程川川，曹詠弘，杜龍飛

(中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

導(dǎo)線覆冰是常見的自然現(xiàn)象，當(dāng)輸電線覆冰載荷增加時，導(dǎo)線內(nèi)應(yīng)力增大引發(fā)弧垂增加，線路上會產(chǎn)生較大的張力差異，會造成輸電線破損、 斷線、 接地短路，甚至使桿塔倒塌等危害[1-3]. 因此，需要及時對覆冰導(dǎo)線除冰以避免發(fā)生重大安全事故，影響人民正常的生產(chǎn)和生活.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于覆冰導(dǎo)線除冰的研究主要基于熱力融冰、 機械除冰和被動除冰. 其中，熱力融冰包括高頻高壓激勵融冰法、 短路電流融冰法和直流融冰法等[4-5]； 機械除冰包括滑輪鏟刮法、 電脈沖除冰和電磁力除冰法等[6-7]； 被動除冰是通過在導(dǎo)線上安裝平衡錘、 抑冰環(huán)等裝置，利用風(fēng)、 溫度和重力等外界作用達(dá)到脫冰目的. 盡管以上除冰方法已經(jīng)取得了一定效果，但仍存在成本過高，不能普遍適用等問題. 爆破除冰以其成本低、 見效快、 效率高等優(yōu)點成為除冰的一種新思路[8].

爆破除冰通過選取合適長度的導(dǎo)爆索(PETN)，將其預(yù)先鋪設(shè)在易發(fā)生冰災(zāi)的輸電線路上. 在導(dǎo)線覆冰后通過雷管引爆導(dǎo)爆索，產(chǎn)生的爆炸沖擊波使導(dǎo)爆索鋪設(shè)區(qū)域脫冰. 采用爆破除冰方法可以在冰災(zāi)發(fā)生后立即通過地面控制進行除冰，避免了除冰作業(yè)者在惡劣天氣下高空作業(yè)的危險. 謝東升等[9]通過縮比爆破除冰試驗獲得了較好的除冰效果，表明了高壓輸電線路的爆破除冰具有可靠性及可行性； 宋巍等[10]通過爆破試驗和數(shù)值模擬研究了爆破除冰機理和爆破參數(shù)影響規(guī)律，確定了導(dǎo)爆索的安裝方法； 曹詠弘等[11]利用數(shù)值模擬對輸電線路覆冰塔系爆破除冰后的動力響應(yīng)進行了分析，提出了單導(dǎo)線與雙分裂導(dǎo)線的脫冰方案； 史淋升[12]對50 m孤立檔輸電線路進行了爆破除冰試驗，并與自然脫冰進行對比分析，發(fā)現(xiàn)爆破除冰時輸電線跳躍幅值與動張力幅值均大于自然脫冰.

覆冰會使導(dǎo)線的迎風(fēng)面積增大，在風(fēng)載荷作用下覆冰導(dǎo)線會出現(xiàn)大幅度低頻振動現(xiàn)象，當(dāng)風(fēng)力較大時，就會威脅到輸電線路安全，因此，對風(fēng)載荷作用下覆冰導(dǎo)線進行爆破除冰十分必要. 已有的爆破除冰研究均沒有考慮風(fēng)載荷的影響，與實際工程存在一定的差異. 本文通過ABAQUS有限元軟件對在風(fēng)載荷和爆炸沖擊載荷共同作用下試驗輸電線路中點位移進行模擬驗證，進一步對重冰區(qū)覆冰導(dǎo)線爆破除冰的動力響應(yīng)進行仿真分析，討論風(fēng)速和爆破量對爆破除冰時的導(dǎo)線跳躍高度和動張力峰值的影響，得到不同條件下輸電線路的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，為實際工程應(yīng)用提供參考.

