塔线体系脱冰不平衡张力影响因素分析

1、塔线体系脱冰不平衡张力影响因素分析黄新波 1，徐冠华2，肖渊 3，朱永灿1，陈贵敏4 （1.西安工程大学电子信息学院， 陕西西安 710048；2.西北工业大学机电学院， 陕西西安 710072；3.西安工程大学机电工程学院，陕西西安 710048；4.西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安 710071） 摘 要：导线脱冰会引起导线张力剧烈变化，产生较大的张力差，容易对输电线路造成严重的电气或机械事故。为此利用有限元瞬态动力学方法，建立导线脱冰跳跃力学模型，对脱冰不平衡张力的多个影响因素进行分析，揭示各参数对不平衡张力的影响规律。结果表明：导线脱冰不平衡张力随覆冰厚度、脱冰档档距、脱冰量、突

2、变高差的增加而增加；导线脱冰不平衡张力随连续档数的增加而趋于稳定；当档距一定时，导线脱冰不平衡张力随悬垂绝缘子串长度的增加而减小；脱冰方式的不同对不平衡张力的影响较大。相关成果可为后续线路结构设计以及制定科学合理地除冰融冰措施提供借鉴作用。 关键词：输电线路；覆冰；脱冰；不平衡张力；仿真模拟；影响因素 0 引言 塔线体系覆冰导线在温度适宜、自然外力等情况下，导线覆冰突然脱落，引起相邻档之间的张力差剧烈变化，造成导线断股、绝缘子及金具破坏、输电塔变形甚至倒塔等严重事故，严重威胁电网系统的安全、可靠与稳定运行1-2 。目前线路设计中多数考虑的是静态载荷对塔线体系的影响，而动态载荷作用下对导线的作用

3、机理考虑甚少，存在一定的安全隐患，因此对导线脱冰引起的不平衡张力的变化机理进行研究是十分必要的。 文献 3在实验室进行多种脱冰模拟实验研究；文献4利用 ADINA软件研究分裂导线中的单根导线脱冰。文献5采用有限元法建立塔线体系精细化有限元模型，研究输电线路脱冰动力响应；文献 6 利用 ANSYS 软件建立导线 - 绝缘子模型，研究导线冰跳高度、张力、绝缘子串垂向载荷等脱冰动力响应；文献 7-8 采用悬挂集中载荷的方法模拟导线覆冰，研究脱冰量和脱冰方式的变化对导线覆冰脱落的影响。上述研究内容主要考虑的是导线脱冰对导线跳跃高度的影响规律，并未对导线脱冰不平衡张力进行较系统的分析。本文的主要目是借助

4、 ANSYS 软件，采用瞬态动力学方法，建立导线脱冰跳跃模型，对导线脱冰不平衡张力的变化机理进行系统性分析，获取不平衡张力的变化规律，为后续除冰融冰方法提供一定的借鉴作用。1 计算模型1.1 有限元模型 本文主要考虑的是导线覆冰脱落引起的相邻档导线张力的变化规律，并未考虑对输电塔的影响，因此对分析模型进行简化处理，忽略输电塔的影响，模型主要由 2 部分组成：导（地）线、绝缘子串。借助 ANSYS 软件，建立导线覆冰跳跃有限元模型，导（地）线采用杆单元 Link10 ，绝缘子采用杆单元 Link8 模拟，结合文献 9 提出的导线在自重条件下利用迭代法构造导（地）线的初始形态，其有限元模型如图1

5、所示，图 1 中 A 、B 、C、D 分别为导线悬挂点。绝缘子与横担之间的连接点以及模型两端导线悬挂点3 个方向的位移UX 、 UY 、 UZ 均为零。 图 1 导线 -绝缘子有限元模型 Fig.1 Finite element model of conductor-insulator 1.2 材料参数 结合工程实际，建立导线-绝缘子有限元模型，其导线模型参数，如表1 所示。表 1 导线特性参数Table 1 The characteristic parameters of conductor 1.3 载荷模拟 本文采用附加力模拟法模拟覆冰载荷，假设导线整档均匀覆冰，利用等间距的集中力代替覆冰

