大跨度长波天线伴热带融冰及力学仿真研究*

曹 诚

（海参信息通信局，北京 100841）

0 引言

某型长波天线顶线呈“之”字形排列，跨越在两高山之间，海拔高度约1 200 m，天线跨度约3.0 km，天线下引线（辐射体）引接到山腰的高压馈笼，长约400 m。受极端恶劣天气影响，天线导线发生严重裹冰现象，导线的裹冰厚度远远超过设计极限值，存在极大的安全隐患。为消除未来不确定性天气因素对天线导线造成的断裂脱落影响，保证天线正常工作，提高天馈线系统的可靠性，拟采取科学合理的融冰措施，减少天线导线的裹冰现象，并及时除冰，减轻导线上的受力。单根天线结构如图1 所示。

图1 单根天线结构

近年来，关于导线融冰的研究已有一些研究成果。例如，文献[1]以覆冰导线为研究对象，根据热平衡方程建立焦耳热融冰的数学模型，用于导线融冰装置融冰时间和电流的计算；文献[2]主要综述输电线路融冰的基本方案，建立输电线路融冰的物理模型，并结合物理模型对输电线路融冰进行仿真计算分析；文献[3-4]主要对伴热带在海洋工程中的选型计算方法及应用进行研究。

本文以该型大跨度长波天线为研究对象，对天线导线的融冰方法进行研究，综合考虑各种融冰方法后，采用电伴热带方式进行融冰。对文中提出的3 种伴热带融冰方案后的天线进行力学分析，得出对应3 种方案天线可承受的最大裹冰厚度，结果表明采取伴热带融冰方案满足使用和规范要求。

1 天线导线融冰方案及原理

目前，输电线路的除冰方法主要有自然被动方式、机械除冰方式、化学涂料方式以及热力融冰方式等[5-6]。其中，热力融冰方式应用较为成熟和广泛。热力融冰主要应用电力及火力所产生的热量将冰融化，分为接触方式和非接触方式。接触方式在电力融冰方面应用较多，分为交流和直流电加热方式和伴热带融冰方式；非接触式融冰方法包括激光融冰、微波融冰和喷焰融冰等方式。

对于天线融冰解决方案，除保证安全外，还要兼顾经济性、可行性、科学性以及灵活性等特点。比较合理可行的热力融冰方式包括交直流加热融冰、伴热带加热融冰方式、激光融冰、火力融冰和微波融冰方式。

综合考虑以上几种融冰方式，电伴热带融冰方式是比较合理可行的融冰方案，加热温度可控，融冰效果明显，应用范围较多，技术成熟。伴热带可以根据天线顶线和尾线在天线系统中所承担的作用不同，设计不同形式的伴热带，使之满足使用要求，既有效融冰又能保证系统的可靠工作，可有效避免融冰时对天线电气和结构性能的影响。

1.1 伴热带融冰原理

电伴热的工作原理是通过伴热媒体散发一定的热量，通过直接或间接的热交换补充被伴热设备损失的热量。采用温度控制达到跟踪和控制伴热设备内介质的温度，以达到升温、保温或防冻的正常工作要求，使之维持在一个合理和经济的水平上。

电伴热带接通电源后，电流由一根线芯经过导电的PTC 材料到另一线芯形成回路。电能使导电材料升温，电阻随即增加，当芯带温度升至某值后，电阻大到几乎阻断电流的程度，温度不再升高，同时电伴热带向温度较低的被加热体系传热。电伴热带的功率主要受控于传热过程，随被加热体系的温度自动调节输出功率。

电伴热是一种有效的管道或线缆保温及防冻方式，一直被广泛应用。电伴热温度梯度小，热稳定时间较长，适合长期使用，所需的热量（电功率）大大低于电加热。电伴热具有热效率高、节约能源、设计简单、施工安装方便、无污染、使用寿命长、能实现遥控和自动控制等功能。

1.2 对伴热带的要求

根据多方调研，伴热带的长度不易超过2 km。太长影响伴热带的加热性能，导致末端加热效果不佳。目前，天线顶线长度范围在1 300 m 左右，天线尾线长度范围在740 m 左右。天线顶线和尾线长度均满足伴热带长度的工作要求。

当伴热带附着在天线顶线上时，由于有屏蔽网的保护作用，且屏蔽网与辐射体均为同一材质，接触良好，不存在伴热带安装在顶线产生的诸多问题，不会影响系统的工作，因此将伴热带紧固在顶线上是合理可行的。

当伴热带附着在天线尾线上时，由于尾线仅是受力牵引部件，不参与天线辐射，也不会影响系统的工作，因此将伴热带紧固在尾线上也是合理可行的。

2 伴热带融冰具体措施

2.1 电伴热带的选择

恒功率型电伴热带在通电后功率输出一直恒定，不会随外界环境、保温材料、伴热的材质变化而变化。它的功率输出或停止通常由温度传感器来控制。恒功率型电伴热带分为两类：并联式恒功率电伴热带和串联式恒功率电伴热带。根据现场环境条件，电伴热带应考虑如表1 所示的环境参数和要求。