1 試驗概況

如圖1 所示，本試驗線路為山西省忻州市220 kV平鳳線39#～40#檔段，屬于嚴(yán)重結(jié)冰區(qū). 輸電線路型號為LGJ-300/40，檔距約104 m，導(dǎo)線具體參數(shù)如表1 所示. 試驗過程中，如圖2 所示的位移傳感器通過鋼絲細(xì)繩與輸電線路中點進行連接. 其中，豎直位移傳感器垂直于地面，斜拉位移傳感器與地面成45°，利用兩個位移傳感器得到導(dǎo)線的跳躍高度和橫向擺幅.

圖1 試驗覆冰線路及傳感器安裝方式

表1 導(dǎo)線參數(shù)

圖2 位移傳感器

本試驗對3根導(dǎo)線進行爆破除冰測試，由文獻[11]可知，對導(dǎo)線進行端部脫冰可以降低導(dǎo)線的跳躍高度. 試驗中，在導(dǎo)線A和導(dǎo)線C兩端各鋪設(shè)20 m長的導(dǎo)爆索，導(dǎo)線B靠近耐張塔一段鋪設(shè)20 m長的導(dǎo)爆索，5段導(dǎo)爆索鋪設(shè)位置俯視示意圖如圖3 所示. 為了研究延時爆破和不同爆破量對導(dǎo)線跳躍響應(yīng)的影響，試驗對5段導(dǎo)爆索進行3次起爆，分別為：導(dǎo)線B①區(qū)域段導(dǎo)爆索爆破； 導(dǎo)線A②、 ④區(qū)域?qū)П髌鸨?導(dǎo)線C③、 ⑤區(qū)域段導(dǎo)爆索爆破，但采用延時爆破使得③區(qū)域段導(dǎo)爆索起爆時間早于⑤區(qū)域段導(dǎo)爆索0.5 s. 具體工況如表2 所示.

圖3 導(dǎo)爆索鋪設(shè)示意圖

表2 試驗工況

圖2 中的位移傳感器型號為EY503-5000系列，量程為5 000 mm,傳感器精度為0.5% F.S. 試驗中所用導(dǎo)爆索(簡稱為PETN)，其藥芯為RDX，是用以傳遞爆轟波的索狀火工品，導(dǎo)爆索起爆采用MS-3段毫秒延期雷管，單發(fā)雷管延期時間長度約為50 ms，采用多發(fā)雷管串聯(lián)可以提供不同時間間隔的起爆方式. 在輸電線路覆冰之前，利用夾具將導(dǎo)爆索等間距地鋪設(shè)在輸電線下方，待輸電線覆冰后，通過雷管進行引爆，利用導(dǎo)爆索作用在覆冰導(dǎo)線上的爆炸沖擊波達(dá)到輸電線路除冰目的，提取位移傳感器數(shù)據(jù)計算得到導(dǎo)線的跳躍高度和橫向擺幅.

2 有限元模擬

為了對在風(fēng)載荷作用下導(dǎo)線爆破除冰中點的位移進行比較驗證，建立了試驗輸電線路有限元模型. 基于有限元模型進一步模擬分析風(fēng)速、 爆破量對導(dǎo)線爆破除冰時的響應(yīng)特性.

2.1 幾何模型

通過ABAQUS對試驗塔線體系進行仿真建模，輸電塔主材、 絕緣子采用梁單元，單元類型為B31單元，輸電塔輔材選用桿單元(T3D2)，輸電塔與地基的連接點完全固定. 覆冰導(dǎo)線采用桁架單元，單元類型選擇T3D2H混合單元，最外側(cè)輸電線兩端固定平動自由度. 試驗覆冰類型為圓形覆冰，其覆冰厚度并不均勻，根據(jù)覆冰前后輸電線中點弧垂確定覆冰厚度，將其等效為10 mm雨凇覆冰，采用等效密度法模擬覆冰對導(dǎo)線的作用. 最終建立起來的塔線體系如圖4 所示.

