基于USDFLD二次開發(fā)的導線爆破除冰法的適用性研究

史淋升，孫華東，曹詠弘，李海濤，謝東升

(1.中北大學 理學院， 太原 030051；2.國網(wǎng)山西省電力公司 經(jīng)濟技術(shù)研究院，太原 030000)

嚴重覆冰容易造成塔線體系因過載而失穩(wěn)，損害輸電設(shè)備，威脅電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行[1]。因此，研究線路的除冰技術(shù)對電網(wǎng)的安全運行具有重要意義。目前輸電線路的除冰方法可歸為四類[2]：改變導線的溫度使覆冰融化的熱力融冰法；依靠風力等使覆冰脫落的被動除冰法；使用機械力，使覆冰發(fā)生斷裂從導線上脫落的機械除冰法；此外還有通過改變電線材質(zhì)等輔助手段去除覆冰。雖然這些方法目前已經(jīng)取得了一定的成效，但是針對山區(qū)地形的覆冰類型，存在一定的局限性。為此提出一種商用線裝藥爆破除冰新思路，即達到除冰條件時引爆預先敷設(shè)在輸電線路上的少量線裝炸藥，利用炸藥爆破去除覆冰。

在對線路進行爆破除冰時，關(guān)心的問題主要有兩個方面：一是爆炸沖擊是否會對導線產(chǎn)生損傷；二是爆破作用下，導線脫冰時的動力響應是否在安全范圍。對于前者，謝東升等[3]在縮尺寸覆冰導線模型上進行了爆破試驗。相關(guān)實驗表明：合理的設(shè)置炸藥藥量和炸藥導線間的距離能夠使炸藥去除覆冰的同時對導線不產(chǎn)生損傷。對于爆破后導線的動力響應問題，縮尺寸試驗的結(jié)果并不理想。以往有眾多學者進行了導線的脫冰動力響應研究[4-7]，然而，相比以往的脫冰方法，爆破除冰雖然速度快，但導線脫冰時產(chǎn)生的跳躍動力響應也更劇烈。此外，導線的脫冰動力響應和脫冰量有關(guān)，可通過研究在極短爆破時間內(nèi)的脫冰率來確定爆破除冰時的動力響應是否在安全范圍內(nèi)。

為了系統(tǒng)研究爆破除冰機理和實施策略，本文利用ABAQUS有限元軟件在一段三跨導線上模擬計算了爆破作用下導線的脫冰率，同時進行了不同脫冰工況下，導線的脫冰跳躍特性研究。為工程線路的爆破除冰方法實施提供一定的參考。

1 爆破作用下導線脫冰機理

用于導線爆破除冰裝置示意圖及其脫冰機理如圖1所示，該裝置的工作原理為：預先在導線下端敷設(shè)一種線裝炸藥，當導線結(jié)冰后，覆冰將線裝炸藥和導線包裹在一起，通過引爆炸藥，利用爆炸沖擊來去除導線覆冰。對于導線上的覆冰，脫落過程為：炸藥敷設(shè)區(qū)的覆冰會在爆炸沖擊的作用下直接發(fā)生損毀；對于非爆破區(qū)域的覆冰，當導線受到炸藥沖擊力后會發(fā)生舞動，進而導致這部分的覆冰被“甩掉”，即誘發(fā)脫冰現(xiàn)象(圖1)。

圖1 爆破除冰脫冰機理示意圖

采用預先敷設(shè)在輸電線路上的線裝炸藥爆破的方法去除導線覆冰是一種成本低、效率高的除冰方法。保障電網(wǎng)和輸電線路安全的同時，電網(wǎng)還能不間斷運行，實現(xiàn)了資源和能源利用的最大化。

2 覆冰誘發(fā)脫落判定及其有限元實現(xiàn)

在對覆冰導線進行爆破除冰時，爆破區(qū)域的覆冰會因爆炸沖擊而破壞。對于非爆破區(qū)域的覆冰則認為導線振動施加在覆冰上的慣性力和重力大于覆冰內(nèi)部的內(nèi)聚力和覆冰導線間的黏結(jié)力時，該區(qū)域覆冰被“甩掉”，如式(1)[8]。覆冰受力如圖2所示。

