输电线路雾凇覆冰分段爆破除冰方案研究 *

杜龙飞， 曹咏弘， 李海涛， 许燕飞， 孙 滔

(1. 中北大学 理学院， 山西 太原 030051； 2. 国网山西省电力公司经济技术研究院， 山西 太原 030002)

0 引 言

输电线路是电网系统最主要的网络架构， 其运行的安全性、 可靠性对电网系统的安全运行具有重要意义. 输电线路覆冰是影响电网系统安全运行的主要因素之一， 当覆冰厚度超过安全范围时， 会使导线内应力急剧变化， 严重时会导致线路过载、 闪络甚至引发断线、 倒塔等严重事故[1-3]. 因此， 安全高效的除冰技术对于电网系统的安全运行具有重要意义.

目前， 主流的输电线路除冰技术主要有直(交)流融冰、 机械除冰以及被动除冰等[4]. 直(交)流融冰技术是通过变压器、 融冰装置或整流装置等， 把电能转化为热能， 但在除冰过程中不仅需要停运线路， 且设备费用高昂、 能耗很大[5-6]； 机械除冰技术主要集中在电磁脉冲除冰、 电磁力冲击除冰、 滑铲除冰以及机器人除冰等方面， 此类方法易导致线路疲劳老化缩短其使用寿命， 而且效率低、 安全性差[7-8]； 被动除冰技术主要是通过在输电线路上安装阻雪环、 平衡块、 抑冰环或者喷刷柔韧性强的憎水涂料， 利用风或温度等自然条件对线路进行除冰， 但此类方法存在随机性较大且除冰不彻底等问题[9]. 此外， 激光除冰技术[10-11]、 无人机除冰技术[12]等也逐渐兴起， 但仍处于起步阶段， 还未达到普遍适用的程度.

近年来， 谢东升[13]和宋巍[14]等提出了输电线路爆破除冰技术， 选取适当药量和长度的导爆索， 将其预设在输电线路上， 当导线覆冰厚度影响线路运行安全时， 引爆导爆索， 利用其爆炸产生的冲击波对输电线路进行除冰， 该技术可以不受天气的影响进行除冰作业. 史淋升等[15]通过对50 m孤档进行爆破除冰试验， 并与ABAQUS仿真软件、 覆冰脱落判定准则相结合， 验证了利用有限元软件对输电线路爆破除冰进行仿真的可行性和可靠性.

本文在实际线路爆破除冰试验的基础上， 利用ABAQUS仿真软件研究了针对不同密度雾凇覆冰使用分段爆破除冰法的除冰效率以及爆破作用对导线档中位置跳跃高度的影响， 为工程实际应用提供参考.

1 试验概况

试验对象为忻州平凤线220 kV退役线路中的40#-41#路段， 档距约为104 m， 其中40#为Z4-26型直线塔， 41#为NA-15型耐张塔. 选取三相单分裂导线中的两根无高差导线进行试验， 导线型号为LGJ300/40， 参数如表1 所示.

表1 导线基本参数

如图 1 所示， 从导线的中心点处牵引出钢丝绳连接到固定于地面的位移传感器上. 位移传感器为EY503-5000系列拉线位移传感器， 量程 5 m， 精度为0.5% F.S， 安装位置及方式如图 2 所示， 其中a为导线， b为与传感器连接的钢丝， c为拉线位移传感器. 采用DH3820测试分析系统进行数据采集， 采集频率为50 Hz. 试验前后均使用全站仪对导线的档中弧垂进行测量， 测量结果如表2 所示.

图 1 试验线路

图 2 传感器安装示意图

表2 覆冰前后输电线档中弧垂

在输电线路覆冰之前进行导爆索敷设， 安装位置如图 3 所示. 两个导线的线性装药均采用连续单段方式进行敷设， 即在导线A上将长度为 20 m 的线性导爆索以平行于输电线的方式自直线塔向耐张塔进行敷设； 对导线B则是将20 m导爆索自耐张塔向直线塔进行平行敷设. 试验中分别在直线塔和耐张塔处对两根导线进行一次爆破： 工况1引爆导爆索①对导线A进行除冰； 工况2引爆导爆索②对导线B进行除冰.