圖4 塔線體系有限元模型

2.2 風(fēng)載荷

由風(fēng)速計測得現(xiàn)場風(fēng)速約在9 m/s～12 m/s之間，取10 m/s風(fēng)速為仿真風(fēng)速. 試驗覆冰導(dǎo)線為圓形截面覆冰，利用FLUENT軟件對不同厚度覆冰導(dǎo)線進行風(fēng)場分析，得到了表3中不同覆冰厚度導(dǎo)線的阻力系數(shù)Cd和升力系數(shù)Cl.利用表3 中的氣動力參數(shù)通過式(1)和式(2)可以獲取作用在覆冰導(dǎo)線上的氣動力[13],結(jié)果如表4所示.在有限元模擬中，通過設(shè)置動力隱式分析步，以集中力的形式將風(fēng)載荷施加在導(dǎo)線單元節(jié)點上.

表3 不同覆冰厚度導(dǎo)線的氣動力參數(shù)

表4 不同覆冰厚度導(dǎo)線的氣動力

(1)

(2)

式中：Fl為單位長度覆冰導(dǎo)線受到的垂直升力；Fd為單位長度覆冰導(dǎo)線受到的橫向阻力；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；U為風(fēng)速；Ac為單位長度覆冰導(dǎo)線的迎風(fēng)面積.

2.3 爆炸沖擊載荷

試驗中采用的導(dǎo)爆索，其外徑為5 mm、 等效TNT密度為11 g/m. 導(dǎo)線與導(dǎo)爆索間距為50 mm. 為了獲取爆破沖擊載荷，本文通過AUTODYN動力學(xué)仿真軟件對導(dǎo)爆索爆炸進行數(shù)值模擬. 其中，炸藥和空氣均采用歐拉算法，空氣邊界條件采用流出邊界. 在距炸藥50 mm處設(shè)置觀測點,得到作用于導(dǎo)線的爆炸沖擊波空氣壓力時間歷程曲線，如圖5 所示.

圖5 中，沖擊波壓力在極短的時間內(nèi)達(dá)到峰值，然后迅速衰減. 整個波形出現(xiàn)了兩個峰值，但由于第二個峰值較小，在模擬過程中將沖擊波簡化為三角波. 在空氣場中距炸藥50 mm處的壓力峰值約為3.6 MPa，計算得到單位長度導(dǎo)線上爆炸沖擊載荷的峰值約為80 kN/m，將其與風(fēng)載荷作用在同一分析步中，以完成風(fēng)載荷和爆炸沖擊載荷的同時施加.

2.4 覆冰脫落準(zhǔn)則

輸電導(dǎo)線覆冰脫落準(zhǔn)則是研究導(dǎo)線除冰模擬的關(guān)鍵問題之一，在除冰模擬中，需要一個脫冰判定準(zhǔn)則，使模擬中的線路脫冰的響應(yīng)與現(xiàn)實更為符合. 常見的脫落準(zhǔn)則有剪力破壞準(zhǔn)則、 最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則、 剪切失效準(zhǔn)則和加速度脫落準(zhǔn)則等. 由于加速度脫落準(zhǔn)則考慮了覆冰與導(dǎo)線之間的粘結(jié)強度，與實際情況接近，所以，本文通過式(3)的加速度脫落準(zhǔn)則[14]來判定仿真中的覆冰是否脫落.

爆破除冰有限元模擬中，在風(fēng)載荷和爆破沖擊載荷的作用下，當(dāng)覆冰導(dǎo)線的加速度達(dá)到計算閾值時，通過編寫的ABAQUS場變量子程序USDFLD將此段覆冰導(dǎo)線的質(zhì)量密度改為無覆冰的導(dǎo)線質(zhì)量密度，從而達(dá)到判斷覆冰脫落目的[15].

(3)

式中：D和Dc分別為覆冰導(dǎo)線外徑和無覆冰導(dǎo)線外徑；τa為覆冰與導(dǎo)線之間的粘結(jié)強度；τc為覆冰之間的粘結(jié)強度；τa和τc分別取0.2 MPa和 0.03 MPa[16]；ρi為覆冰的密度，取0.92 g/cm3；g為重力加速度，取9.8 m/s2.

