架空输电线非同期脱冰跳跃动张力实验研究

王璋奇, 齐立忠, 王 剑, 王得文, 陈 原, 卢 毅

(1.华北电力大学 机械工程系，河北 保定 071003; 2. 国网冀北电力有限公司电力科学研究院,北京 100045)



架空输电线非同期脱冰跳跃动张力实验研究

王璋奇1, 齐立忠1, 王 剑1, 王得文2, 陈 原2, 卢 毅2

(1.华北电力大学 机械工程系，河北 保定 071003; 2. 国网冀北电力有限公司电力科学研究院,北京 100045)

利用架空输电线脱冰跳跃实验系统，通过模型实验来研究架空线非同期脱冰跳跃的动张力特性。实验设计了从一端往另一端、从两端往档中以及从档中往两端等三种“开拉链”式非同期脱冰方式，研究3种“开拉链”式的非同期脱冰形式对导线动张力的影响，结果表明：在相同的脱冰速度下，从档中往两端的非同期脱冰方式将在导线中产生较大的动张力波动。针对从一端往另一端的“开拉链”式非同期脱冰，研究了脱冰速度对导线动张力的影响，结果表明：脱冰时间间隔为数十毫秒量级时，脱冰速度越快导线动张力的波动越剧烈；脱冰时间间隔为数百毫秒量级时，架空输电线脱冰跳跃动张力以近似斜直线的形式衰减，并相对平缓地过渡到该导线的静态张力水平。

架空输电线；非同期脱冰跳跃；动张力

架空输电线覆冰是电网常见灾害之一，2008年初春在我国发生的冰雪灾害造成了超过14万基输电杆塔倒塌[1]，给电网造成了极大的损失。据灾后调查显示[2]，这次冰灾中90%左右的倒塔都是由于不均匀覆冰以及脱冰跳跃产生的纵向不平衡张力造成的。脱冰跳跃产生动张力的过程属于复杂强非线性过程，对该动力学过程进行研究十分必要。

输电线路工程分析中通常将架空导线的脱冰过程划分为同期脱冰和非同期脱冰两类，非同期脱冰又有顺序脱冰和随机脱冰之分，顺序脱冰是指附着在导线上的覆冰按照确定空间或时间序列，依次脱落的情形，而随机脱冰是指脱冰在时间和空间上都无规律可循的脱冰过程。架空导线覆冰后，受到不均匀日照、风吹、外界扰动等的作用时，档距内导线的局部位置处的覆冰会首先达到破碎或融化条件，并从导线上脱落下来，也就是导线的局部区域脱冰。导线局部覆冰的脱落相当于给导线局部施加一作用力，从而引起导线振动。这个振动将会使其余部分的导线和覆冰之间的黏附力变弱，结果导致脱冰区域的周边覆冰依次脱落。覆冰沿着导线长度方向按时间顺序依次脱落的形式称为“开拉链”(unzipping)式脱落[3-4]，它是一种典型的非同期脱冰形式。本文主要研究“开拉链”的方式和速度对导线动张力特性的影响规律。

国内外相关学者对整档和部分档同期脱冰进行了不少的研究[5-7]，主要集中在数值仿真和实验研究两方面。沈国辉等[8]采用有限元软件ABAQUS建立塔线体系模型，研究不同脱冰速度下非同期脱冰对架空线端部动张力的影响，但缺乏相应的实验结果验证。华北电力大学输电线路工程实验室搭建了一段档距为11.3 m的模拟架空线，开展了非同期脱冰实验的研究工作[9-10]。

在“开拉链”式的非同期脱冰实验中，“开拉链”的速度是影响脱冰现象的重要参数。在模拟实验中，脱冰的速度参数是由相邻质量块的脱落时间间隔Δt所决定的。脱落时间间隔Δt越小，则脱冰速度越大；脱落时间间隔Δt越长，则脱冰速度越小。实验架空线模拟覆冰的集中质量是等间距设置的，因此，采用各个重物脱落的时间间隔Δt可更直观地表达脱冰的速度参数。