6、载荷，进行覆冰模拟，其每个集中载荷的质量F 的计算公式 5 为式中：m 为单位长度上导线覆冰质量， kg/m； 为覆冰密度， 900 kg/m3 ；D为导线外径， mm；b 为覆冰厚度， mm；L 为导线长度， m； n 为划分单元个数。 在 ANSYS 软件中采用瞬态动力学方法模拟脱冰载荷。利用突然撤载的方法，因实际中导线脱冰具有复杂性、随机性和不可控性，一般假设沿档距均匀脱冰，脱冰时间一般设置为0.02 s。 2 方法验证分析模型的合理性与准确性是仿真计算的基础，因试验条件有限，无法真实模拟覆冰导线脱冰现象，因此借助一些科研院所已做的实验结果与仿真结果进行对比分析，验证模型的正确性。2.1

7、 验证方法的正确性利用本文的建模方法与文献5 做的脱冰试验进行对比验证，其搭建的实验平台为孤立档235 m，导线张力为 25 320 N ，覆冰厚度为15 mm，导线型号为LGJ-300/40 ，跨中节点安置传感器实时监测张力。本文对该试验平台所做的试验进行仿真分析，其计算结果与试验结果如表2 所示，图2 为孤立档100%均匀脱冰情况下的导线张力变化时程曲线。图2导线张力时程曲线Fig.2 Time history of conductor tension 表 2 典型工况下导线张力值Table 2 The conductor tension forces under typical cond

8、itionskN 由表 2 和图 2 可知，实验数据与仿真数据之间的误差较小，张力的动态曲线与文献5 中曲线吻合。因此，验证本文的方法是合理可行的。2.2 验证模型参数考虑不同档距和自重条件下，有限元模型的正确性。引用文献 10-25中弧垂的理论计算公式，对比仿真结果与理论结果，其结果如表 3 所示。 表 3 仿真与理论弧垂值Table 3 Simulation value and theoretical value of sag ofconductor 档距 /m弧垂 /m 理论值仿真值误差 /%100 0.7080.692 200 3.041 2.975 2.26 300 7.296 7.

9、147 2.04 2.17 40013.371 13.090 50021.225 20.765 2.10 2.17 60030.844 30.159700 42.263 41.2672.36 800 54.088 55.467 2.222.49 3脱冰不平衡张力影响因素分析3.1 导线脱冰的动态过程导线覆冰脱落，会引起相邻档产生较大的张力差，造成严重的机械或电气事故。本节主要考虑导线脱冰的动态响应过程。计算模型取耐张段内的连续档， 模型为 L-L-L-L-L，档距 L 为 400 m，导线型号为LGJ-630/45 ，覆冰厚度为15 mm ，不考虑高差、风速的影响，脱冰方式为50%均匀脱冰。图

10、3 和图 4 分别为中间档脱冰不平衡张力的时程曲线、边档脱冰不平衡张力的时程曲线。图 3 中间档脱冰不平衡张力的时程曲线Fig.3 Time history of the unbalance tension of intermediate spanice-shedding 图 4 边档脱冰不平衡张力的时程曲线Fig.4 Time history of the unbalance tension of boundary spanice-shedding 由图 3 和图 4 可知，当塔线体系上的覆冰突然脱落时，相邻档产生的不平衡张力做同步低频运动。脱冰档的位置不同，其导线张力的变化趋势亦不同，其最

11、大脱冰不平衡张力值也相差较大。3.2 连续档数的影响考虑不同档数下，中间档脱冰，其他计算条件同3.1 节，获取其最大脱冰不平衡张力，如图5 所示。图 5 不同档数下最大不平衡张力的变化曲线Fig.5 Response of maximum unbalance tension for different number of spans 由图 5 可知，脱冰不平衡张力随着档数的增加而增加，当连续档数超过5 档时，其最大不平衡张力增幅较小，基本趋于稳定。3.3 脱冰方式的影响考虑计算条件同 3.1 节，分析不同脱冰方式下脱冰不平衡张力的变化规律，如图 7 所示，具体脱冰方式如图6 所示。图 6 脱冰

