同期脱冰架空输电导线的动张力特性实验研究

王璋奇，王　剑，齐立忠

（华北电力大学 机械工程系，河北 保定 071003）



同期脱冰架空输电导线的动张力特性实验研究

王璋奇，王剑，齐立忠

（华北电力大学 机械工程系，河北 保定 071003）

摘要：架空输电导线脱冰后，架空导线发生大幅度的非线性震荡，其震荡的位移和导线张力严重威胁架空线路的安全运行。基于档距为40 m的架空导线模型，通过模拟实验的方法对同期脱冰后的架空导线脱冰动张力特性进行研究。实验结果表明：导线最大动张力和最小动张力发生在脱冰震荡的前1—2周期内；同期整档脱冰时，导线动张力变化幅度随覆冰厚度增加而增大，但始终低于相同条件下的静张力的数值；同期局部脱冰的最大动张力随脱冰位置的不同而变化，当架空导线档距中央局部脱冰时，将会引起更大的动张力变化，其最大动张力数值会出现大于相同覆冰条件下的导线静张力情况。

关键字：振动与波；脱冰振荡；导线动张力；同期脱冰；架空输电线

对于严重覆冰的架空输电导线，气温升高和风力作用将导致覆冰突然脱落，从而发生架空导线的脱冰振荡现象[1]。架空导线的脱冰振荡常常导致架空导、地线间或导线相间的距离显著减小，破坏了导、地线之间或相线之间的安全距离，从而引发相导线之间的闪络事故。与此同时，脱冰振荡造成的架空导线的大幅度非线性振荡，也会引起导线内的张力急剧变化，从而使连接杆塔和导线之间的绝缘子串、金具，以及杆塔的横担受到较大的动态作用力[2]，产生非正常大幅振动。区别于普通静风载作用下的架空线张力特性[3]，该动张力作用会对架空线产生很大破坏作用，尤其是在塔-线相间的输电线路中，因为导线的脱冰振荡使相邻档导线的张力不再平衡，异常的不平衡张力将会造成绝缘子串和金具断裂、铁塔横担发生塑性变形，甚至可能使铁塔倾覆，2008年的电网冰灾事件中这类事故占有较大的比例[4]。架空导线的脱冰可以分为同期脱冰和非同期脱冰。同期脱冰是指给定范围内的覆冰同时完成脱落动作；非同期脱冰是指给定范围内的覆冰在一个时间段内，按照时序依次脱落。同期脱冰包含同期整档脱冰和同期局部脱冰两种情况。

计算机技术和有限元技术的发展使得以数值计算方法为基础的理论分析方法受到了工程技术人员的青睐，国内外都做了大量的关于架空线覆冰舞动[5]、脱冰跳跃及其控制[6]的相关分析计算工作，文献[7，8]对架空线整档和部分档脱冰跳跃的数值仿真计算，得到其跳跃过程中的动态特性。数值仿真计算的方法具有成本低，可操作性强等特点，因而被许多学者广泛采用，但当前对仿真数据的实验佐证相当匮乏，采用实验的方法对架空线脱冰跳跃过程进行研究势在必行。

国内外曾开展了实际架空导线脱冰现象的观察和实验研究，建立了观冰站，对架空导线脱冰的特性进行实验研究，加深了对脱冰振荡现象的理解和认识，但是由于实际架空导线覆冰和脱冰过程的复杂性，观察样本非常少，缺乏代表性，因此将这些观测结果直接用于架空导线的抗冰设计，仍然依据不足。架空输电导线脱冰模拟实验可以方便地实现各种脱冰模式，从而弥补了现场观测的不足。国网武汉高压研究院[9]采用一段长度为235 m的真实架空线进行脱冰的实验研究，脱冰工况采用遥控重物坠落的方式模拟。Jamaleddine[10－11]等在实验室构建了两档架空线的缩小模型，其每档长度为3.322 m，覆冰工况采用在导线上等间距悬挂重物实现，重物上连接有细电熔丝，当通电后电熔丝熔断，重物脱落。华北电力大学[12,13]构建了架空导线脱冰实验模型，采用电磁铁悬挂重物吸附的方法[14,15]和在架空导线上喷雾附冰的方法[16]实现覆冰工况模拟，脱冰模拟则采用切断电磁铁使得重物脱离架空线的方式实现。脱冰模拟成功的关键是保证覆冰重物能在给定的时刻准时脱落，从而保证各种脱冰工况的顺利实现。