3 結(jié)果分析

3.1 試驗結(jié)果

對爆破除冰試驗過程中導(dǎo)線中心測點的位移進行分析，如圖6～圖8 所示給出了導(dǎo)線中點位移時間歷程曲線.

(a) 跳躍高度

(b) 橫向擺幅

(a) 跳躍高度

(b) 橫向擺幅

(a) 跳躍高度

(b) 橫向擺幅

爆破除冰中，導(dǎo)線在風(fēng)載荷和爆炸沖擊載荷共同作用下，發(fā)生跳躍現(xiàn)象. 由圖6～圖7 可知，爆破除冰時爆破量越高，導(dǎo)線跳躍高度越大； 同為40%爆破量，由于工況2為兩端導(dǎo)爆索同時爆破，而工況3為兩端延時爆破，兩者跳躍高度產(chǎn)生差異. 這是由于在工況3中，當(dāng)?shù)?段導(dǎo)爆索延時0.5 s爆炸時，右端的爆炸作用早已結(jié)束，由兩端產(chǎn)生的振動波在導(dǎo)線中間區(qū)域形成互相干擾，導(dǎo)致工況3的第1個周期內(nèi)出現(xiàn)2個波峰，從而降低了導(dǎo)線脫冰時的跳躍高度. 工況3的跳躍高度為0.115 m，工況2的跳躍高度為0.187 m，兩者相差38.5%，這說明對覆冰導(dǎo)線進行爆破除冰時，導(dǎo)爆索延時爆破可以顯著降低導(dǎo)線的跳躍高度.

由圖6～圖8 可知，導(dǎo)線的跳躍高度與橫向擺幅峰值出現(xiàn)在第1個振蕩周期，導(dǎo)線的動能與勢能相互轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)出衰減周期. 由試驗測試與數(shù)值仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，工況1中，試驗與仿真的跳躍高度峰值相差13%，橫向擺幅峰值相差14%； 工況2中，兩者的跳躍高度峰值相差11%，橫向擺幅峰值相差26%； 工況3中，兩者跳躍高度峰值相差5%，橫向擺幅峰值相差7%. 試驗測試結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果的差異主要來源于模擬中采用恒定風(fēng)載荷和對導(dǎo)線覆冰均勻性的簡化. 試驗與仿真兩者雖然峰值有出入，但變化規(guī)律相似，驗證了該有限元模型在爆破除冰模擬中的有效性.

3.2 風(fēng)速對導(dǎo)線爆破除冰響應(yīng)的影響

重冰區(qū)覆冰導(dǎo)線在風(fēng)載荷作用下易出現(xiàn)大幅舞動現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)線跳躍高度和動張力增大，對輸電塔線運行造成安全隱患. 因此，為了研究在風(fēng)載荷作用下對重冰區(qū)覆冰導(dǎo)線進行爆破除冰的可行性，對不同風(fēng)速下的導(dǎo)線爆破除冰進行模擬分析.

3.2.1 風(fēng)速對導(dǎo)線爆破除冰時跳躍高度的影響

基于建立的試驗線路有限元模型，覆冰設(shè)置為20 mm雨凇覆冰，脫冰方式選取端部脫冰方法，對不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰跳躍高度進行分析.