图 3 两种工况的试验模型示意图

本次试验中使用PB11型导爆索， 外径5 mm， 药量为(11.0 ±1.5) g/m. 导爆索敷设方式如图 4 所示， 其中， d为导爆索， e为夹具. 利用导爆索夹具将导爆索平行于导线并间隔50 mm敷设在导线正下方； 夹具材料为PLA， 该材料具有密度小、 强度低等特性， 对试验结果无影响. 如图 5 所示， 在自然条件下进行试验， 输电线覆冰平均外径为 70 mm， 平均密度为0.20 g/cm3； 导爆索覆冰未形成环状并且厚度均小于0.8 mm， 对试验结果影响很小， 故后续的分析中对导爆索覆冰忽略不计.

图 4 导爆索安装

图 5 覆冰外形

2 有限元模型

对爆破作用下输电线路的脱冰率、 导线舞动以及挂点处动张力进行分析， 从而对脱冰方案的效率以及安全性进行评估. 本文使用ABAQUS有限元仿真软件对试验线路进行数值模拟， 通过数值仿真结果与试验数据的对比分析， 确定几何模型以及仿真参数的可靠性， 并在此基础上对分段爆破除冰方案进行深入研究.

2.1 几何模型

仿真中， 输电塔的主材和绝缘子串选用B31梁单元， 采用Q235钢的材料属性进行建模. 辅材选用T3D2杆单元， 采用Q345钢的材料属性进行建模. 输电线选用T3D2H混合杆单元， 采用表1 中与实际线路相同的材料属性进行建模. 覆冰导线采用等效密度法， 按照实际线路的参数进行建模， 并依据悬链线方程以及表2全站仪测得的弧垂数据对输电线进行找形， 确定重力影响下的导线覆冰前后的线形状态. 塔线体系最终形态模型如图 6 所示.

图 6 塔线体系模型

2.2 爆破冲击载荷

为获取爆破产生的冲击载荷， 通过LS-DYNA仿真软件对导爆索爆破进行数值仿真. 建立输电线、 覆冰、 导爆索以及空气域的流固耦合模型， 采用S-ALE算法， 空气边界设置为非反射边界， 以波阵面与导线初次相遇点为观测点， 得到冲击波的正压时程曲线. 通过计算得到爆破作用于导线上的载荷曲线， 如图 7 所示.

图 7 简化的三角冲击波

2.3 覆冰脱落判定准则

覆冰脱落判定准则是研究输电线路除冰的关键问题. 在输电线路脱冰的模拟过程中， 需要对导线覆冰是否脱落施加一个判定准则， 常见的判定准则有剪应力破坏准则、 剪切失效准则、 最大拉应力破坏准则和加速度判定准则等[16]. 加速度判定准则同时考虑了覆冰与导线之间的粘结强度和覆冰内部的内聚破坏强度， 更接近实际情况. 因此， 本文采用式(1)加速度判定准则[16]作为覆冰脱落的临界条件.

(1)

式中：Dline为输电线的外径， m；Dsum为覆冰和输电线的总外径， m；τad和τco为导线与覆冰间的粘结强度和覆冰内部的内聚破坏强度， Pa；ρice为覆冰的密度， kg/m3. 根据试验采集到的覆冰样本， 通过测量相关参数， 雾凇与输电线间的粘结强度取 0.041 MPa， 雾凇内聚破坏强度取为 0.03 MPa. 由式(1)可得， 覆冰脱落的临界加速度值为2 901.90 m/s2.

3 仿真分析

3.1 试验结果及模型验证

对两种脱冰工况中点位移时程曲线的试验数据以及仿真数据进行对比， 试验在无风的条件下进行， 因此， 忽略导线的横向位移， 仅对导线的竖向位移进行分析， 结果如图 8 所示.

导爆索爆破产生的冲击波， 使得爆破区域的覆冰被击碎并脱落. 同时， 爆破冲击波的作用以及覆冰脱落释放了一部分导线的弹性势能， 导致输电线以一定的加速度迅速竖直向上回弹跳跃. 在跳跃过程中， 非爆破区域内的导线加速度达到临界加速度时覆冰脱落， 最终使导线整体弧垂减小.

由图 8 可知， 两种工况的跳跃高度峰值均出现在第一个振荡周期内. 导爆索爆破产生的冲击波给予导线爆破段一个向上的脉冲， 并且爆破作用使导线覆冰脱落时导线释放了一定的弹性势能， 两者同时作用使导线的势能与动能相互转化， 并呈现出衰减趋势. 对比试验与仿真的结果可得， 工况1位移峰值的试验和仿真的误差约为1.6%， 工况2位移峰值的试验和仿真的误差约为1.9%.

