风载荷对导线爆破除冰响应特性的影响

程川川，曹咏弘，杜龙飞

(中北大学 理学院，山西 太原 030051)

0 引 言

导线覆冰是常见的自然现象，当输电线覆冰载荷增加时，导线内应力增大引发弧垂增加，线路上会产生较大的张力差异，会造成输电线破损、 断线、 接地短路，甚至使杆塔倒塌等危害[1-3]. 因此，需要及时对覆冰导线除冰以避免发生重大安全事故，影响人民正常的生产和生活.

近年来，国内外学者对于覆冰导线除冰的研究主要基于热力融冰、 机械除冰和被动除冰. 其中，热力融冰包括高频高压激励融冰法、 短路电流融冰法和直流融冰法等[4-5]； 机械除冰包括滑轮铲刮法、 电脉冲除冰和电磁力除冰法等[6-7]； 被动除冰是通过在导线上安装平衡锤、 抑冰环等装置，利用风、 温度和重力等外界作用达到脱冰目的. 尽管以上除冰方法已经取得了一定效果，但仍存在成本过高，不能普遍适用等问题. 爆破除冰以其成本低、 见效快、 效率高等优点成为除冰的一种新思路[8].

爆破除冰通过选取合适长度的导爆索(PETN)，将其预先铺设在易发生冰灾的输电线路上. 在导线覆冰后通过雷管引爆导爆索，产生的爆炸冲击波使导爆索铺设区域脱冰. 采用爆破除冰方法可以在冰灾发生后立即通过地面控制进行除冰，避免了除冰作业者在恶劣天气下高空作业的危险. 谢东升等[9]通过缩比爆破除冰试验获得了较好的除冰效果，表明了高压输电线路的爆破除冰具有可靠性及可行性； 宋巍等[10]通过爆破试验和数值模拟研究了爆破除冰机理和爆破参数影响规律，确定了导爆索的安装方法； 曹咏弘等[11]利用数值模拟对输电线路覆冰塔系爆破除冰后的动力响应进行了分析，提出了单导线与双分裂导线的脱冰方案； 史淋升[12]对50 m孤立档输电线路进行了爆破除冰试验，并与自然脱冰进行对比分析，发现爆破除冰时输电线跳跃幅值与动张力幅值均大于自然脱冰.

覆冰会使导线的迎风面积增大，在风载荷作用下覆冰导线会出现大幅度低频振动现象，当风力较大时，就会威胁到输电线路安全，因此，对风载荷作用下覆冰导线进行爆破除冰十分必要. 已有的爆破除冰研究均没有考虑风载荷的影响，与实际工程存在一定的差异. 本文通过ABAQUS有限元软件对在风载荷和爆炸冲击载荷共同作用下试验输电线路中点位移进行模拟验证，进一步对重冰区覆冰导线爆破除冰的动力响应进行仿真分析，讨论风速和爆破量对爆破除冰时的导线跳跃高度和动张力峰值的影响，得到不同条件下输电线路的动态响应规律，为实际工程应用提供参考.

1 试验概况

如图1 所示，本试验线路为山西省忻州市220 kV平凤线39#～40#档段，属于严重结冰区. 输电线路型号为LGJ-300/40，档距约104 m，导线具体参数如表1 所示. 试验过程中，如图2 所示的位移传感器通过钢丝细绳与输电线路中点进行连接. 其中，竖直位移传感器垂直于地面，斜拉位移传感器与地面成45°，利用两个位移传感器得到导线的跳跃高度和横向摆幅.

图1 试验覆冰线路及传感器安装方式

表1 导线参数

图2 位移传感器

本试验对3根导线进行爆破除冰测试，由文献[11]可知，对导线进行端部脱冰可以降低导线的跳跃高度. 试验中，在导线A和导线C两端各铺设20 m长的导爆索，导线B靠近耐张塔一段铺设20 m长的导爆索，5段导爆索铺设位置俯视示意图如图3 所示. 为了研究延时爆破和不同爆破量对导线跳跃响应的影响，试验对5段导爆索进行3次起爆，分别为：导线B①区域段导爆索爆破； 导线A②、 ④区域导爆索起爆； 导线C③、 ⑤区域段导爆索爆破，但采用延时爆破使得③区域段导爆索起爆时间早于⑤区域段导爆索0.5 s. 具体工况如表2 所示.

图3 导爆索铺设示意图

表2 试验工况

图2 中的位移传感器型号为EY503-5000系列，量程为5 000 mm,传感器精度为0.5% F.S. 试验中所用导爆索(简称为PETN)，其药芯为RDX，是用以传递爆轰波的索状火工品，导爆索起爆采用MS-3段毫秒延期雷管，单发雷管延期时间长度约为50 ms，采用多发雷管串联可以提供不同时间间隔的起爆方式. 在输电线路覆冰之前，利用夹具将导爆索等间距地铺设在输电线下方，待输电线覆冰后，通过雷管进行引爆，利用导爆索作用在覆冰导线上的爆炸冲击波达到输电线路除冰目的，提取位移传感器数据计算得到导线的跳跃高度和横向摆幅.