12、方式示意Fig.6 Schematic diagram of different types of ice-shedding图 7不同脱冰方式下最大不平衡张力的变化曲线Fig.7 Response of maximum unbalance tension for different types of ice-shedding 由图 7 可知，在不同脱冰量下，其最大脱冰不平衡张力均发生在方式 b 的脱冰方式下，随着脱冰量的增加脱冰方式c 下的不平衡张力增幅最大。所以在以后的人工除冰过程中，应该采取方式c，即从两边对称向跨中脱冰，尽量避免脱冰方式b。 3.4 脱冰量的影响计算模型为L-L-LS-L

13、-L ，其中 L 为 400 m，LS 为 200800 m，其他同 3.1节，分析脱冰量对导线脱冰不平衡张力的影响规律，脱冰量分别为 25%、50%、75% 、100%，计算结果如图8 所示。图8 不同脱冰量下最大不平衡张力的变化曲线Fig.8 Response of maximum unbalance tension for different ice-shedding rates 由图 8 可知，随着脱冰量的增加，导线脱冰不平衡张力呈递增的趋势，随着档距的增加，其导线脱冰不平衡张力的增长幅度比脱冰量的大。这是因为导线脱冰，覆冰导线的质量减小，导线发生剧烈运动产生较大的张力差。脱冰量越大，

14、导线质量越小，振动越剧烈，使得导线脱冰不平衡张力越大。3.5 高差大小的影响考虑计算条件同3.1 节，中间档脱冰，仅考虑脱冰档高差的变化对导线脱冰不平衡张力的影响，高差为0%，10%，20%，计算结果如图9 所示。图 9 不同高差下的最大不平衡张力的变化曲线Fig.9 Response of maximum unbalance tension for differentheight differences 由图 9 可知，对于突变的高差，随着高差的增加，其导线脱冰不平衡张力逐渐增加。因此，应该在高差变化较大的地形增加其输电塔承受不平衡张力的能力，保证输电线路安全运行。3.6 覆冰厚度的影响计算

15、模型为L-L-LS-L-L，其中L 为非脱冰档且档距为400 m，LS为脱冰档且档距为200800 m，其他计算条件同3.1 节，考虑覆冰厚度为 5 mm 、 10 mm、15 mm、 20 mm 、 25 mm、30 mm ，分析不同情况下导线脱冰不平衡张力的变化，其结果如图10所示。图 10 不同覆冰厚度下最大不平衡张力的变化曲线Fig.10 Response of maximum unbalance tension for differentice thickness 由图 10 可知，覆冰厚度越大，档距越大，脱冰后造成的脱冰不平衡张力越严重，发生意外事故的概率就越高。这是因为覆冰厚度越

16、大，整档导线的垂直档距增加，势能增大，当覆冰突然脱落，势能转化为弹性势能，导线张力剧烈变化， 引起不平衡张力变化显著。3.7 导线参数的影响计算条件同3.1 节，考虑 LGJ-630/45 、 LGJ-630/55 和LGJ-400/50 3 种导线，中间档脱冰，分析不同脱冰量下导线脱冰纵向不平衡张力的变化曲线，其结果如图11 所示。由图 11 可知，在相同脱冰量作用下， 3 种导线型号对导线脱冰不平衡张力的影响略有不同，随着脱冰量的增加，导线脱冰不平衡张力呈递增的趋势，其中LGJ-630/55 、 LGJ-400/50 、LGJ-630/45 的脱冰不平衡张力依次增加。 这是因为导线横截面和