早期的架空导线脱冰模拟实验较少考虑脱冰时间间隔Δt这一重要参数对脱冰过程的影响，相关文献主要集中于研究架空线整档同期脱冰跳跃特性，苏士斌曾对非同期脱冰的脱冰速度对导线动张力特性的影响情况进行了研究，但其脱冰速度较小、模拟覆冰的脱落时间间隔较长(≥1 s)，不能很好地反映实际情况下的导线动张力特性。

为此，在早期工作的基础上，华北电力大学输电线路工程实验室研制了一套新的架空输电线脱冰跳跃实验系统，可以实现毫秒级任意脱冰时序非同期脱冰实验。本文利用该实验系统，在一档距为40 m的模拟架空输电线进行非同期脱冰跳跃实验，采集并分析架空线端部动张力时程曲线，以研究其动力学特性。

1 架空输电线脱冰跳跃实验

1.1 架空输电线脱冰跳跃实验系统

架空输电线脱冰跳跃实验系统总体结构图如图1所示。计算机通过控制总线将若干脱冰控制箱连接起来，实现对单个脱冰控制箱的远程控制。架空导线脱冰振荡过程中的动张力则由安装于架空输电线两端的张力传感器采集，并经过变送器转换为标准模拟电压量为采集卡接收。

图1 架空输电线脱冰跳跃实验系统总体结构图Fig.1 Overall structural figure of ice shedding experiment system of the overhead transmission lines

实验系统包括三个部分，分别为脱冰跳跃实验模块、脱冰控制模块和动张力采集模块。

脱冰跳跃实验模块由两端的导线支架和架设的导线及覆冰模拟质量块组成，调整质量块可模拟不同厚度的覆冰。针对覆冰的模拟问题，KOLLR等[11-12]在架空线上用管套压实湿雪的方法模拟覆冰，该方法对气象条件要求苛刻，且可控性差；JAMALEDDINE等[13-14]提出了在架空线上悬挂重物来模拟覆冰情况。王璋奇等[15]对在架空线上等间距悬挂重物模拟覆冰的方法适用性进行了研究，结果表明该法可以很好地模拟真实覆冰的脱落情况。为此，本实验系统也采用在架空线上等间距悬挂重物的方式模拟覆冰情况。

脱冰控制模块实现对脱冰过程的主动控制。实验系统采用20路电磁铁吸附安装于架空线上的铁质轻吸盘以模拟覆冰工况[16-17]。每四个相邻的电磁铁分为一组连接到同一个脱冰控制装置上，每个脱冰控制装置通过485通信总线、控制总线和电源线连接到控制箱后连接到计算机上，计算机安装有脱冰控制软件，实现对每一台脱冰控制装置中的每一路电磁铁进行脱冰控制。由于每一路电磁铁可以单独控制，相互独立，因此可通过脱冰控制软件实现任意脱冰时序的设置，模拟出各种非同期脱冰工况。

动张力采集模块用于实时采集脱冰跳跃过程中架空输电线端部轴向张力信号，应用高精度采集卡DT9800采集，采样频率为1 000 Hz，AD采样精度为16位，后台软件可对张力等信号进行在线分析和处理。

1.2 脱冰跳跃实验工况

实验模型的档距为40 m，模拟钢芯铝绞线ACSR240/40的脱冰跳跃特性，其比载为25.66×10-3MPa/m，参考表1中覆冰前后比载变化，按照比例关系，钢芯铝绞线上所附冰层比载为19.879×10-3MPa/m，假设覆冰截面为圆环状，调整模拟块的质量，可使模拟的覆冰厚度处于10～15 mm，符合覆冰实验要求。架空输电线脱冰跳跃实验具体参数如表1所示。

如图1所示，本次实验中架空线上的等间距悬挂有20个重物，从左往右依次标记为1号～20号，各个重物脱冰时间之差为脱冰时间间隔，系统可设置的时间最小精度为1 ms，各重物坠落时间间隔可达毫秒级。为研究架空线脱冰速度更高情况下的脱冰跳跃特性，本文分别对十毫秒数量级和百毫秒数量级脱冰时间间隔进行实验研究。脱冰时间是指从脱冰开始到整个导线上覆冰全部脱落所用的时间；脱冰跳跃过程是指由脱冰开始到导线振动停止的整个过程。

表1 架空输电线脱冰跳跃实验参数表Tab.1 Ice shedding experiment parameterTable of overhead transmission lines

