統(tǒng)控制，其每一路重物可以單獨執(zhí)行動作，對其中某幾路電磁鐵進行脫冰動作即可模擬局部脫冰工況。依據實際導線設計過程中的工況需要，模擬局部脫冰實驗工況如表4所示，其中電磁鐵脫落位置項中電磁鐵號數即為圖1中所標示的電磁鐵標號。為研究同期局部脫冰動張力特性，此處采用4 mm厚覆冰工況進行實驗。

表4　局部脫冰實驗工況

3.2同期1/2檔脫冰架空導線動張力

根據對稱原則設計的同期1/2檔脫冰實驗工況，分別為左邊1/2檔、中間1/2檔和右邊1/2檔，它們對應于表4中的局部脫冰工況2-1、2-2和2-3。架空線1/2檔脫冰時，架空線脫冰控制系統(tǒng)只控制20個重物中10個重物脫落，剩下的10個重物仍然作為覆冰附著在架空線上，其具體脫落位置參見表4和圖1。架空導線動張力時程曲線如圖5所示。

可見，左邊1/2檔脫冰振蕩和右邊1/2檔脫冰振蕩動張力變化時程趨勢與大小幾乎一致，兩條曲線幾乎重合，架空輸電線1/2檔脫冰振蕩呈現(xiàn)高度對稱性。中間同期1/2檔脫冰時，動張力表現(xiàn)較規(guī)整的衰減波形，而當脫冰位置發(fā)生在檔邊位置時，動張力時程曲線則呈不規(guī)則衰減波形。

圖5　同期1/2檔脫冰導線動張力

由圖5可知，架空導線中間1/2檔脫冰時，導線動張力變化的峰值大于左右兩邊同期1/2檔脫冰產生的導線動張力峰值，且前者所產生的動張力谷值遠小于后者。這表明在脫冰量相同的情況下，中間位置的脫冰對架空導線的安全運行的危害更大一些。

3.3同期1/5檔脫冰架空導線動張力

根據對稱原則設計同期1/5檔脫冰實驗工況，分別為左邊1/5檔、左中1/5檔、中間1/5檔、右中1/5檔和右邊1/5檔，同期1/5檔脫冰的5個實驗工況對應于表4中的局部脫冰工況3-1到3-5。架空線1/5檔脫冰時，控制整檔20個重物中的4個執(zhí)行脫冰動作，其余的重物仍然吸附在架空線上，以模擬部分檔脫冰振蕩過程。

圖6　同期1/5檔對稱位置脫冰導線動張力

同期1/5檔脫冰的5個實驗工況中，工況3-1和3-5以及工況3-2和3-4為相對于檔中位置對稱的脫冰工況，其動張力對比如圖6所示。

由圖6可知，1/5檔脫冰時與1/2檔脫冰情況一樣，也呈高度的對稱性，圖6（a）和圖6（b）中的兩條曲線分別幾乎重合，即當部分檔脫冰工況相對于檔中對稱時，架空導線的動張力變化時程一致。

圖7顯示了工況3-1、3-2和3-3的動張力時程。

圖7　同期1/5檔脫冰導線動張力時程曲線

圖7的導線動張力時程表明：當脫冰位置位于檔中時，導線動張力變化最為劇烈，動張力的峰谷值變化最大，導線動張力的最大值甚至有可能超過覆冰情況下靜張力的數值，應引起注意；而當脫冰位置越靠近檔邊位置時，動張力變化的峰谷值變化幅度則明顯減小。

比較4 mm厚覆冰情況下，同期整檔脫冰、中間同期1/2檔脫冰和中間同期1/5檔脫冰時，架空導線動張力時程曲線（圖3、圖5、圖7）可以發(fā)現(xiàn)，脫冰后動張力波動圍繞中心張力值（也即各工況導線最終靜止狀態(tài)張力值）隨脫冰量和脫冰位置而變化，脫冰量越大，脫冰位置越靠近檔中，該中心張力值越小。相反，動張力波動幅值大小則隨脫冰量增加及脫冰位置靠近檔中程度的增加而增大。

4結　語

采用架空線脫冰振蕩實驗系統(tǒng)對一段檔距為40 m的模擬架空線進行了整檔和局部檔同期脫冰振蕩實驗研究，系統(tǒng)采集了脫冰振蕩過程中架空線軸向動張力變化值，并對該動張力變化特性進行了分析比較，主要的結論有：

(1)架空導線脫冰后，導線內的動張力呈現(xiàn)衰減振蕩的過程，其所圍繞的波動中心張力值隨著脫冰量的增加和脫冰位置靠近檔中程度的增加而減小，動張力波動幅值大小則規(guī)律相反；

(2)架空導線發(fā)生同期整檔脫冰后，導線動張力的最大和最小值出現(xiàn)在脫冰后的1到2個振蕩周期內，導線的最小動張力隨著覆冰厚度的增加而降低；

(3)同期整檔脫冰后架空導線發(fā)生振蕩，導線動張力變化明顯，其變動范圍（峰谷值之差）可達到相應覆冰條件下的初始靜張力的50%以上；

(4)架空導線同期局部脫冰情況下，最大動張力隨脫冰位置的不同而變化，當架空導線檔中局部脫冰時，會引起更大的動張力變化，其最大動張力數值會出現(xiàn)大于相同覆冰條件下的導線初始靜張力的情況。

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E-mail:wangzq2093@163.com

中圖分類號：O329；TM726

文獻標識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.034

文章編號：1006-1355(2016)01-0157-06

收稿日期：2015-08-21

作者簡介：王璋奇(1964-)，男，陜西大荔人，博士，教授，主要研究方向：輸電線路工程、新能源技術與設備、動力學分析與控制。

通訊作者：王劍(1989-)，男，江蘇揚中人，博士研究生，主要研究方向：架空輸電線舞動分析及其監(jiān)測。

Experimental Study on the Dynamic Tension Characteristics of the Overhead Transmission Conductor under Synchronous Ice Shedding

WANG Zhang-qi,WANGJian,QI Li-zhong

(Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003,Hebei China)

Abstract:After the ice shedding,the nonlinear oscillation of overhead conductors with large amplitude will occur.The oscillation displacement and tension of the conductors will threaten the safe operation of the overhead transmission lines severely.Based on the overhead transmission conductor model with a span of 40m,the overhead conductor’s dynamic tension characteristics after the synchronous ice shedding were studied though a simulation test.The results show that the maximum dynamic tension and minimum dynamic tension of the conductor always occur in the first and second oscillation cycles.In the synchronous ice shedding of the whole span of the conductor,the maximum dynamic tension increases with the increasing of the ice thickness,but its value is always lower than that of the static tension under the same icing condition. For the partial span synchronous ice shedding,the maximum dynamic tension changes with the locations of ice shedding of the overhead conductor.The central partial span ice shedding may cause greater dynamic tension in the conductor,and its maximum dynamic tension value may be greater than that of the static tension under the same icing condition.

Key words:vibration and wave;ice shedding oscillation;dynamic tension;synchronous ice shedding;overhead transmission lines