Finertia±G≥Fcohesive+Fadhesive

(1)

式(1)中:Finertia為慣性力，G為覆冰重力，F(xiàn)adhestive為粘結(jié)力，F(xiàn)cohesive為內(nèi)聚力；“+”“-”號分別表示上半部分和下半部分覆冰。

圖2 覆冰受力示意圖

將式(1)中的各項參數(shù)用加速度表示，最終求出覆冰脫落的臨界加速度值判定為

(2)

其中:D為覆冰導線直徑，Dcable為導線直徑。將式(2)作為判定條件，寫入場變量子程序USDFLD來判定覆冰單元“生死”。在有限元主程序求解的每一個時間增量內(nèi)，通過調(diào)用子程序，對覆冰單元的加速度進行檢測，若大于臨界加速度，則定義該覆冰單元質(zhì)量和剛度矩陣為“0”。脫落的流程框圖如圖3。

圖3 覆冰脫落判定流程框圖

為了驗證模擬方法的正確性，需要用模型試驗對模擬結(jié)果進行驗證。由于誘發(fā)脫冰實驗受外界因素影響比較多，試驗可重復性差。加拿大魁北克水電研究院在一段檔距100 m的單檔覆冰導線上進行的沖擊式機械除冰實驗是目前僅有的文獻詳細記載的全尺寸脫冰試驗[9]。姬昆鵬等[10]利用ADINA對該試驗進行了模擬，實驗模擬結(jié)果與文獻[9]一致。本文通過覆冰加速度脫落判定準則對文獻[10]中的一個算例進行了分析計算，結(jié)果如表1所示。其中脫冰率的計算見式(3)。相關(guān)工況描述見文獻[10]。結(jié)果相差不大，說明了本文模擬方法的可靠性。

(3)

表1 文獻結(jié)果與計算結(jié)果

3 實例分析

3.1 基本假定和有限元建模

為了討論實際爆破除冰過程中的導線動力響應。模擬建立了如圖4所示的一段三跨覆冰導線模型。導線的檔距為100 m。冰厚取30 mm。覆冰類型為霧凇狀覆冰。模擬中，首先對爆破作用下，導線的除冰率進行分析。在此基礎(chǔ)上，對不同的爆破工況下導線跳躍響應進行研究。

圖4 三跨覆冰導線模型

模擬中，為了相對試驗方法更為簡單高效，分別對塔線體系進行了簡化處理。導線用理想不可壓縮的桿單元離散。由于耐張塔的加固設(shè)計以及直線塔上豎直絕緣子串在脫冰過程中的擺動，其動力響應并不明顯[11],因此桿塔簡化為固定支座處理。

導線在自重狀態(tài)下呈懸鏈線形，通過施加初始預應力的方式進行覆冰導線的找形[12]。導線單元和覆冰單元之間的連接方式為共節(jié)點綁定連接。覆冰導線阻尼用Rayleigh阻尼來描述，模擬中阻尼系數(shù)α取0.14，β近似取值0[13]。模型的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 有限元模型相關(guān)參數(shù)

覆冰脫落的臨界加速度根據(jù)GuyFortin等[14]對霧凇的粘結(jié)內(nèi)聚強度研究，利用式(2)計算取值為14 000 m/s2。對應的覆冰粘結(jié)內(nèi)聚強度為0.8 MPa和0.2 MPa。

3.2 爆破載荷作用下導線的脫冰率分析

首先進行爆破載荷下的導線脫冰率分析，爆炸波的幅值大小如圖5(a)。模擬了每檔導線中部脫冰和導線端部脫冰的工況，計算了各種工況下導線總體脫冰率。為了充分研究導線脫冰率的影響因素，同時計算了另外兩種沖擊載荷下導線的脫冰率，以及改變臨界加速度值后的導線脫冰率。模擬結(jié)果如表3和表4所示。

