覆冰導線脫冰國內外研究簡述

陳開群

（國網江西省電力公司檢修分公司，江西 南昌330000）

1 背景

輸電線路覆冰對我國的危害比較嚴重，其中南方省份尤為嚴重如：湖南湖北等省份。輸電線路覆冰可以致使線路的機械性能和電氣性能迅速下降，從而導致各種各樣的覆冰事故發生，目前覆冰事故的發生，已嚴重的威脅了我國電力系統的正常運行。覆冰事故主要由以下幾種因素所引起：輸電線的覆冰過負載、覆冰導線舞動、覆冰導線脫冰跳躍等，由于這些問題的出現，從而導致輸電線路斷線、倒塔等一系列事故。

覆冰在輸電塔線體系上的荷載主要有兩種，靜力荷載和動力荷載。靜力荷載也就是覆冰的質量直接性的作用在輸電線上和塔上，從而直接增大了輸電線的張力；動力荷載主要也就是由于覆冰，使得導線的截面被改變，在溫度影響的情況下，則會誘發脫冰跳躍[6]。導線脫冰跳躍會導致導線間互相碰撞和鞭擊，可使導線的線股磨損，導線與絕緣子的連接處反復拗折，可導致材料疲勞破壞，引起輸電線斷股、斷線，更為嚴重的會引發倒塔等一系列安全事故[7]。在覆冰的影響下，塔線體系覆冰動力荷載的破壞性遠遠大于靜力荷載，尤其是在三相導線呈豎直排列的線路中，導線脫冰跳躍不僅能造成導線斷股、疲勞斷線事故，而且還會導致三相導線間距減小，容易造成導線閃絡和燒傷等事故。

在超高壓輸電線路中，輸電線的截面比較大，輸電線的分裂數比較多，因此如果遇上冰雪天氣，覆冰重量也會較大。由于溫度的影響，引起導線脫冰跳躍。導線脫冰跳躍容易導致導線較大幅度的跳躍，當導線跳躍時，將導致三相導線之間間隙變小，嚴重時可引起閃絡。此外，輸電線脫冰跳躍時，還會影響導線的懸掛點，也就是使得懸垂絕緣子產生一個較大的縱向不平衡張力，從而使得鐵塔產生較大的動態拉力，嚴重可引起鐵塔破壞。

覆冰的輸電線路，如果不同期脫冰，會給線路帶來比較嚴重的安全事故。隨著導線覆冰厚度的增大，導線的覆冰量也隨著增加，與之對應的導線張力也明顯增大，那么弧垂就會有所下降。當覆冰導線的大段脫冰或者整檔脫冰時，輸電線的彈性勢能會迅速的轉化為導線的動能，導致導線上下跳躍，使得導線相鄰的懸垂串產生劇烈擺動，兩端導線張力也有顯著的變化。隨著目前線路的緊張，增大了線路的檔距，導線也隨著增多了，如果覆冰厚度增大，那么覆冰脫落引起的危害將會更嚴重?？梢饘Ь€的跳躍幅度更大，導線的擺動導致輸電塔的瞬時振動將更加強烈，所以必須采取相對應的措施對導線覆冰脫落進行控制。

2 國內外發展動態及趨勢

2.1 國內研究現狀

一般情況下對輸電塔和導線分別視為柔性懸臂梁和弦線，建立輸電線路一塔兩線的連續體簡化力學模型。采用模態綜合法研究分析塔橫向振動與線面外振動耦合時的動力特性，給出鐵塔與導線振動頻率和振型的近似理論算法。針對典型線路的塔線耦合振動，分別采用理論算法和有限元方法對其動力特性做了計算。結果表明，兩種方法獲得的耦合系統的振動特性基本一致。

