输电线覆冰脱冰的模拟方法和动力效应研究

输电线覆冰脱冰的模拟方法和动力效应研究摘要：以实际工程中的某条线路为研究对象,建立输电塔线祸合体系的空间有限元模型。首先对导线覆冰、脱冰进行有限元分析。采用相同算例,分析附加冰单元法、改变密度法和附加力模拟法这三种常用方法的适用性,提供计算参数的合理建议值。其次,本文还对输电塔线路的实际模型进行参数分析,选取输电线的某一单元进行模型模拟试验。另外,本文通过对地线、导线的脱冰工况进行模拟分析,分别得出脱冰跳跃高度和脱冰前后弧垂差之间的定量关系以及相邻跨输电线不平衡张力的动力放大系数，并且该试验分为单导线，单地线，全导线，全地线等工况进行试验分析比较。关键词：输电塔线体系;覆冰;脱冰;模拟方法;脱冰跳高由覆冰、舞动引起的输电线路倒杆（塔）、断线及跳闸事故，严重威胁到电网的安全稳定运行及供电可靠性。1覆冰形成原因和过程导线覆冰首先是由气象条件决定的，是受温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素决定的综合物理现象。云中或雾中的水滴在0℃或更低时与输电线路导线表面碰撞并冻结时，覆冰现象就产生了。贵州省地处云贵高原，海拔在1500m以上，境内沟壑纵横，地势高低不平，空气潮湿，受西伯利亚寒流和太平洋暖湿气流的共同影响，2008年初贵州大面积的遭受了覆冰危害。导线表面发生覆冰现象必须满足以下几个条件：大气中必须有足够的过冷却水滴，过冷却水滴与导线接触，过冷却水滴立即冻结在导线表面。导线覆冰的基本物理过程是严冬或初春季节，当气温下降至-5～0℃，风速为3～15m/s时，如遇大雾或毛毛雨，首先将在导线上形成雨凇，这时如果气温再升高，雨凇则开始融化，如天气继续转晴，则覆冰过程就停止；这时如果天气骤然变冷，出现雨雪天气，冻雨和雪则在粘结强度较高的雨凇面上迅速增长，形成较厚的冰层；如温度继续下降至-15～-8℃，原有冰层外则积覆雾凇。在这样一个过程中，出现多次晴～冷变化天气，短暂的融化加强了冰的密度，如此往复发展将形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。2输电线路覆冰危害的特点线路覆冰倒杆（塔）断线的特点：一是由于覆冰时杆（塔）两侧的张力不平衡造成的。在一些地形起伏较大的地区，两相邻的杆（塔）在高度和距离上存在很大的差距，在还未覆冰时两侧就形成了较大的不平衡张力，当线路上出现大密度的覆冰时，杆（塔）两侧的不平衡张力加剧，当张力不断加大，直至到达杆（塔）、导线所能承受的极限时，就出现了导线断落或杆（塔）倒塌的现象。因此，在灾后恢复和未来的设计改造中，应尽量避免大高度差、大距离和大转角。二是线路上有大密度的雨凇覆冰时，因为雨凇覆冰是“湿”度增长过程，其粘附能力强，不易掉落。在风的激励下，导线会产生大振幅、低频率的自激振动。当舞动的时间过长时，会使导线、绝缘子、金具、杆（塔）受不平衡冲击疲劳损伤。3输电线路的组成为保证输电线路带电导线与地面之间保持一定距离,必须用杆塔支撑导线,如下图所示。相邻杆塔中心线之间的水平距离L称为档距,相邻两基杆塔之间的几个档距组成一个耐张端,如图中#5一#9杆塔为一个耐张段,该耐张段由4个档距组成。如果耐张段中只有一个档距则成为孤立档,如图中#9磷10杆塔之间。一条输电线路总是由多个耐张段组成的,其中包括孤立档。输电线路的组成架空输电线路的组成元件主要有导线、避雷线(或称架空地线,简称地线)、绝缘子、金具、杆塔、拉线和基础。(l)导线用来传输电流、输送电能。一般输电线路每相采用单根导线,对于超高压大容量输电线路,为了减少电晕以降低电能损耗,并减小对无线电、电视等的干扰,多采用相分裂导线,即每相采用两根、三根、四根或更多根子导线。(2)避雷线悬挂于杆塔顶部,并在每基杆塔上均通过接地线与接地体相连接。当雷电放电击穿线路时,因避雷线位于导线的上方,雷首先击中避雷线,并借以将雷电电流通过接地体泄入大地,从而减少雷击导线的概率,保护线路绝缘免遭雷电过电压的破坏,起到防雷保护作用,保证线路安全运行。