考虑脱冰时间间隔Δt和脱冰方式相结合可模拟不同脱冰工况。这里的非同期脱冰设置为：三种“开拉链”式的顺序脱冰形式(见图2)，并以不同的速度脱冰。

图2 “开拉链”式的顺序脱冰方式Fig.2 “Unzipping” type sequential ice shedding methods

在图2所示的“开拉链”式的顺序脱冰形式中，其中方式Ⅰ是从一端往另一端的“开拉链”式顺序脱冰。方式Ⅱ为从两端往档中的“开拉链”式顺序脱冰，其脱冰顺序为：以档中位置为对称点，同时从两端开始，依次坠落模拟质量块，直到中间位置。方式Ⅲ为从档中往两端的“开拉链”式顺序脱冰，脱冰顺序为：以档中位置为对称点，从中间位置的模拟质量块开始，依次坠落模拟质量块，直到两端的位置。

2 脱冰方式对架空输电线动张力的影响

2.1 实验结果

针对三种“开拉链”式顺序脱冰，选择脱冰速度参数Δt=30 ms和50 ms两种情况，进行导线脱冰跳跃过程中的动张力实验，此时的模拟覆冰全部脱落时间不超过0.5 s，脱冰开始的时刻设置为1.6 s，脱冰跳跃过程的信号记录时间延长到16 s。实验结果如图3～图6所示。

图3 脱冰导线动张力响应(方式Ⅰ，Δt=30 ms)Fig.3 Dynamic tension response of ice shedding (model Ⅰ , Δt =30 ms)

图4 脱冰导线动张力响应(方式Ⅰ，Δt =50 ms)Fig.4 Dynamic tension response of ice shedding (model Ⅰ, Δt =50 ms)

由图3和图4可知，脱冰速度参数Δt=30 ms和50 ms时，从一端往另一端的“开拉链”式顺序脱冰情况下，分别在架空线的两端所测得的动张力的时程变化基本一致，两条时程曲线几乎重合。

由图5和图6可知，架空线发生从档中往两端的“开拉链”式顺序脱冰时导线中动张力最小值和最大值均小于从两端往档中的“开拉链”式顺序脱冰时导线中的动张力，而且前者动张力最小值出现的时间要略早于后者。

图5 脱冰导线动张力响应(Δt =30 ms)Fig.5 Dynamic tension response of ice shedding(Δt =30 ms)

图6 脱冰导线动张力响应(Δt =50 ms)Fig.6 Dynamic tension response of ice shedding(Δt =50 ms)

2.2 分析讨论

在30 ms和50 ms脱冰间隔时序情况下，本文分析

从一端往另一端、从两端往档中和从档中往两端“开拉链”式顺序脱冰方式下架空线动张力的特性，特征参数如表2所示。

根据表2可知，三种脱冰方式中，不论是30 ms还是50 ms脱冰时序，从两端往档中脱冰方式下动张力最大值和最小值均最大；从档中往两端方式下动张力最大值与最小值之差最大，即波动幅度最大，而且此时动张力最大/最小值出现时刻较早，而从一端往另一端方式下动张力最大/最小值出现时刻较迟一些。

表2 不同脱冰方式动张力对比分析Tab.2 Comparison and analysis of dynamic tension under different ice shedding methods

3 脱冰速度对架空输电线动张力的影响

根据沈国辉等采用有限元仿真软件对非同期脱冰的研究，不同的架空输电线脱冰跳跃时间间隔对架空线脱冰跳跃过程中端部动张力影响很大，系统分别对十毫秒数量级时间间隔和百毫秒数量级时间间隔脱冰工况下的动张力进行采集对比与分析。

选择“开拉链”式顺序脱冰方式Ⅰ，脱冰时间间隔Δt分布设置为20 ms、30 ms和40 ms；50 ms、70 ms和90 ms；100 ms、200 ms和300 ms，进行实验，实验得到的架空线动张力的变化规律如图7所示。

图7 不同时间间隔下脱冰方式-动张力时程曲线Fig.7 Dynamic tension time-history curve under ice shedding method I in the order of different time intervals

