多參數(shù)影響下輸電線鏈?zhǔn)矫摫鶎?shí)驗(yàn)研究

李孟珠，晏致濤，熊 輝，游 溢,2

( 1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400045; 2.國網(wǎng)新疆電力公司 電力科學(xué)研究院,烏魯木齊 830011)

輸電線路脫冰振動(dòng)是造成電力系統(tǒng)損害的自然災(zāi)害之一。在一定的溫度和風(fēng)條件下，輸電線路上的覆冰會(huì)脫落，從而引起導(dǎo)線上下振動(dòng)和橫向擺動(dòng)，極易造成線路閃絡(luò)、跳閘事故的發(fā)生，甚至輸電線路的倒塌，威脅整個(gè)供電系統(tǒng)的安全。2008年，華中、華東地區(qū)3次大范圍的雨雪冰凍天氣，使輸電線路覆冰極為嚴(yán)重，南方很多地區(qū)的輸電線路發(fā)生多起覆冰事故，導(dǎo)致電力中斷、交通癱瘓等后果，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 100多億元[1]。因此，研究覆冰輸電線脫冰后的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)導(dǎo)線間距和輸電線路的安全運(yùn)行具有重要的工程實(shí)用價(jià)值[2-4]。

目前，關(guān)于覆冰輸電線的脫冰[5]跳躍研究主要采用數(shù)值仿真[6-8]和物理試驗(yàn)等兩種手段。有關(guān)數(shù)值仿真的文獻(xiàn)很多，不論是基于有限元的建模、瞬態(tài)脫冰的響應(yīng)計(jì)算分析，還是對(duì)于參數(shù)的影響及分析都已經(jīng)進(jìn)行了比較系統(tǒng)和深入的研究,本文不再贅述。有關(guān)物理模擬試驗(yàn)方面[9]，起初是將均勻冰重轉(zhuǎn)換成集中質(zhì)量懸掛在跨中的方法模擬實(shí)現(xiàn)輸電線路覆冰進(jìn)行的脫冰實(shí)驗(yàn)，從而測得各檔架空線的脫冰跳躍高度[10]。Jamaleddine等[11]依據(jù)人工建立的氣候室尺寸，設(shè)計(jì)出僅為3.22 m檔距的兩檔架空線縮尺模型，對(duì)覆冰后架空線的多種真實(shí)脫冰工況進(jìn)行物理模擬，瞬時(shí)狀態(tài)記錄了架空線路的最大跳躍高度以及各掛點(diǎn)的張力變化。在冰凍實(shí)驗(yàn)室，Kollár等[12]完成了單檔輸電線的濕雪脫落試驗(yàn)，并模擬了在多種自然條件下輸電線的濕雪脫落。國內(nèi)夏正春[13]通過懸掛集中荷載重物實(shí)現(xiàn)輸電線覆冰的模擬，開展了單檔導(dǎo)線的整跨脫冰模擬試驗(yàn)，測量了跨中導(dǎo)線的張力。王璋奇等[14]采用人工覆冰和集中質(zhì)量兩種方法來模擬單檔覆冰輸電線的脫冰振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)比了兩種模擬覆冰方法對(duì)脫冰跳躍動(dòng)力響應(yīng)帶來的影響。除了對(duì)輸電導(dǎo)線的脫冰跳躍觀測，劉春城等[15]研究了五塔四檔塔線體系模型在覆冰條件下的脫冰沖擊對(duì)輸電桿塔的最不利工況以及位置。黃新波等[16]對(duì)檔距組合的輸電線路做了研究，得到了輸電塔線體系的動(dòng)張力和幅值特性以及多參數(shù)對(duì)脫冰的影響規(guī)律。王璋奇等[17]也研究了輸電線路同時(shí)脫冰下的動(dòng)張力特性。