(3)绝缘子是线路绝缘的主要元件,用来支承或悬吊导线使之与杆塔绝缘,保证线路有可靠的电气绝缘强度。绝缘子按其结构不同分为针式绝缘子、瓷横担绝缘子和悬式绝缘子等。4输电线路覆冰研究概况输电线覆冰脱冰问题的研究方法一般有:现场实测、模型试验及数值模拟等。由于现场实测所需代价昂贵,且受天气条件限制较多,所得的成果非常少;模型试验由于很难真实地模拟导线覆冰和脱冰的情况,通常采用集中质量块模拟覆冰,用释放集中质量块的方法来模拟覆冰脱落,这样做与真实情况有一些出入,所得的成果也不多;采用数值模拟研究成本低廉,且可以根据需要很方便地改变计算条件,同时模拟也具有较高的可信度,国内外学者得出了大量的有意义的研究成果。4.1现场模拟实测输电线路进行了现场实测,该试验采用5mm，10mm，15mm，20mm覆冰脱冰对输电线塔进行动力研究。用悬挂重物模拟覆冰荷载,主要观测导线的脱冰跳跃高度,并将实测数据与理论值相比较。经试验，能够发现导线脱冰跳跃严重危害线路的安全运行,并且重冰区输电线的相间闪络一般只能通过加大各相导线之间的水平距离来防止。现场悬挂重物模拟而脱冰试验则采用剪负重线的方式来模拟，具体如下措施：脱冰模拟试验该试验可模拟单根导线脱冰试验，单根地线脱冰，全部导线脱冰和全部地线脱冰等试验。导线脱冰后的跳跃观测在剪断负重线后，观测并记录导线或者地线的反弹效应。4.2有限单元模型试验采用跌落质量块的方法来模拟覆冰脱落,得出导线脱冰的静态和动态响应。为检验试验数据的合理性，可根据验模型建立相应的ADINA有限元模型进行校验,根据实际要求应为两种方法得出的结果很相近。如果采用有限元方法对输电导线的覆冰脱冰进行模拟,概括起来主要有以下三种模拟方法:(1)附加冰单元法某种机械除冰器械的除冰原理,采用有限元方法(ADINA)模拟导线覆冰在冲击荷载作用下的脱冰,得出导线脱冰后的响应,并模拟出不同冲击荷载作用下的不同除冰效果。(2)改变密度法采用ADINA有限元分析软件建立输电线路的有限元模型,对导线的覆冰、脱冰采用改变导线密度的方法来实现,并得出根据冰厚、档距、高差、档数、荷载分布和脱冰状况等工况的模拟结果。(3)附加力模拟法在ADINA中采用十个等间距的集中力来模拟导线覆冰,利用突然释放外力来模拟脱冰。由于该方法采用几个集中力来模拟均布的覆冰荷载,其精确度不高。5导线脱冰跳高公式(1)Morgan(1964)结合了实验数据,通过理论推导得出理论公式：)1()/(83xEllH其中：中H为导线脱冰跳跃高度,l为导线跨长,a为导线覆冰后应力,E为导线弹性模量,x为导线悬挂点水平位移。(2)朱呈(2006)通过统计观测数据,得出的经验公式：310)2000(lfHΔf为导线脱冰前后的弧垂差。(3)严波(2009)采用全跨覆冰,跨中脱冰的七档四分裂导线,跨长50Om。分析了众多工况下导线跳跃高度与覆冰弧垂差的关系,得出拟合公式：fH85.1(4))Kalman(2007)根据能量守恒推出理论公式cos432EHγ为导线比重,β为导线悬挂点高差角。（1）输电塔线体系的有限元建模方法并进行试验。并将输电线的计算结果与以往的理论研究进行对比,来验证本文建模方法的正确性。（2）研究输电线覆冰、脱冰的静力问题和动力响应,并对其进行了参数分析,确定覆冰参数的选取对数值模拟的影响。建立塔线体系,确定输电线单元划分个数、档数以及输电塔刚度对计算的影响,确定合适的有限元模型。（3）分别建立地线、导线的有限元模型,系统分析了不同参数(档距、冰厚、输电线垂跨比等)在覆冰、脱冰作用下对输电线跨中位移的影响。分析了输电线路覆冰弧垂与动态脱冰最大位移的定量关系,给出拟合公式。4.3对输电线脱冰的模拟根据输电线覆冰、脱冰的实际情况,采取以下几个步骤:(1)计算塔线体系在自重作用下的平衡;(2)计算导(地)线在一定厚度均匀覆冰作用下塔线体系的平衡;(3)某根输电线的覆冰在很短的时间内突然脱落;(4)覆冰脱落后塔线体系的响应。