(a) 工况1

(b) 工况2

试验中用相机记录除冰的全过程， 逐帧分析导线在爆破作用产生的覆冰脱落的长度， 如图 9 所示. 工况1中爆破作用下产生的脱冰长度为45 m， 仿真得到的脱冰长度为43.5 m， 误差约为3.3%； 工况2试验测得脱冰长度为44.5 m， 仿真得到的脱冰长度为43.5 m， 误差约为2.2%.

图 9 诱发脱冰效果图

综上所述， 两种工况脱冰长度和跳跃高度的试验与仿真结果基本吻合， 验证了该模型用于爆破除冰试验模拟的有效性， 表明仿真参数设置正确合理. 在此基础上分别对密度为0.2 g/cm3和0.4 g/cm3的软雾凇以及密度0.8 g/cm3的硬雾凇覆冰进行分段爆破除冰工况模拟.

3.2 0.2 g/cm3软雾凇除冰工况模拟

针对0.2 g/cm3的软雾凇除冰模拟仍然选取平凤线路为研究对象， 覆冰厚度与试验相同设为70 mm. 试验中采用单段20 m导爆索对线路进行除冰， 工况模拟将20 m导爆索均匀分为两段， 通过调整导爆索的起爆位置， 分为4种工况进行讨论. 模拟工况示意图如图 10 所示.

图 10 模拟工况示意图

图 11 为各个工况分段爆破除冰的档中位移时程曲线. 由图可知， 在相同爆破量的情况下， 工况A0.2的位移峰值为0.78 m， 脱冰长度为69 m； 工况B0.2的位移峰值达到了1.25 m， 脱冰长度为81 m； 工况C0.2的位移峰值为0.96 m， 脱冰长度为74 m； 工况D0.2位移峰值为0.83 m， 脱冰长度为72.5 m. 由此可知， 当起爆段设为档中位置时， 导线的跳跃高度达到了最大， 这是由于导线档中位置的刚度小于两端的刚度， 在同等长度药量的导爆索作用下产生的位移也最大； 当起爆段远离档中位置时， 两段导爆索的间距越大所产生的跳跃高度就越小.

(a) 工况A0.2

(b) 工况B0.2

(c) 工况C0.2

(d) 工况D0.2

各工况挂点动张力幅值如图 12 所示. 与位移相同， 在档中进行爆破时动张力幅值达到最大. 当爆破位置远离档中位置时， 随着两段导爆索的间距增加， 爆破导致导线挂点动张力变化的幅值减小. 4种工况导线挂点动张力幅值均未超出导线的许用张力.

《电力工程高压送电线路设计手册》中规定： ①试验线路中输电线与地线之间的间距应始终大于2.248 m； ②导线许用应力为导线拉断力的40%. 因此， 由本试验线路中输电线与地线之间的初始距离为4.7 m， 可得导线位移峰值不得超过2.452 m； 由本试验线路中导线的拉断力为 92.22 kN， 可得导线的许用张力为36.8 kN. 由此可计算出， 在0.2 g/cm3的软雾凇覆冰状态下， 导线脱冰长度达到31.2 m， 可使线路便处于安全状态. 综合4种分段爆破除冰工况的位移峰值、 脱冰长度以及挂点动张力幅值可知， 本试验的4种工况均符合设计手册规范要求. 对厚度为 70 mm、 密度为0.2 g/cm3的软雾凇覆冰进行除冰时， 采取在导线两端敷设10 m导爆索的方式进行分段爆破除冰， 可以使导线舞动的幅值最小， 从而提高爆破除冰的安全性.

由试验的两种工况与0.2 g/cm3软雾凇的仿真工况的结果对比可得： 通过合理选择分段爆破除冰的方案可以有效减小导线的跳跃峰值以及增加脱冰率， 提高了爆破除冰的脱冰效率以及安全性.

图 12 0.2 g/cm3软雾凇时各工况挂点动张力变化幅值

3.3 0.4 g/cm3软雾凇除冰工况模拟

0.4 g/cm3软雾凇与0.2 g/cm3软雾凇覆冰厚度、 实验线路以及工况设置保持一致. 据J. Druez[17]对雾凇相关参数的研究可知， 0.4 g/cm3软雾凇与钢芯铝绞线间的粘结强度[16]为 0.074 MPa， 雾凇内聚强度为0.479 MPa， 由式(1) 计算可得， 0.4 g/cm3软雾凇脱落的临界加速度为6 359.11 m/s2.