圖5 載荷作用時間歷程

從表3可以看出：對于霧凇這種類型的覆冰，應用爆破的方式進行除冰時，不論是那種脫冰工況，都不會發(fā)生誘發(fā)脫冰。一方面，這是由于爆破本身持續(xù)時間比較短(μs量級)造成的。相同工況下，增加沖擊載荷時長(ms量級)時，導線的脫冰率則有了明顯的提高。唐銳、姬昆鵬等人的研究得到了類似的結(jié)論[15]，這里不再贅述。另一方面，由于霧凇脫落的臨界加速度值很大，即其和導線間的粘結(jié)力以及自身的內(nèi)聚力較大(0.8 MPa)，基于這種原因，覆冰很難從導線上被“甩掉”。從表4中可以看出：當脫落臨界加速度值減小的時候，導線的脫冰率隨之增加，即覆冰的粘結(jié)力越小，覆冰越容易被甩掉，這與常識相符合。綜上兩方面可以說明模擬結(jié)果的可靠性。

表3 不同沖擊載荷下導線的脫冰率(a=14 000 m/s2)

表4 爆破載荷不同臨界加速度值下導線的脫冰率

當覆冰脫落臨界加速度值為2 500 m/s2時，爆破載荷下的覆冰導線開始有了很小的誘發(fā)脫冰現(xiàn)象，此時根據(jù)式(2)求出此時覆冰的粘結(jié)強度為0.03 MPa。根據(jù)文獻[14]列出的不同覆冰粘結(jié)強度表，可以得出對于大部分覆冰類型(水冰、混合淞等)，在對其用爆破的方法進行除冰時，均不會發(fā)生明顯誘發(fā)脫冰現(xiàn)象。當覆冰和導線間的粘聚力很小時(粘結(jié)強度0.002 MPa)，這種情況下，覆冰的脫落加速度值很小(小于2 000 m/s2)，甚至能夠自然脫落。此時，對其應用爆破的方法除冰時，容易引起覆冰大面積脫落，造成冰跳事故。對于這種情況可不予以爆破的方法除冰。

與以往的沖擊式除冰方法相比，爆破除冰在實際應用過程中，可以根據(jù)爆破載荷這種持續(xù)時間短、誘發(fā)脫冰量少的特性，來人為的控制其導線跳躍高度，從而使除冰方案更加安全。

3.3 爆破載荷下脫冰工況分析

用爆破的方法對導線進行除冰時，根據(jù)線裝炸藥的爆炸傳播速度，100 m檔距的覆冰在0.7 s左右就可以全部爆破掉。導線的這種短時間載荷變化容易引起張力發(fā)生突變，從而使導線發(fā)生很大的跳躍。為了充分研究脫冰時間和導線的跳躍關(guān)系，進行了L2檔導線中間50 m覆冰在不同脫冰時間下的導線跳躍模擬。結(jié)果如圖6所示的跳躍曲線。

圖6 不同脫冰時間下導線跳躍曲線

從圖6可以看出：脫冰時間越短，導線的跳躍高度越大。這是由于爆破作用下的覆冰脫落類似于一種載荷“瞬時卸載”，導線在極短時間內(nèi)發(fā)生的這種重力改變會使其發(fā)生很大的跳躍?；谶@種原因，在對覆冰導線進行爆破除冰時，需要嚴格設(shè)置脫冰工況使其脫冰跳躍高度處于安全范圍之內(nèi)。

針對圖4所示的三跨輸電線路模型，從脫冰線段、一檔導線內(nèi)脫冰位置兩個方面進行考慮設(shè)計了如表5所示的脫冰工況。模擬計算了每種爆破工況下，導線的最大跳躍高度。

表5 脫冰工況

圖7為不同線段內(nèi)一整檔導線全部脫冰下的L2檔導線跨中節(jié)點跳躍曲線。

從圖7可以看出：先進行耐張段脫冰，再進行直線段脫冰時，導線的跳躍幅度最大(5 m)。由于耐張段導線L1、L3檔脫冰后中間直線段L2檔由于豎直絕緣子串的擺動，會下垂一定距離，如圖8所示。此時再對L2檔導線進行脫冰時，由于直線檔導線兩端的L1、L3檔已經(jīng)沒有了覆冰載荷，導致其對L2檔導線的拉力變小，從而使得L2檔導線在脫冰時發(fā)生了更大的跳躍。