为更深入地从实验角度探究架空输电线脱冰动力学特性，华北电力大学输电线路工程实验室研制了一套架空输电线脱冰实验系统，实现了对覆冰载荷的高精度控制，进而实现各类脱冰工况的模拟，并对脱冰振荡过程中架空线动张力变化情况进行实时测量。本文着重讨论在多种同期整档以及同期局部档脱冰工况下架空导线动张力变化特性，研究其物理规律，以便为输电线路抗冰设计提供依据。

图1　架空线脱冰振荡实验系统

1　架空输电线脱冰实验系统

图1显示了华北电力大学自主研发的架空线脱冰振荡实验系统，系统由脱冰振荡物理模块、脱冰控制模块以及导线脱冰振荡参数采集与分析模块等部分组成。

在实验室进行架空线模拟脱冰实验研究，使用直径为6 mm的钢绞线模拟架空线，架设档距为40 m。架空线上等间距安装有20个轻质铁吸盘，覆冰工况的模拟采用电磁铁悬挂重物，以吸附在吸盘上的方式来实现，电磁铁编号如图1所示，从左至右依次为1—20号。脱冰振荡实验模型参数详见表1。

脱冰控制模块用于控制重物按照指定方式脱落，完成脱冰振荡激励工况的模拟，其技术关键为使用脱冰控制装置实现对每个电磁铁动作执行的精准控制。当给电磁铁通电时，电磁铁产生吸附力，实现覆冰工况模拟；反之，当切断电磁铁供电时，电磁铁吸附力消失，连同重物脱离导线，完成脱冰工况模拟。利用计算机对每路电磁铁动作时间进行精确设置，从而方便地实现整档脱冰、局部脱冰等多种脱冰工况的模拟。

表1　脱冰振荡物理实验模型参数表

导线脱冰振荡参数采集与分析模块用于实时采集脱冰跳跃过程中架空输电线端部轴向张力变化情况，为提高采样精度，系统采用高精度采集卡DT9800对该动张力值进行采集，采样频率为1 000 Hz，AD采样精度为16位。同时系统提供图形显示功能，可以绘制出动张力时程曲线，以供进一步分析研究。

架空输电线脱冰跳跃实验现场如图2所示。

图2　脱冰跳跃实验现场图

2　同期整档脱冰架空导线动张力

2.1同期整档脱冰实验工况

同期整档脱冰是架空导线脱冰研究的典型工况。在此情况下，整档导线上的覆冰同时脱落，造成的导线振荡位移以及导线动张力的波动最为严重，是架空输电线路设计人员最为关心的设计工况之一。为考察覆冰厚度对导线动张力特性的影响，参照架空输电线路设计准则，选择了三个模拟覆冰工况，各工况参数见表2。

2.2同期整档脱冰振荡动张力实验结果及分析

架空线是弹性体，覆冰后架空线长度发生变化，并积聚弹性势能，导线张力也随之增大。当架空线整档脱冰后，架空线中蓄积的弹性势能得到释放，转换为架空线的动能和重力势能，架空线往上“回弹”运动，导线的弹性伸长及其张力也随导线的运动而发生变化。覆冰脱落后架空线往上运动，其弹性势能转换为动能和重力势能，动张力逐渐减小；导线运动到最高点后又开始回落，重力势能、弹性势能和重力势能又进行重新转化与分配，动张力逐渐变大，这样的过程循环往复进行，产生波动变化的张力，同时又由于阻尼因素动张力呈波动衰减状。架空导线部分档距内的张力动态变化将会在邻近的铁塔上产生不平衡张力，该波动形式的动张力会对铁塔施加振动激励，诱发铁塔低频大幅摆动。