上述文獻(xiàn)在脫冰模擬試驗(yàn)方面都有各自的研究重點(diǎn)，大多試驗(yàn)只關(guān)注了瞬時(shí)脫冰。而實(shí)際自然界中，蔣興良等[18]在自然覆冰實(shí)驗(yàn)站開展的直流融冰實(shí)驗(yàn)記錄和觀測均表明輸電線路的脫冰是一個(gè)鏈?zhǔn)竭^程。在現(xiàn)有的試驗(yàn)中很少有對(duì)高差的研究，但實(shí)際中，有很多輸電塔線是建立在高山中的[19]，需要考慮實(shí)際工況中的高差影響，所以現(xiàn)有的試驗(yàn)?zāi)M是有不全面之處的。文章在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，試驗(yàn)通過集中荷載代替覆冰荷載方法，利用PCL電路圖來控制不同電磁鐵的磁性以實(shí)現(xiàn)覆冰荷載脫落的模擬。有效地完成了模擬現(xiàn)實(shí)中各種復(fù)雜的脫冰工況的過程。綜合考慮了高差、防震裝置、模型的動(dòng)力相似、脫冰方式、脫冰工況的多樣性，使用精度達(dá)到納米級(jí)別的高速攝像儀DIC-3D準(zhǔn)確測量脫冰跳躍過程中位移的變化來反映單跨輸電線路脫冰振動(dòng)響應(yīng)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.1 模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)?zāi)M孤立檔下的單導(dǎo)線脫冰，考慮原型輸電線的動(dòng)力特性以及試驗(yàn)長度的限制，取試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票葹?/p>

cl=lm/lp=1/30，

(1)

式中：lm和lp分別為模型和原型的長度；cl表示試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的長度相似比。這里取模型縮尺比為1∶30，原型檔距為270 m，模型單跨檔距9 m。

為了保證構(gòu)件的拉伸剛度，使用抗側(cè)彎能力低的碳素線作為模擬導(dǎo)線的材料。通過輸電導(dǎo)線大小的計(jì)算，選擇碳素線的型號(hào)為10號(hào)，直徑為0.6 mm。

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)中，為了保證幾何相似的基礎(chǔ)上動(dòng)力相似，根據(jù)Froude和Cauchy數(shù)相似，F(xiàn)rm=Frp和Cam=Cap,其中Frm,Cam為模型的Froude和Cauchy數(shù)，F(xiàn)rp,Cap為原型的Froude和Cauchy數(shù)，即可以推導(dǎo)出以下密度的相似比條件為

Cρ=CE/CgCl，

(2)

式中：Cρ為密度相似比；CE為彈模相似比為1；Cg為重力加速度相似比；Cl為長度相似比。

考慮到在試驗(yàn)中，模型重力加速度應(yīng)和原型重力加速度相同，取重力加速度的相似比Cg=1。采用人工配重的方法解決密度相似比的問題，導(dǎo)線原型質(zhì)量mρ=7.668 kg，模型導(dǎo)線單位長度配重質(zhì)量?m=8.53 g。因?yàn)樵囼?yàn)中要用到電磁鐵吸盤，將電磁鐵吸盤均勻分布在輸電線上，而此時(shí)的電磁鐵吸盤質(zhì)量剛好滿足了輸電線的配重質(zhì)量。

按照比例1∶30設(shè)計(jì)的導(dǎo)線與原型參數(shù)如表1所示。

表1 導(dǎo)線原型與模型參數(shù)

1.2 導(dǎo)線及覆冰模擬

輸電線路單位長度上的覆冰質(zhì)量用M表示，單位為kg/m；覆冰密度為900 kg/m3；導(dǎo)線直徑為d，覆冰后為D，單位為mm。導(dǎo)線覆冰質(zhì)量為

M=ρ(D2-d2)×10-6×π/4，

(3)

式中，ρ為覆冰密度。

研究證明，采用集中荷載時(shí)導(dǎo)線跳躍的位移和張力變化曲線與均勻荷載時(shí)的變化基本吻合[16,19]，本文采用集中荷載重物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過PCL電路圖控制電磁鐵的磁性來模擬覆冰輸電導(dǎo)線的脫冰過程。自重單個(gè)集中荷載的質(zhì)量由公式M=mL/n來確定，式中：m為單位長度上導(dǎo)線覆冰的質(zhì)量；L為每跨導(dǎo)線的長度；n為懸掛重物數(shù)，取n=12。導(dǎo)線及覆冰模擬如圖1所示。