圖7 一整檔導線全部脫冰導線跳躍曲線

圖8 耐張段脫冰后絕緣子串偏移

通過對比表5前三種脫冰工況可以得出：在對三檔導線同時進行脫冰時，導線的跳躍高度是最小的。然而在實際應用中，由于導線的檔距一般都在百米級別，這種脫冰工況實際操作起來不容易實現(xiàn)。因此脫冰時，應當優(yōu)先考慮先脫直線檔的覆冰。

圖9為直線檔L2脫冰工況下，導線跨中節(jié)點的最大跳躍位移曲線。

圖9 直線檔分區(qū)域脫冰工況下的導線跨中節(jié)點的最大跳躍位移曲線

從圖9可以看出：相同脫冰量下，脫冰位置位于導線中間時，導線的跳躍高度最大；直線檔的左右兩端同時進行除冰時，導線的跳躍高度是最小的。在對導線進行脫冰時，在同一脫冰區(qū)域進行分區(qū)脫冰，能有效的減低導線跳躍高度。如工況E中，導線左端進行了一次20 m脫冰，工況G中，導線左端進行了兩次脫冰，每次脫冰量為10 m。兩種工況下，總的脫冰量相同，但是工況G的跳躍高度明顯小于工況E下的跳躍高度。

圖10為耐張檔L1脫冰工況下，導線跨中節(jié)點的最大跳躍位移曲線。

可以看出：跟直線檔相同，脫冰位置位于導線兩端時，導線的跳躍高度最小，在同一脫冰區(qū)域進行分區(qū)脫冰，能有效的降低導線跳躍高度。

圖10 耐張檔分區(qū)域脫冰工況下的導線跨中節(jié)點的最大跳躍位移曲線

實際上，對導線進行單獨一檔脫冰很后，導線的不平衡張力急劇增大，容易造成危險[16]。以工況B為例，優(yōu)先在L2檔導線脫冰后，由于L1、L3檔還存在有覆冰，此時L2檔導線將承受很大的拉力。為了使導線間的不平衡張力減小，可以進行在L2檔導線脫冰時同時在L1、L3檔導線上也去除一部分覆冰的組合脫冰工況。實際應用中，可根據(jù)相關(guān)脫冰安全規(guī)范來具體設(shè)計脫冰量和脫冰位置。

4 結(jié)論

1) 針對一般重冰區(qū)覆冰類型，其覆冰誘發(fā)脫落現(xiàn)象與機械除冰時的外載荷持續(xù)時間有關(guān)，持續(xù)時間越長，導線的誘發(fā)脫冰率越高。運用線裝炸藥爆破的方法去除導線覆冰是一種效率高、見效快的方法。該方法載荷作用時間極短，能夠有效的抑制覆冰誘發(fā)脫落現(xiàn)象，從而使除冰區(qū)域更加精準，能夠消除由于覆冰誘發(fā)脫落帶來的導線動力危險響應。

2) 覆冰脫落時，導線的跳躍高度跟脫冰時間有關(guān)。同一脫冰量下，脫冰時間越短，導線的跳躍高度越高。爆破除冰方法下，由于爆炸傳播速度極快，百米脫冰時間在0.7 s左右。這種方法下，容易造成導線跳躍高度過大。采用合理的脫冰工況設(shè)置能夠控制導線的脫冰跳躍高度。對于文中提到的三跨輸電線路，應當優(yōu)先考慮進行直線檔脫冰，再進行耐張檔脫冰。選擇在導線兩端除冰的方式對一檔線路除冰時，導線的跳躍高度最小。在同一脫冰區(qū)域進行分區(qū)脫冰，能有效的減低導線跳躍高度。

3) 實際應用中，可以根據(jù)相關(guān)脫冰安全規(guī)范，通過模擬計算具體每檔導線的脫冰量大小來消除相鄰導線間的不平衡張力。本文提出的模擬方法可為爆破除冰應用提供合理參考。