很显然,覆冰输电线的拉力将由输电线单元的抗拉刚度''AE与冰单元的抗拉刚度AE共同承担。这样冰单元抗拉刚度AE的选取会影响输电线和覆冰各自所承担的拉力。下面分别讨论冰的密度和弹性模量的选取对覆冰输电线的位移和应力的影响。首先固定冰的弹性模量,取以往研究中采用的10GPa。在覆冰厚度为30mm、密度为0.9g/cm^3,工况下,覆冰的单位质量为5.395kg/m,该数值在本节变密度计算中为恒定值。只考虑雨淞、湿雪两种易形成高荷载的覆冰类型,因此冰的密度范围可取0.3一0.9g/cm^3,假设冰密度在该范围内变化,每隔0.1g/cm^3取1个工况分析,共7个工况。下表给出了不同密度下覆冰的抗拉刚度的计算值。由表可知,随着冰密度的减小,冰的截面积增加,导致覆冰的抗拉刚度E切。增加。当冰密0.9g/cm^3变成0.3g/cm^3时,AE增加了2倍,冰与输电线抗拉刚度之比AE/''AE从1.09增加到3.27。建立不同覆冰参数的输电线有限元模型,分析覆冰参数的选取对有限元计算结果的影响,得到以下结论:(l)在分别采用附加冰单元法、改变密度法和附加力模拟法进行输电线覆冰的有限元模拟时,将有限元结果与公式求解结果进行比较,三者相当吻合,相互验证了方法使用的准确性。(2)采用附加冰单元法进行输电线覆冰脱冰研究时,以往学者取10GPa作为冰的弹性模量,在该取值下覆冰的应力会超过极限值,因此IOGPa的冰弹性模量取值不合理。通过算例分析,我们建议在采用附加冰单元法时,弹性模量应取不超10^7Pa,冰密度可取0.9g/cm^3。(3)在应用附加冰单元法,当参数取值合理(冰弹性模量不超过10^7Pa)时,该方法与改变密度法和附加力模拟法具有等价性,均适用于输电线覆冰脱冰的有限元分析。(4)在应用附加力模拟法进行覆冰脱冰模拟时,与附加冰单元法和改变密度法具有等价性,等间距集中荷载布置越密越精确,建议最少取每跨20个集中荷载。4.3.1冰跳高度的参数敏感性采用控制变量法研究单个参数对冰跳高度的影响，首先设定一个用来控制变量的标准模型，绝缘子串为复合材料，串型为I串，无高差，无横风，等档距500m。只改变需研究参数的参数值，其余参数与标准模型一致。导线脱冰方式有4种。方式1：均匀脱冰；方式2：跨中向两边对称非均匀脱冰；方式3：两边向跨中对称非均匀脱冰；方式4:左边向右边非均匀脱冰。脱冰量一定时，脱冰方式1导线冰跳高度和对塔的动荷载的峰值最小，方式2导线冰跳高度和对塔的动荷载的峰值最大，本文考虑最不利情况，都以方式2考虑导线脱冰。对于四分裂导线脱冰，可能是3根导线当中某几根导线脱冰，其他几根导线不脱冰，也可能是3根导线同时一起脱冰，由于3根导线所处的环境一样，3根导线同时一起脱冰的可能性是存在的，且3根导线同时脱冰导线的动力响应是最不利的。脱冰方式4.3.2冰跳高度的参数敏感性导线脱冰跳跃是一个导线的势能转化为动能的过程，冰跳高度的大小取决于转化过程中能量变化的大小，冰跳高度的参数敏感性同样可以能量转化的思想解释，如图所示，左图为未脱冰状态，脱冰跳跃相当于剪断左图中的绳子，右图为脱冰跳跃后最终的静止状态。随着脱冰率、覆冰厚度、跨距的增大，脱冰过程中转化的能量也随之增大，所的弧垂差，如果假设体系没有阻尼，则：2ykgmice2式中y___冰跳高度，icem___脱落冰块质量，k___导线等效刚度。iceiceicedDDm4)2(22相同覆冰厚度iced时，不同导线型号脱落冰块的质量取决于导线外径D。导线的等效刚度取决于导线的等效截面惯性矩。脱冰跳跃简化模型4.3.3冰跳高度简化公式为便于工程设计，工程界一直致力于研究得到导线冰跳高度的简化计算公式。冰跳高度的大小取决于冰跳过程中转化能量的大小，冰跳过程是一个重力势能转化动能的过程，故冰跳高度的大小取决于冰跳前后两个状态的重力势能的变化值，而重力势能的变化值与冰跳前后状态的弧垂直接相关。文献[11]给出了类似上述公式的简化计算公式，计算时需要知道导线脱冰前后两种静止状态的弧垂差，而对于多档输电线路，由于其