圖1 輸電線覆冰模擬及脫冰示意圖

通過PCL電路圖控制集中質(zhì)量脫落的方法模擬導(dǎo)線脫冰的順序，電路圖布置圖如圖2所示。

注： FU代表熔斷器，SB代表控制按鈕，KM代表接觸器，KT代表時(shí)間繼電器，M代表電磁鐵。KM2,KM3,KM4,KM5是具有四對(duì)觸點(diǎn)的接觸器，其余的接觸器為具有兩對(duì)觸點(diǎn)的接觸器

在圖2(a)中，右側(cè)電路是按從左到右的順序控制電磁鐵磁性的釋放一次回路圖，即是順序控制釋放電路的執(zhí)行電路圖；左側(cè)電路是順序控制電磁鐵磁性釋放的二次回路，即是順序控制釋放電路的控制電路圖。順序控制電路磁性釋放的運(yùn)行步驟如下：

1)首先設(shè)置好時(shí)間繼電器KT1的預(yù)置時(shí)間t1；

2)按下控制按鈕SB2，此時(shí)KM1被接通同時(shí)自鎖現(xiàn)象發(fā)生，之后KM2和KM6也瞬時(shí)接通，此時(shí)KM6的常閉觸點(diǎn)被打開，M1失電磁性消失，該段是模擬覆冰的集中荷載重物脫落；

3)KM1接通時(shí)，KT1就開始計(jì)時(shí)，到達(dá)預(yù)置時(shí)間t1后，KT1的延時(shí)觸點(diǎn)動(dòng)作發(fā)生使得KM2失電斷開和KM3得電接通，進(jìn)而KM7得電被接通，KM7的常閉觸點(diǎn)動(dòng)作打開使得M2失電磁性消失，此段的模擬覆冰重物脫落；

4)預(yù)置時(shí)間KT1動(dòng)作完成后，常斷觸點(diǎn)KT1閉合，同時(shí)接通KT1的復(fù)位開關(guān)，KT1重新計(jì)時(shí)開始；

5)t1預(yù)置時(shí)間達(dá)到后，KM2重新得電， KM8接通，KM8的常閉觸點(diǎn)斷開使得M3失電磁性消失，覆冰集中荷載脫落;

6)如此往復(fù)，根據(jù)t1的預(yù)置時(shí)間，KM6至KM17的常閉觸點(diǎn)依次斷開，達(dá)到覆冰順序釋放的目的。

在圖2(b)中，右側(cè)電路為從中間到兩邊的控制電磁鐵磁性的釋放一次回路圖，即從中間到兩邊控制釋放電路的執(zhí)行電路圖；左側(cè)電路為從中間到兩邊的控制電磁鐵磁性的釋放二次回路圖，即從中間到兩邊控制釋放電路的控制電路圖。

從中間到兩邊控制釋放電路的運(yùn)行步驟如下：

1)首先設(shè)置好時(shí)間繼電器KT1和KT2的預(yù)置時(shí)間t1和t2;

2)按下控制按鈕SB1，此刻KM1被接通同時(shí)自鎖現(xiàn)象發(fā)生，KM2，KM4，KM11,KM12也瞬時(shí)接通，KM11和KM12的常閉觸點(diǎn)被打開，M6和M7由此失電磁性消失，中間兩個(gè)覆冰集中荷載脫落；

3)KM1接通時(shí)，KT1和KT2就開始計(jì)時(shí)，t1和t2的預(yù)置時(shí)間達(dá)到后，KT1和KT2延時(shí)觸點(diǎn)動(dòng)作KM2和KM4失電斷開，KM3和KM5瞬時(shí)得電接通，使KM10和KM13得電接通，KM10和KM13的常閉觸點(diǎn)打開使M5和M8失電磁性消失，模擬覆冰集中荷載重物脫落；

4)KT1和KT2計(jì)時(shí)完成后，KT1和KT2常斷觸點(diǎn)閉合，并接通KT1和KT2復(fù)位開關(guān)，KT1和KT2重新計(jì)時(shí)開始；

5)t1和t2的預(yù)置時(shí)間達(dá)到后，KM2和KM4再次得電，此時(shí)KM9和KM14被接通，KM9和KM14的常閉觸點(diǎn)斷開使得M4和M9失電磁性消失，集中荷載脫落;

6)如此往復(fù)，根據(jù)t1和t2的預(yù)置時(shí)間，KM6至KM11和KM12至KM17的常閉觸點(diǎn)依次斷開，達(dá)到覆冰中間到兩邊釋放的目的。