当脱冰时间间隔Δt为20 ms、30 ms以及40 ms时，此时时间间隔较小，脱冰速度较快。由图7(a)可知，此时，随着脱冰时间间隔的增大，架空线动张力波动幅度减小，动张力极小值变大，动张力极大值变小，而且动张力最小值出现时间逐渐推迟。脱冰时间间隔越小，动张力衰减速率越快，随着时间间隔的增加，脱冰跳跃动作完成后，动张力波动幅度逐渐变小。这些规律在50 ms、70 ms和90 ms时间间隔工况下也有体现，具体如图7(b)所示。

由图7(c)可知，当脱冰时间间隔为100 ms、200 ms以及300 ms时，此时时间间隔为数百毫秒数量级，脱冰过程中，动张力首先以近似斜直线方式减小，而且当脱冰结束后动张力波动不大。随着脱冰时间间隔的增加，脱冰跳跃动张力波动衰减特性逐渐减弱，架空线端部动张力减小曲线形态愈发平缓，张力波动幅度也越小。

综合比较两种数量级脱冰时间间隔Δt时的脱冰跳跃动张力特性，架空线从一端往另一端非同期脱冰跳跃时，时间间隔越短，脱冰过程耗时越短，所造成的动张力波动幅值越大，线路越不安全；时间间隔Δt越大，动张力波动衰减特性也越弱，并以相对平稳的方式过渡到架空导线的稳定张力值，此时线路安全性提高。

4 结 论

本文采用架空输电线脱冰跳跃实验系统对一段模拟架空线进行非同期脱冰跳跃实验，针对不同脱冰跳跃方式和时间间隔工况下，脱冰时间间隔为十毫秒数量级和百毫秒数量级的非同期脱冰跳跃进行研究，系统采集脱冰跳跃过程中架空线端部动张力变化特性，并进行分析总结，得出以下几点结论：

(1)从档中往两端的“开拉链”式顺序脱冰比其余两种顺序脱冰产生的动张力波动幅值都大，而且此时的动张力的最大/最小值出现的时刻最早；而从一端往另一端的“开拉链”式顺序脱冰方式的动张力最大/最小值出现时刻最晚。

(2)当脱冰时间间隔为数十毫秒数量级时，脱冰时间间隔Δt越短，动张力波动幅度越大，且张力最大/最小值出现的时刻也越早。此时，动张力对架空导线的危害较大，在线路设计和说明计算中应该给予考虑。

(3)脱冰时间间隔Δt越大，架空输电线脱冰跳跃动张力波动幅度越小。当脱冰时间间隔Δt达到百毫秒数量级时，动张力以近似斜直线的形式减小，且随着脱冰时间间隔Δt的增长，导线动张力愈加相对平缓地过渡到导线的稳态张力，并且架空线脱冰动张力波动幅度也明显减小。此时，动张力对架空导线的危害较低。

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Experiments on the dynamic tension of an overhead conductor under the asynchronous ice shedding

WANG Zhangqi1, QI Lizhong1, WANG Jian1, WANG Dewen2, CHEN Yuan2, LU Yi2

(1. Department of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China;2. North China Electric Power Research Institute Co. Ltd., Beijing 100045, China)

On a transmission line ice shedding experiment system, the dynamic tension characteristics of conductors under asynchronous ice shedding were analysed. For investigating the effects of “unzipping” sequential ice shedding mode on the dynamic tension of conductors, three different ice shedding modes were designed in the tests. They are the ice shedding from terminal to terminal, from two ends to the middle of the span and from the middle to two ends of the span. The results show that the dynamic tension fluctuates more intensely when the ice shedding mode is from the middle to both ends of the span. The influence of ice shedding velocity on the dynamic tension of conductors was studied under the terminal to terminal ice shedding mode. The results show that with the time intervals in the order of magnitude of 10 milliseconds, the shorter the time interval, the more severe the tension fluctuation in conductors and with the time intervals in the order of magnitude of 100 milliseconds, the dynamic tensions in conductors will be attenuated in a linear style and transit steadyly to the static tensions in conductors.

overhead conductor; asynchronous ice shedding; dynamic tension

国家电网公司科技项目“先进复合材料芯导线使用关键技术研究”(1216713041)

2015-06-26 修改稿收到日期：2015-11-08

王璋奇 男，博士，教授，1964年5月生

TM726;O329

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.010