基于特高压交流线路脱冰跳跃计算实验及对策分析

长沙理工大学 何舜威 李 鸿

湖南省电力勘探设计院 刘庆丰

引言：本文主要根据南方覆冰脱冰现状，进行脱冰跳跃力学试验，并根据有限元模型成果计算分析脱冰跳跃间隙，合理确定地线支架高度和导地线水平偏移，提出重覆冰地区线路设计抗冰措施及线路融冰措施。此实验将采用差分方程计算分析脱冰跳跃，并根据南方特定情况给出相应对策。

1.前言

2013年的浙中—福州1000kV输电线路，15mm及以上重覆冰地区占全线70%以上，证明南方地区急切需要开展重覆冰专题研究。本文针对2008年以来南方各个沿线冰灾情况，主要研究计算当输电线路发生覆冰时的脱冰跳跃计算。

2.脱冰跳跃力学试验模型

2.1 实验模型

由于悬挂点之间的距离很大，所以对于架空输电线路导线，导线悬挂于空中的几何形状将受到材料的刚性的影响很小，因此可以将导线假定为一根处处铰接的柔软链条，同时也可以假定导线的自重沿导线长度方向为均匀分布，所以将采用悬链线数学模型来分析架空导线的受力。已知导线张力和弧垂的初始值，采用差分方程求解出架空导线的完整的运动过程。

图1 电线覆冰有限元计算模型

式中：ρ为导线单位长度质量kg/m；Xi、Yi为导线上质点在i时刻X、Y方向上位移m；FX、FY为导线上质点在i时刻X、Y方向上合外力N；TX、TY为导线上质点在i时刻X、Y方向上张力合力N；CX、CY为导线X、Y方向上运动的阻尼系数Nsm-2；ΔT为时间差分间隔s；ΔZ为导线长度差分长度m；Tmax为导线上质点所受外力的最大值N。

悬垂绝缘子串两侧分别连接相邻两档导线，在两侧导线张力的共同作用下达到平衡。当两侧导线的覆冰状况发生变化时，两侧导线的张力会发生变化，悬垂绝缘子串沿z方向左右摆动，直至达到新的平衡。根据受力平衡原理，导线悬挂点处所受合力为0，即两侧导线张力及绝缘子串的拉力的总合力为0，可得：

式中：TIS为绝缘子串的拉力N；θ为绝缘子串与垂直方向的偏转角。

2.2 采集系统模型

脱冰跳跃试验将采用重物释放的办法来模拟导线脱冰，通过模拟各种工作情况下导线脱冰情况，测量出导线跳跃幅度以导线张力变化等物理量。

图2 导线脱冰跳跃试幅值激光测量

3.脱冰跳跃实验数据及分析

实验分析其中最严重的脱冰工作情况，为线路设计和脱冰跳跃计算的理论模型提供依据，试验结果如下。

表1 导线脱冰跳跃幅值测试结果

表2 孤立档导线脱冰张力测试结果

表3 连续档导线脱冰张力测试结果

从试验结果和计算结果的比较中可以看出，在采用相同计算条件和模拟工况条件时，计算结果与试验结果基本相符，同时考虑到客观存在的试验误差，两者结果的差别在可接受的范围之内。因此导线覆冰脱落跳跃采用的计算模型和方法是合理可信的，将导线覆冰考虑为均布载荷相对于试验模拟工况应更接近实际情况，同时针对分裂导线考虑了导线体系的运动阻尼，与试验条件的单导线相比也更接近实际情况，计算方法合理，结论可信，可以应用于实际工程。

表4 试验结果与计算结果比较表

4.试验结论

（1）脱冰跳跃试验结果表明导线脱冰跳跃是一个低频（0.4～0.65Hz）、大振幅（0.9m～4m）的振动过程。导线脱冰后，导线张力不会发生突变，而是随导线的周期运动作周期变化，最后达到新的平衡。

（2）随着脱冰重量和比例的增加，导线跳跃幅度也会随之逐渐增大。在相同的脱冰情况下，非均匀脱冰时的导线跳跃幅度远大于均匀脱冰时的导线跳跃幅度；卸载50%非均匀荷载导线跳跃幅度为1962mm，卸载50%均匀荷载导线跳跃幅度为1251mm，卸载70%非均匀荷载导线跳跃幅度为2937mm，卸载70%均匀荷载导线跳跃幅度为2042mm，由此可见非均匀脱冰的情况比均匀脱冰的情况对线路的危害更大。

（3）对于连续档的情况，两档同时脱冰时的导线跳跃幅度较只有一档卸载时的导线跳跃幅度要大；两档均卸载100%荷载导线跳跃幅度为1794mm；一档卸载100%荷载导线跳跃幅度为1650mm。

（4）在相同的脱冰情况下，随着档距的减小导线跳跃幅度也减小；235m档距卸载100%荷载导线跳跃幅度为4063mm;117.5m档距两档均卸载100%荷载导线跳跃幅度为1794mm。

（5）随着档距的减小，导线跳跃的平均周期也减小，导线跳跃的平均频率增大；档距为235m时导线跳跃的平均周期约为2.32s，频率约为0.43Hz；档距为117.5m时导线跳跃的平均周期约为1.69s，频率约为0.59Hz。

5.讨论

结合覆冰情况及脱冰实验可知的防护措施目前主要有以下几个方案：

（1）状态监测技术：采集绝缘子串风偏角、倾斜角、拉力等参数，对参数和微气象环境参数进行分析，计算导线覆冰后的比载、覆冰重量、覆冰平均厚度等覆冰技术参数。发现覆冰重量、厚度超出标准，及时发出除冰报警信息，通知线路运行部门及时采取措施，避免覆冰导致的倒塔和舞动等危害的发生。

（2）智能巡检技术：应用无人机、移动作业终端等技术，解决偏远山区、超高杆塔、长距离跨区输电线路巡视盲点，检修困难问题和冬季到春季覆冰脱冰情况，可提高巡检质量和效率，降低输电线路运行维护成本。

（3）监控平台：通过对输电线路覆冰的实时监测，为线路维护人员提供所在区域的微气象全天候实时监测，提供可比较的数据，在覆冰异常状态下给运行部门报警。