1.3 測量設(shè)備

跳躍位移采用高速攝像儀DIC-3D進(jìn)行采集，它是一個(gè)可以通過非接觸方式進(jìn)行光學(xué)三維變型測量，主要用于分析、計(jì)算和記錄變形，DIC-3D系統(tǒng)提供的包括數(shù)據(jù)、圖表和云圖等測量結(jié)果，能夠直觀清晰地反應(yīng)被測物體的變形行為，為用戶提供方便，測量精度達(dá)到了納米級(jí)別，所以，測量設(shè)備采用DIC-3D提高了試驗(yàn)的精度。

2 試驗(yàn)過程

脫冰試驗(yàn)工況見表2所示。通過固定質(zhì)量，來模擬一定長度單元上覆冰輸電導(dǎo)線上的冰荷載重量，實(shí)驗(yàn)采用導(dǎo)線上均勻分布12個(gè)集中荷載進(jìn)行，通過改變導(dǎo)線的脫冰速度、脫冰方向、高差的變化以及防震錘的有無，模擬不同工況下的導(dǎo)線脫冰。通過電磁鐵釋放器控制不同指定位置懸掛的重物脫落的脫冰順序，并利用高速攝像儀來記錄導(dǎo)線脫冰的跳躍位移。

表2 脫冰試驗(yàn)工況表

研究了不同傾斜角高差下對(duì)脫冰振動(dòng)的影響，設(shè)定傾斜角0°，5°，15°，30°，45°，60°和75°下脫冰跳躍的高度。為在山區(qū)大高差的輸電線路設(shè)計(jì)提供了理論支持及有價(jià)值的實(shí)用意義。

3 試驗(yàn)分析

3.1 脫冰速度的影響

等高差下分別設(shè)定時(shí)間繼電器為1 s，2 s和4 s，對(duì)應(yīng)脫冰速度分別為7.5 m/s鏈?zhǔn)矫摫?.75 m/s鏈?zhǔn)矫摫?.875 m/s鏈?zhǔn)矫摫?，脫冰方向全都設(shè)置為從中間到兩邊脫冰。并與瞬時(shí)脫冰進(jìn)行對(duì)比，得到不同脫冰速度下的脫冰位移響應(yīng)，如圖3所示。不同脫冰速度相對(duì)與瞬時(shí)脫冰下脫冰跳躍的最大高度降低百分比，如圖4所示。

圖3可以看出，不同脫冰速度下，脫冰響應(yīng)曲線不同，隨著速度的降低，脫冰跳躍的最大位移幅值在降低，脫冰響應(yīng)曲線的頻率有所下降，瞬時(shí)也可以了解到在脫冰完全之前，脫冰速度越大，脫冰跳躍最大幅值降低越多。另外，在脫冰完全穩(wěn)定之后，在所有脫冰速度工況下，脫冰響應(yīng)的內(nèi)力和位移均穩(wěn)定于同一狀態(tài)。

圖3 脫冰速度不同的響應(yīng)時(shí)程曲線

從圖4中可以看出，瞬時(shí)脫冰為最不利情況，脫冰跳躍高度最高，隨著脫冰速度的降低，脫冰跳躍最大高度也在降低，但是降低到一定速度之后脫冰跳躍最大高度基本上不變，此時(shí)脫冰跳躍高度跟同期脫冰跳躍高度相比降低50%左右。實(shí)際工程中脫冰并不是瞬時(shí)脫冰的，而是一定速度的鏈?zhǔn)矫摫?，所以此次試?yàn)也更加接近于實(shí)際工況，設(shè)計(jì)中采用瞬時(shí)脫冰是偏于保守的。

圖4 脫冰速度不同的最大跳躍高度降低比

3.2 防振錘效果

從圖5可知，加入防振錘后，脫冰跳躍最大位移降低幅值有所增大，頻率降低，同種工況下，防振錘能夠有效降低脫冰跳躍的最大高度，瞬時(shí)脫冰最大跳躍位移降低了20%，而鏈?zhǔn)矫摫畲筇S高度降低了35.88%。所以在鏈?zhǔn)矫摫蟹勒皴N的效果更加明顯。而實(shí)際工程中也是一個(gè)鏈?zhǔn)矫摫倪^程，防振錘可以很好地起到一個(gè)減振的效果，這為設(shè)計(jì)院中對(duì)于輸電線路的減振設(shè)計(jì)提供理論支撐。