圖9 為不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰跳躍高度峰值圖，由圖可知，在同一爆破量條件下，考慮風(fēng)荷載的導(dǎo)線脫冰跳躍高度峰值均大于無風(fēng)條件下的跳躍高度峰值，且導(dǎo)線的脫冰跳躍高度峰值隨風(fēng)速以及爆破量的增大而增大. 根據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊》規(guī)定，本試驗線路中導(dǎo)線與地線間的距離應(yīng)大于2.248 m，兩側(cè)導(dǎo)線與地線的初始間距為4.7m，故在20 m/s風(fēng)速內(nèi)爆破除冰導(dǎo)線的跳躍高度均在安全規(guī)范內(nèi). 值得注意的是，當(dāng)風(fēng)速超過17 m/s時，爆破量存在一個臨界值，爆破量小于臨界值時，導(dǎo)線跳躍高度峰值基本保持不變，當(dāng)爆破量大于臨界值時，導(dǎo)線跳躍高度峰值隨爆破量增長呈現(xiàn)出類似線性增長的規(guī)律. 不同風(fēng)速下，臨界爆破量隨風(fēng)速的增大而增大. 這是由于在無爆破載荷條件下，導(dǎo)線受到高風(fēng)速的作用就會產(chǎn)生較大的橫向擺幅，降低了爆破量對導(dǎo)線跳躍高度峰值的影響，結(jié)果如圖10 所示.

圖9 不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰跳躍高度的峰值

圖10 不同風(fēng)速下導(dǎo)線的橫向擺幅(無爆破除冰)

3.2.2 風(fēng)速對導(dǎo)線爆破除冰時動張力的影響

為了進一步分析爆破除冰導(dǎo)線的安全性，對導(dǎo)線動張力峰值進行討論. 由表1 可知，導(dǎo)線的計算拉斷力為92 220 N,考慮安全系數(shù)為2.5時，導(dǎo)線的許用運行張力約為36 888 N.

圖11 給出了僅受風(fēng)載荷作用下覆冰導(dǎo)線的動張力峰值，由圖可知，當(dāng)風(fēng)速超過19 m/s，導(dǎo)線的動張力峰值大于許用運行張力，已經(jīng)存在安全隱患. 圖12 為不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰動張力峰值，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到19 m/s，對導(dǎo)線進行爆破除冰時，導(dǎo)線動張力峰值均大于許用運行張力，因此不適合進行爆破除冰工作.

圖11 不同風(fēng)速下導(dǎo)線動張力峰值(無爆破除冰)

圖12 不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰動張力峰值

表5 為不同風(fēng)速下覆冰導(dǎo)線允許的最大爆破量，當(dāng)風(fēng)速低于19 m/s時，在許用運行張力范圍內(nèi)，可以采取適當(dāng)爆破量的爆破除冰方案. 在安全規(guī)范內(nèi)爆破除冰，爆破量隨風(fēng)速的增大而減小.

表5 不同風(fēng)速下覆冰導(dǎo)線最大爆破量

4 結(jié) 論

本文通過對實際線路進行爆破除冰試驗，考慮了風(fēng)載荷對輸電線路爆破除冰的影響，利用數(shù)值模擬軟件對實驗結(jié)果進行了分析驗證. 進一步地，利用模型對不同風(fēng)速下重冰區(qū)導(dǎo)線的爆破除冰進行了模擬分析，得到以下結(jié)論：

1) 在風(fēng)載荷作用下的爆破除冰試驗中，非延時爆破條件下，爆破量越高，導(dǎo)線的跳躍高度越大； 相同爆破量下，對導(dǎo)線兩端導(dǎo)爆索進行延時爆破，可以顯著降低導(dǎo)線跳躍高度.

2) 在一定風(fēng)速條件下，對覆冰導(dǎo)線進行爆破除冰，導(dǎo)線跳躍高度隨風(fēng)速以及爆破量的增大而增大； 當(dāng)風(fēng)速變大時，爆破量存在一個臨界值，爆破量小于臨界值時，導(dǎo)線跳躍高度基本保持不變，當(dāng)爆破量大于臨界值時，導(dǎo)線跳躍高度隨爆破量的增長呈現(xiàn)出類似線性增長規(guī)律.

3) 風(fēng)速影響覆冰導(dǎo)線爆破除冰時的爆破量，風(fēng)速越大，安全規(guī)范內(nèi)允許的爆破量越小. 因此，在實際爆破除冰的各種工況中應(yīng)考慮風(fēng)速對爆破量的影響，避免導(dǎo)線的動張力峰值超出許用運行張力，確保輸電線路安全運行.