表1 电伴热带应考虑的环境参数和要求

根据尾线铝绞线特点及上述环境条件要求，拟选用串联聚合物绝缘伴热带。

2.2 伴热带融冰措施

常规伴热带多用于管道或液态物资的保温，受力小，较少用于悬空状态。伴热带需要与天线导线紧固一起，保证加热效果。受山风的影响，天线处于微震状态，需要加强伴热带的抗疲劳特性、老化和受力特性，使之能够承受持续微震、紫外线照射以及下垂拉力等因素的影响。

本文天线采用的伴热带融冰装置包括加强型伴热带、供电装置和自动控制监控装置等，如图2所示。根据伴热带的功耗，适当改造工频供电线路，增加相应的变压器。

图2 伴热带与尾线、辐射线联接

3 伴热带融冰时天线受力分析

通过对天线加装融冰装置后裹冰极限状态和最大风速状态进行力学仿真，评估融冰装置（伴热带）对天线结构的影响以及天线裹冰和最大风速时的天线强度。

3.1 天线基本计算参数

天线示意图见图3。

图3 天线示意

天线导线参数见表2、表3。

表2 天线导线参数1

3.2 计算工况

安装状态工况：风速v=0 m/s，温度t=15 ℃，裹冰B=0mm。

计算极限工况1～4：风速v=0 m/s，温度t=-5 ℃，天线平衡车处于顶端（假设此平衡车及挡墙均未损坏），融冰装置安装在尾线上融冰，即尾线（b段、d 段）无裹冰，顶线（c 段）和调节绳（a 段、e 段）上有裹冰，裹冰厚度分别为30 mm、37 mm、40 mm和45 mm。

表3 天线导线参数2

计算极限工况5～8：风速v=0 m/s，温度t=-5 ℃，天线平衡车处于顶端（假设此平衡车及挡墙均未损坏），融冰装置安装在顶线上融冰，即顶线（c 段）无裹冰，尾线（b 段、d 段）和调节绳（a 段、e 段）上有裹冰，裹冰厚度分别为35 mm、40 mm、45 mm 和50 mm。

计算极限工况9：风速v=35 m/s，温度t=15 ℃，裹冰B=0 mm，17 号线平衡车处于顶端（假设此平衡车及挡墙均未损坏）。

3.3 采用伴热带融冰方法时天线受力仿真

3.3.1 融冰装置安装在尾线时的天线受力仿真

利用ANSYS 软件分别按安装状态工况、计算极限工况1～4 对天线进行力学计算仿真，计算结果见表4。

表4 尾线融冰时天线最大受力

安装融冰装置后，安装状态的天线形态及受力见图4。

图4 安装状态时天线形态及受力

顶线及调节绳分别裹冰30 mm、37 mm 时的天线形态及受力，见图5 和图6。

图5 顶线及调节绳裹冰30 mm 时天线形态及受力

图6 顶线及调节绳裹冰37 mm 时天线形态及受力

3.3.2 融冰装置安装在顶线时的天线受力仿真

利用ANSYS 软件分别按安装状态工况、计算极限工况5～8 对天线进行力学计算仿真，计算结果见表5。

表5 顶线融冰时L17 导线最大受力

顶线及调节绳分别裹冰35 mm、45 mm 时的天线形态及受力，见图7 和图8。

图7 尾线及调节绳裹冰35 mm 时天线形态及受力

3.3.3 尾线融冰和顶线融冰时天线受力比较

尾线融冰和顶线融冰的天线受力比较，见表6和表7。

图8 尾线及调节绳裹冰45 mm 时天线形态及受力

表6 尾线融冰时天线受力比较

表7 顶线融冰时天线受力比较

从表6 和表7 可以看出，不同部位融冰会使天线导线受力有较大差别，因而天线能够承受的裹冰厚度也不相同。在导线安全系数满足相关设计规范要求的前提下：采用顶线融冰方式，天线能够承受的裹冰厚度约为45 mm；采用尾线融冰方式，天线能够承受的裹冰厚度约为37 mm。

3.3.4 融冰装置安装在顶线和尾线时天线受风仿真

按工况9 对天线进行力学仿真计算，计算结果见表8。

表8 天线最大受力（风速35 m/s）

天线在35 m/s 风荷载作用下的天线形态及受力见图9。

图9 35 m/s 风荷载作用时天线形态及受力

从图9 可以看出，天线在35 m/s 风荷载作用下，导线安全系数满足相关设计规范要求。

3.4 结果分析

通过对天线进行力学仿真可知，伴热带直径小、重量轻，安装后对天线导线张力影响小。不同部位的融冰方式使天线导线承受的裹冰厚度不同，顶线融冰方式比尾线融冰方式使天线承受的裹冰厚度更大。当尾线和顶线同时融冰时，天线在风速为35 m/s 风荷载作用下，导线安全系数满足相关设计规范要求。

4 结语

通过对伴热带融冰方式的详细调研和认真分析，依据该天馈线系统的实际工作情况和特点，结合电伴热带融冰方案的特点和优势，取长补短，实现最优选择，提高了融冰方案的科学合理性，能够达到融冰效果，保障系统的安全工作。伴热带融冰法在天线整体维修时易于实现、功耗低、重量轻、作用明显、成本低且操作安全，对天线正常工作不产生影响。伴热带融冰方案满足使用和规范要求，在结构受力、融冰效果、经济性、安全性、可靠性方面均是可行的。