圖5 考慮防振措施的脫冰時(shí)程曲線

3.3 不同傾角高差對(duì)脫冰振動(dòng)的影響

研究不同傾角高差對(duì)于線路脫冰振動(dòng)的影響。設(shè)計(jì)了高差傾角為0°，15°，45°和75° 4種鏈?zhǔn)矫摫碌墓r。保證各種工況下跨中的張力保持一致。脫冰方向從中間到兩邊，鏈?zhǔn)矫摫俣葹?.5 m/s為不變量，得到不同傾角高差下輸電線路跨中脫冰響應(yīng)如圖6所示。

從圖6可知，在不同傾角高差下，隨著高差傾角的增大，脫冰跳躍的最大跳躍位移一直在增大，脫冰振動(dòng)的時(shí)程曲線頻率在一直降低。不同傾角高差下脫冰跳躍的最大高度進(jìn)行分析如圖7。圖7表明，得到脫冰跳躍最大高度隨著不同傾角高差的增大而非線性增加，當(dāng)傾斜角度達(dá)到75°時(shí)，脫冰跳躍最大高度比沒有高差時(shí)增大了64.16%。這就給實(shí)際工況中設(shè)計(jì)不同高差輸電線路提供了理論支撐，特別是在山地上建立的大跨度大高差的輸電線路，要充分考慮這個(gè)因素，做好防振減振措施，避免不必要的事故發(fā)生。

圖6 傾角高差不同的響應(yīng)時(shí)程曲線

圖7 不同傾角高差下的脫冰跳躍最大高度

3.4 脫冰方向?qū)γ摫駝?dòng)的影響

在線路有高差環(huán)境下，線路的脫冰方向?qū)φ駝?dòng)響應(yīng)也有較大影響。這里研究不同脫冰方向?qū)τ诿摫駝?dòng)的響應(yīng)分析，典型高差為5°，設(shè)計(jì)了從中間到兩邊鏈?zhǔn)矫摫?，從低到高的鏈?zhǔn)矫摫蛷母叩降偷逆準(zhǔn)矫摫?種工況進(jìn)行脫冰方向的研究，脫冰速度取為7.5 m/s，測試得到不同脫冰方向的時(shí)間響應(yīng)時(shí)程曲線(圖8)。

圖8 脫冰方向不同的響應(yīng)時(shí)程曲線

從圖8可以看出，在有高差的工況中，脫冰跳躍的最大高度與脫冰方式或者方向有著密切的關(guān)系，其中從中間到兩邊的脫冰方式是最不利的情況，脫冰跳躍最大位移最大，頻率最大，而從較低端到較高端脫冰比從較高端到較低端的脫冰跳躍最大位移略高1.3%，所以它們的位移響應(yīng)幾乎相同，頻率幾乎一樣，但它們比從中間到兩端脫冰方式的脫冰跳躍最大高度降低了40%。

4 結(jié) 論

在已有脫冰實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)輸電線路脫冰振動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)研究，綜合考慮了在鏈?zhǔn)矫摫退矔r(shí)脫冰下的高差、防振措施、脫冰速度、脫冰率、覆冰厚度、脫冰方向等因素的工況研究，通過使用精度達(dá)到納米級(jí)別的高速攝像儀得到的脫冰振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線和分析對(duì)比后總結(jié)出如下的結(jié)論：

1)瞬時(shí)脫冰在不同脫冰速度為最不利情況，隨著脫冰速度的降低，脫冰跳躍最大高度降低，脫冰跳躍最大高度與瞬時(shí)脫冰跳躍高度相比最終趨于降低50%左右。

2)在有減振裝置如防振錘情況下，鏈?zhǔn)矫摫臏p振效果更加明顯。

3)脫冰跳躍最大高度隨著不同傾斜角高差的增大在非線性增加，脫冰振動(dòng)需要充分考慮高差的影響。

4)從中間到兩邊脫冰方式為最不利情況，實(shí)驗(yàn)案例表明，它們比從一端到另一端的脫冰方式的脫冰跳躍最大高度增大了40%。