根据表2中的参数，选择不同质量的覆冰和重物等间距悬挂在架空线上，拨动控制箱上的控制开关，实现架空导线的整档脱冰，安装在架空导线端部的张力传感器实时记录脱冰后架空导线振动过程中的动张力变化情况。同期整档脱冰时，架空导线动张力的测量结果如图3所示。

图3　同期整档脱冰动张力时程曲线

由图3可知，随着架空导线覆冰厚度的增加，导线内的初始静张力也随之增加。架空导线脱冰后，导线动张力随时间振荡衰减，变化幅度和规律与导线覆冰的厚度相关，最后达到无冰状态所对应的静张力。不同工况下，动张力的特征参数见表3。

表2　同期整档脱冰实验工况

表3　导线动张力参数

由表3可知，架空导线动张力振幅随着覆冰厚度的增加而愈发剧烈，这是由于覆冰厚度越大，架空导线中存储的弹性势能越大，往上跃起时转换为架空导线重力势能的量也越多，架空导线跳起的高度也越高，同时也会显得越发松弛，导线的张力就相对较小。同时，在架空线下落时，下降到最低点处所积聚的能量也同样较大，即张力峰值也相应地有所增加。

三种同期整档脱冰工况下，架空导线动张力最小值均出现在第一次谷值处，最大值均出现在第二次峰值处。张力最小值在脱冰动作后出现的时间随着覆冰厚度的增加而增大，但其间时间差很短，不超过400 ms。

三种同期整档脱冰工况下，由于架空导线比载是不同的，动/静张力的数值差别很大，不便于分析。为此，本文将实验中得到的导线动张力的最值表示成相应工况下导线静张力的百分比，并由此分析导线动张力最值与覆冰厚度之间的关系，如图4所示。

由图4可知，在4 mm到8 mm覆冰区间，随着覆冰厚度的增加，动张力峰值和谷值占初始张力的百分比在不断地减小。图4表明，在脱冰后的架空导线振动过程中，导线中的动张力变化是非常剧烈的，变动范围（峰谷值之差）可以达到静张力的50%以上。

图4　动张力最大/最小值占初始张力百分比随覆冰厚度变化

3　同期局部脱冰架空导线动张力

3.1同期局部脱冰实验工况

通过在架空线上悬挂20个重物的方式模拟覆冰工况，脱冰动作由架空输电线脱冰实验系统控制，其每一路重物可以单独执行动作，对其中某几路电磁铁进行脱冰动作即可模拟局部脱冰工况。依据实际导线设计过程中的工况需要，模拟局部脱冰实验工况如表4所示，其中电磁铁脱落位置项中电磁铁号数即为图1中所标示的电磁铁标号。为研究同期局部脱冰动张力特性，此处采用4 mm厚覆冰工况进行实验。

表4　局部脱冰实验工况

3.2同期1/2档脱冰架空导线动张力

根据对称原则设计的同期1/2档脱冰实验工况，分别为左边1/2档、中间1/2档和右边1/2档，它们对应于表4中的局部脱冰工况2-1、2-2和2-3。架空线1/2档脱冰时，架空线脱冰控制系统只控制20个重物中10个重物脱落，剩下的10个重物仍然作为覆冰附着在架空线上，其具体脱落位置参见表4和图1。架空导线动张力时程曲线如图5所示。

可见，左边1/2档脱冰振荡和右边1/2档脱冰振荡动张力变化时程趋势与大小几乎一致，两条曲线几乎重合，架空输电线1/2档脱冰振荡呈现高度对称性。中间同期1/2档脱冰时，动张力表现较规整的衰减波形，而当脱冰位置发生在档边位置时，动张力时程曲线则呈不规则衰减波形。