2 有限元模拟

为了对在风载荷作用下导线爆破除冰中点的位移进行比较验证，建立了试验输电线路有限元模型. 基于有限元模型进一步模拟分析风速、 爆破量对导线爆破除冰时的响应特性.

2.1 几何模型

通过ABAQUS对试验塔线体系进行仿真建模，输电塔主材、 绝缘子采用梁单元，单元类型为B31单元，输电塔辅材选用杆单元(T3D2)，输电塔与地基的连接点完全固定. 覆冰导线采用桁架单元，单元类型选择T3D2H混合单元，最外侧输电线两端固定平动自由度. 试验覆冰类型为圆形覆冰，其覆冰厚度并不均匀，根据覆冰前后输电线中点弧垂确定覆冰厚度，将其等效为10 mm雨凇覆冰，采用等效密度法模拟覆冰对导线的作用. 最终建立起来的塔线体系如图4 所示.

图4 塔线体系有限元模型

2.2 风载荷

由风速计测得现场风速约在9 m/s～12 m/s之间，取10 m/s风速为仿真风速. 试验覆冰导线为圆形截面覆冰，利用FLUENT软件对不同厚度覆冰导线进行风场分析，得到了表3中不同覆冰厚度导线的阻力系数Cd和升力系数Cl.利用表3 中的气动力参数通过式(1)和式(2)可以获取作用在覆冰导线上的气动力[13],结果如表4所示.在有限元模拟中，通过设置动力隐式分析步，以集中力的形式将风载荷施加在导线单元节点上.

表3 不同覆冰厚度导线的气动力参数

表4 不同覆冰厚度导线的气动力

(1)

(2)

式中：Fl为单位长度覆冰导线受到的垂直升力；Fd为单位长度覆冰导线受到的横向阻力；ρ为空气密度，取1.225 kg/m3；U为风速；Ac为单位长度覆冰导线的迎风面积.

2.3 爆炸冲击载荷

试验中采用的导爆索，其外径为5 mm、 等效TNT密度为11 g/m. 导线与导爆索间距为50 mm. 为了获取爆破冲击载荷，本文通过AUTODYN动力学仿真软件对导爆索爆炸进行数值模拟. 其中，炸药和空气均采用欧拉算法，空气边界条件采用流出边界. 在距炸药50 mm处设置观测点,得到作用于导线的爆炸冲击波空气压力时间历程曲线，如图5 所示.

图5 中，冲击波压力在极短的时间内达到峰值，然后迅速衰减. 整个波形出现了两个峰值，但由于第二个峰值较小，在模拟过程中将冲击波简化为三角波. 在空气场中距炸药50 mm处的压力峰值约为3.6 MPa，计算得到单位长度导线上爆炸冲击载荷的峰值约为80 kN/m，将其与风载荷作用在同一分析步中，以完成风载荷和爆炸冲击载荷的同时施加.

2.4 覆冰脱落准则

输电导线覆冰脱落准则是研究导线除冰模拟的关键问题之一，在除冰模拟中，需要一个脱冰判定准则，使模拟中的线路脱冰的响应与现实更为符合. 常见的脱落准则有剪力破坏准则、 最大拉应力破坏准则、 剪切失效准则和加速度脱落准则等. 由于加速度脱落准则考虑了覆冰与导线之间的粘结强度，与实际情况接近，所以，本文通过式(3)的加速度脱落准则[14]来判定仿真中的覆冰是否脱落.

爆破除冰有限元模拟中，在风载荷和爆破冲击载荷的作用下，当覆冰导线的加速度达到计算阈值时，通过编写的ABAQUS场变量子程序USDFLD将此段覆冰导线的质量密度改为无覆冰的导线质量密度，从而达到判断覆冰脱落目的[15].

(3)

式中：D和Dc分别为覆冰导线外径和无覆冰导线外径；τa为覆冰与导线之间的粘结强度；τc为覆冰之间的粘结强度；τa和τc分别取0.2 MPa和 0.03 MPa[16]；ρi为覆冰的密度，取0.92 g/cm3；g为重力加速度，取9.8 m/s2.

3 结果分析

3.1 试验结果

对爆破除冰试验过程中导线中心测点的位移进行分析，如图6～图8 所示给出了导线中点位移时间历程曲线.

(a) 跳跃高度

(b) 横向摆幅

(a) 跳跃高度

(b) 横向摆幅

(a) 跳跃高度

(b) 横向摆幅

爆破除冰中，导线在风载荷和爆炸冲击载荷共同作用下，发生跳跃现象. 由图6～图7 可知，爆破除冰时爆破量越高，导线跳跃高度越大； 同为40%爆破量，由于工况2为两端导爆索同时爆破，而工况3为两端延时爆破，两者跳跃高度产生差异. 这是由于在工况3中，当第2段导爆索延时0.5 s爆炸时，右端的爆炸作用早已结束，由两端产生的振动波在导线中间区域形成互相干扰，导致工况3的第1个周期内出现2个波峰，从而降低了导线脱冰时的跳跃高度. 工况3的跳跃高度为0.115 m，工况2的跳跃高度为0.187 m，两者相差38.5%，这说明对覆冰导线进行爆破除冰时，导爆索延时爆破可以显著降低导线的跳跃高度.