17、刚度越小， 不平衡张力变化越显著。 3.8 绝缘子串的影响 图 11 不同脱冰量下最大不平衡张力的变化曲线Fig.11 Response of maximum unbalance tension for different ice-shedding rates 图 12 不同绝缘子串下最大不平衡张力的变化曲线Fig.12 Response of maximum unbalance tension for different insulator length 计算条件同 3.4 节，考虑不同绝缘子串对导线脱冰不平衡张力的影响规律，其结果如图12 所示。由图12 可知，当档距一定时，随着悬垂绝缘子

18、串长度的增加，其导线脱冰不平衡张力逐渐减小；随着档距的增加，导线脱冰不平衡张力近似呈线性增加。这是因为脱冰档脱冰后，脱冰档质量减小，绝缘子串长度越长，造成等效档距越大，导线脱冰不平衡张力就会越小。 4 结论 本文借助 ANSYS 软件，采用瞬态动力学方法，分析多种工况下导线脱冰不平衡张力的变化规律，得出如下结论。 （ 1）脱冰量、覆冰厚度对不平衡张力的影响较显著，随着覆冰厚度和脱冰量的增加，不平衡张力呈递增趋势； （2）从中间向两边对称脱冰时，不平衡张力变化最显著； （3）对于突变的高差，随着高差的增加，导线脱冰不平衡张力逐渐增加； （ 4）导线截面越小，刚度越小则导线越容易发生脱冰跳跃，其导

19、线脱冰不平衡张力越大； （ 5）当档距一定时，随着悬垂绝缘子串长度的增加，其导线脱冰不平衡张力逐渐减小；随着档距的增加，导线脱冰不平衡张力近似呈线性增加。参考文献：1 黄新波，陈荣贵， 王孝敬， 等输电线路在线监测与故障诊断M 北京：中国电力出版社，2008：157-196 2 王璋奇，齐立忠，杨文刚，等集中质量法模拟覆冰在架空线脱冰动张力实验中的适用性研究J 中国电机工程学报.2014， 34（12）：1982-1988 WANG Zhangqi,QI Lizhong,YANG Wengang,et al.Research on the applicability of lumped mas

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24、transmission linesJ.Proceedings of the CSEE,2008,28(6):1-6. 9 黄新波，马龙涛，肖渊，等均匀覆冰下的架空线有限元找形分析J 电力自动化设备，2014，34（ 6）：72-76 HUANG Xinbo,MA Longtao,XIAO Yuan,et al.Form-finding analysis based on finite element method for line with uniform ice-coatingJ.Electric Power Automation Equipment,2014,34(6):72-76. 1

25、0 赵玫，周海亭，陈光治，等机械振动与噪声学 M 北京：科学出版社， 2004 11 黄新波，徐冠华，肖渊，等输电线路档距组合对覆冰导线脱冰跳跃的影响 J 高电压技术，2015，41（ 7）：2356-2361 HUANG Xinbo,XU Guanhua,XIAO Yuan,et al.Impact of transmission line span combination on ice-shedding of iced conductorJ.High V oltage Engineering,2015,41(7):2356-2361. 12 孟晓波，王黎明，侯镭，等特高压输电线路导线脱冰跳

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36、coating galloping J.Electric Power,2010,43(3):27-30. Analysis on Influence Factors of Ice-Shedding Unbalanced Tension of Transmission Tower- Line System HUANG Xinbo1,XU Guanhua2,XIAO Yuan3,ZHU Yongcan1,CHEN Guimin4（1. College of Electronics and Information, Xian PolytechnicUniversity, Xi an 710048,

37、China; 2. School of Mechanical Engineering,Northwestern Polytechnical University, Xi an 710072 China; 3. College ofMechanical and Electrical Engineering, Xi an Polytechnic University, Xi an 710048, China; 4. College ofMechanical and Electrical Engineering, Xidian University, Xi an 710071, China） Abs

38、tract:Ice-shedding can cause sharp tension change of the conductor and produce greater tension differences,which can easily cause serious electrical or mechanical accident of transmission lines.Therefore,an ice-shedding vibration mechanical model of conductors is established by the finiteelement transient dynamic method to analyze the influence factors of ice-shedding unbalanced tensions and to reveal the influence characteristics of various parameters on t