图5　同期1/2档脱冰导线动张力

由图5可知，架空导线中间1/2档脱冰时，导线动张力变化的峰值大于左右两边同期1/2档脱冰产生的导线动张力峰值，且前者所产生的动张力谷值远小于后者。这表明在脱冰量相同的情况下，中间位置的脱冰对架空导线的安全运行的危害更大一些。

3.3同期1/5档脱冰架空导线动张力

根据对称原则设计同期1/5档脱冰实验工况，分别为左边1/5档、左中1/5档、中间1/5档、右中1/5档和右边1/5档，同期1/5档脱冰的5个实验工况对应于表4中的局部脱冰工况3-1到3-5。架空线1/5档脱冰时，控制整档20个重物中的4个执行脱冰动作，其余的重物仍然吸附在架空线上，以模拟部分档脱冰振荡过程。

图6　同期1/5档对称位置脱冰导线动张力

同期1/5档脱冰的5个实验工况中，工况3-1和3-5以及工况3-2和3-4为相对于档中位置对称的脱冰工况，其动张力对比如图6所示。

由图6可知，1/5档脱冰时与1/2档脱冰情况一样，也呈高度的对称性，图6（a）和图6（b）中的两条曲线分别几乎重合，即当部分档脱冰工况相对于档中对称时，架空导线的动张力变化时程一致。

图7显示了工况3-1、3-2和3-3的动张力时程。

图7　同期1/5档脱冰导线动张力时程曲线

图7的导线动张力时程表明：当脱冰位置位于档中时，导线动张力变化最为剧烈，动张力的峰谷值变化最大，导线动张力的最大值甚至有可能超过覆冰情况下静张力的数值，应引起注意；而当脱冰位置越靠近档边位置时，动张力变化的峰谷值变化幅度则明显减小。

比较4 mm厚覆冰情况下，同期整档脱冰、中间同期1/2档脱冰和中间同期1/5档脱冰时，架空导线动张力时程曲线（图3、图5、图7）可以发现，脱冰后动张力波动围绕中心张力值（也即各工况导线最终静止状态张力值）随脱冰量和脱冰位置而变化，脱冰量越大，脱冰位置越靠近档中，该中心张力值越小。相反，动张力波动幅值大小则随脱冰量增加及脱冰位置靠近档中程度的增加而增大。

4结　语

采用架空线脱冰振荡实验系统对一段档距为40 m的模拟架空线进行了整档和局部档同期脱冰振荡实验研究，系统采集了脱冰振荡过程中架空线轴向动张力变化值，并对该动张力变化特性进行了分析比较，主要的结论有：

(1)架空导线脱冰后，导线内的动张力呈现衰减振荡的过程，其所围绕的波动中心张力值随着脱冰量的增加和脱冰位置靠近档中程度的增加而减小，动张力波动幅值大小则规律相反；

(2)架空导线发生同期整档脱冰后，导线动张力的最大和最小值出现在脱冰后的1到2个振荡周期内，导线的最小动张力随着覆冰厚度的增加而降低；

(3)同期整档脱冰后架空导线发生振荡，导线动张力变化明显，其变动范围（峰谷值之差）可达到相应覆冰条件下的初始静张力的50%以上；

(4)架空导线同期局部脱冰情况下，最大动张力随脱冰位置的不同而变化，当架空导线档中局部脱冰时，会引起更大的动张力变化，其最大动张力数值会出现大于相同覆冰条件下的导线初始静张力的情况。

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E-mail:wangzq2093@163.com

中图分类号：O329；TM726

文献标识码：A

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

文章编号：1006-1355(2016)01-0157-06

收稿日期：2015-08-21

作者简介：王璋奇(1964-)，男，陕西大荔人，博士，教授，主要研究方向：输电线路工程、新能源技术与设备、动力学分析与控制。

通讯作者：王剑(1989-)，男，江苏扬中人，博士研究生，主要研究方向：架空输电线舞动分析及其监测。

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