由图6～图8 可知，导线的跳跃高度与横向摆幅峰值出现在第1个振荡周期，导线的动能与势能相互转化，呈现出衰减周期. 由试验测试与数值仿真结果对比发现，工况1中，试验与仿真的跳跃高度峰值相差13%，横向摆幅峰值相差14%； 工况2中，两者的跳跃高度峰值相差11%，横向摆幅峰值相差26%； 工况3中，两者跳跃高度峰值相差5%，横向摆幅峰值相差7%. 试验测试结果与数值仿真结果的差异主要来源于模拟中采用恒定风载荷和对导线覆冰均匀性的简化. 试验与仿真两者虽然峰值有出入，但变化规律相似，验证了该有限元模型在爆破除冰模拟中的有效性.

3.2 风速对导线爆破除冰响应的影响

重冰区覆冰导线在风载荷作用下易出现大幅舞动现象，导致导线跳跃高度和动张力增大，对输电塔线运行造成安全隐患. 因此，为了研究在风载荷作用下对重冰区覆冰导线进行爆破除冰的可行性，对不同风速下的导线爆破除冰进行模拟分析.

3.2.1 风速对导线爆破除冰时跳跃高度的影响

基于建立的试验线路有限元模型，覆冰设置为20 mm雨凇覆冰，脱冰方式选取端部脱冰方法，对不同风速下导线爆破除冰跳跃高度进行分析.

图9 为不同风速下导线爆破除冰跳跃高度峰值图，由图可知，在同一爆破量条件下，考虑风荷载的导线脱冰跳跃高度峰值均大于无风条件下的跳跃高度峰值，且导线的脱冰跳跃高度峰值随风速以及爆破量的增大而增大. 根据《电力工程高压送电线路设计手册》规定，本试验线路中导线与地线间的距离应大于2.248 m，两侧导线与地线的初始间距为4.7m，故在20 m/s风速内爆破除冰导线的跳跃高度均在安全规范内. 值得注意的是，当风速超过17 m/s时，爆破量存在一个临界值，爆破量小于临界值时，导线跳跃高度峰值基本保持不变，当爆破量大于临界值时，导线跳跃高度峰值随爆破量增长呈现出类似线性增长的规律. 不同风速下，临界爆破量随风速的增大而增大. 这是由于在无爆破载荷条件下，导线受到高风速的作用就会产生较大的横向摆幅，降低了爆破量对导线跳跃高度峰值的影响，结果如图10 所示.

图9 不同风速下导线爆破除冰跳跃高度的峰值

图10 不同风速下导线的横向摆幅(无爆破除冰)

3.2.2 风速对导线爆破除冰时动张力的影响

为了进一步分析爆破除冰导线的安全性，对导线动张力峰值进行讨论. 由表1 可知，导线的计算拉断力为92 220 N,考虑安全系数为2.5时，导线的许用运行张力约为36 888 N.

图11 给出了仅受风载荷作用下覆冰导线的动张力峰值，由图可知，当风速超过19 m/s，导线的动张力峰值大于许用运行张力，已经存在安全隐患. 图12 为不同风速下导线爆破除冰动张力峰值，当风速达到19 m/s，对导线进行爆破除冰时，导线动张力峰值均大于许用运行张力，因此不适合进行爆破除冰工作.

图11 不同风速下导线动张力峰值(无爆破除冰)

图12 不同风速下导线爆破除冰动张力峰值

表5 为不同风速下覆冰导线允许的最大爆破量，当风速低于19 m/s时，在许用运行张力范围内，可以采取适当爆破量的爆破除冰方案. 在安全规范内爆破除冰，爆破量随风速的增大而减小.

表5 不同风速下覆冰导线最大爆破量

4 结 论

本文通过对实际线路进行爆破除冰试验，考虑了风载荷对输电线路爆破除冰的影响，利用数值模拟软件对实验结果进行了分析验证. 进一步地，利用模型对不同风速下重冰区导线的爆破除冰进行了模拟分析，得到以下结论：

1) 在风载荷作用下的爆破除冰试验中，非延时爆破条件下，爆破量越高，导线的跳跃高度越大； 相同爆破量下，对导线两端导爆索进行延时爆破，可以显著降低导线跳跃高度.

2) 在一定风速条件下，对覆冰导线进行爆破除冰，导线跳跃高度随风速以及爆破量的增大而增大； 当风速变大时，爆破量存在一个临界值，爆破量小于临界值时，导线跳跃高度基本保持不变，当爆破量大于临界值时，导线跳跃高度随爆破量的增长呈现出类似线性增长规律.

3) 风速影响覆冰导线爆破除冰时的爆破量，风速越大，安全规范内允许的爆破量越小. 因此，在实际爆破除冰的各种工况中应考虑风速对爆破量的影响，避免导线的动张力峰值超出许用运行张力，确保输电线路安全运行.