表3 为0.4 g/cm3软雾凇除冰4种模拟工况的位移峰值、 脱冰长度以及设计手册规范要求. 由仿真数据可知， 保持覆冰厚度以及导爆索长度不变的情况下， 随着覆冰密度的增加使得导线自身积蓄的势能逐渐增大， 在除冰过程中释放的势能也随之增大， 从而导致导线的位移幅值变大.

表3 0.4 g/cm3软雾凇时各工况结果对比

各工况挂点动张力幅值如图 13 所示. 由图可知， 工况B0.4挂点动张力幅值已经超出导线的许用张力要求， 其余3个工况挂点动张力幅值均符合规范要求； 当覆冰厚度为0.4 g/cm3且符合当爆破位置远离档中位置时， 随着两段导爆索间距的增大， 爆破导致的导线挂点动张力变化的幅值减小.

图 13 0.4 g/cm3软雾凇时各工况挂点动张力变化幅值

综合0.4 g/cm3软雾凇的4种分段爆破除冰工况可知： 保持药量不变的情况下， 采取工况A0.4无法满足设计手册的除冰要求； 工况B0.4虽满足脱冰规范要求； 但是档中位置脱冰引起的导线位移幅值过大， 且导线张力已超出许用张力； 工况C0.4和工况D0.4中导线位移幅值相差很小， 而前者达到了更高的除冰率. 所以， 在对厚度70 mm密度为0.4 g/cm3软雾凇覆冰进行分段爆破除冰时， 可以采用工况C0.4中的导爆索敷设方案进行除冰.

3.4 0.8 g/cm3硬雾凇除冰工况模拟

0.8 g/cm3硬雾凇的脱冰模拟仍选取平凤线路为研究对象， 覆冰厚度为 70 mm. 0.8 g/cm3硬雾凇与钢芯铝绞线间粘结强度为 0.125 MPa， 其内聚强度[17]为2.066 MPa， 根据式(1) 计算可得， 0.8 g/cm3硬雾凇脱冰的临界加速度值为 10 903.52 m/s2.

各种工况的位移峰值、 脱冰长度以及设计手册规范要求如表4 所示， 挂点动张力幅值如图 14 所示.

结合3种不同密度覆冰的脱冰工况可得： 随着覆冰密度的增大， 覆冰的内聚强度以及覆冰与导线之间的粘结强度也逐渐增大， 使用相同药量和长度的导爆索， 使导线产生的加速度随之降低， 从而导致爆破的除冰率逐渐降低. 同时， 结合仿真数据可知， 档中跳跃高度随覆冰密度的增大而大幅增加.

表4 0.8 g/cm3硬雾凇时各工况结果对比

图 14 0.8 g/cm3硬雾凇时各工况挂点动张力变化幅值

由各工况档中位移峰值、 动张力幅值以及脱冰长度可知， 在4种分段爆破除冰工况下， 导线的中点位移峰值和挂点动张力幅值都超过了设计规范要求， 且脱冰长度未达到规范要求. 因此， 在对 70 mm， 0.8 g/cm3的硬雾凇覆冰进行除冰时， 应采用更小药量， 同时缩短爆破段长度， 增加起爆次数， 在安全范围内进行分段爆破除冰.

本文所有试验、 仿真工况中分段导爆索均为同时起爆. 对于分段导爆索先后在一定时间间隔内起爆对试验结果的影响， 将在后续的研究中进行深入的探究.

4 结 论

基于平凤线220 kV的退役线路中40#-41#路段的爆破除冰试验进行了仿真分析， 验证了有限元模型以及仿真参数的合理性， 并对不同密度雾凇覆冰输电线路以不同方式分段爆破除冰的档中跳跃峰值以及脱冰长度进行分析. 结果表明：

1) 在输电线路爆破除冰时， 将分段导爆索分别设置在输电线两端， 可以有效提高爆破除冰的安全性以及除冰效率.

2) 在其他条件不变的情况下， 使用分段爆破除冰时， 脱冰长度与导线覆冰密度为负相关， 档中跳跃峰值与覆冰密度呈正相关趋势.

3) 当覆冰密度超过0.8 g/cm3且覆冰厚度大于70 mm时， 应采用更小药量， 同时缩短爆破段长度， 增加起爆次数， 以保证在安全范围内进行分段爆破除冰.