也有學者提出了輸電塔—線體系的多質點模型,在這個模型中將導線簡化為一系列集中質點,各個集中質點之間由不計質量的剛性桿連接,將輸電塔根據質量集中簡化一個豎向串聯的多自由度體系。在塔—線體系作平面外橫向振動時，可以將導線視為一條垂鏈，作平面內縱向振動時，將導線視為兩端固定的懸索結構,然后作者用能量原理分析了輸電塔—線體系的動力響應特性。

重慶大學高電壓與電工新技術教育部重點實驗室的學者研究我國冰害事故具有持續時間長、發生頻率高、覆蓋面積大等特點。國內許多學者研究了微氣象地區的嚴重覆冰會引起輸變電設備電氣性能和機械性能的下降,嚴重覆冰引起過荷載、不均勻覆冰或不同期脫冰引起張力差、絕緣子串覆冰閃絡及覆冰導線舞動是造成覆冰事故的主要原因。此外對冰害事故的監測手段和防冰除冰方法也進行了總結，并提出了防止覆冰事故的技術措施和方法的研究方向。

孟曉波、王黎明等人運用了中心差分的計算方法，建立了多檔導線的模型，所建模型應用于導線脫冰跳躍分析。而后又根據線路實際參數建立特高壓導線模型，分析在脫冰量、覆冰厚度、檔距大小、檔數、導線懸掛點高差等幾種不同的工況下，當導線不均勻脫冰時對特高壓輸電線路脫冰跳躍的影響，最后得出了導線跳躍高度和縱向不平衡張力隨各種影響因素變化的規律，為特高壓輸電線路設計提供了理論支持。

三峽大學機械與材料學院孟遂民、單魯平等人針對輸電線覆冰脫落使桿塔承受動態沖擊荷載和不平衡張力，且導線的上下跳躍減小了相間導線電氣間隙，采用有限元軟件構建了某跨越段線路三自由度模型，數值仿真計算了導線脫冰的動力響應，并分析了在風荷載作用下覆冰厚度、脫冰方式及導線應力對中間檔導線脫冰的動力影響。中國電力科學研究院和清華大學等學者分析在幾種不同因素的影響下，建立了三維多檔導線模型，進行了導線脫冰跳躍動力響應計算，更深入的研究了導線脫冰跳躍高度及掛點荷載的變化規律。

許多學者數值模擬了單根導線在沖擊荷載作用下，在荷載幅值，覆冰厚度和線路檔距三種不同的因素下，分析研究對除冰率的影響。隨著沖擊荷載幅值的增大，除冰率也增大。覆冰厚度和檔距越小，除冰率越大。

在研究覆冰導線脫冰時，單純的以單根導線作為研究對象根本無法代替多分裂導線的研究結果。所以，隨著研究的深入，浙江大學的某位學者建立了分裂導線-間隔棒耦合體系，研究分裂導線與合成單根導線的覆冰和脫冰等代性問題。得出如果在均勻覆冰的情況下，分裂導線可以等效為單根導線進行計算，導線等效直徑和等效覆冰厚度均為分裂導線的倍。同時也分析了三檔分裂導線中間檔單根子導線整檔脫冰以及中間檔單根子導線上單段次檔距不均勻脫冰情況。得出，當單根子導線發生整檔脫冰時，脫冰檔內的位移最大值一般都會發生在靠近檔距中央；單段次檔距不均勻脫冰時，最大值的響應規律不太明顯。這種將分裂導線等效成一根導線的計算，為以后的研究提供了極強的可用性方法。

浙江大學的某學者研究采用了有限元分析方法研究輸電塔線體系覆冰的靜力效應，再者對塔線體系的不同參數如：檔距、冰厚、脫冰位置、脫冰比例等進行分析，比較覆冰作用下塔線體系動力響應的影響。

華中科技大學的李黎等研究了輸電塔線體系脫冰跳躍反應的控制研究，建立了兩塔三線模型，僅僅是中間檔導線脫冰，研究導線脫冰對塔的振動研究，再者分析了在鐵塔的關鍵點處加裝粘彈鉛芯阻尼器后，分析安裝粘彈鉛芯阻尼器對鐵塔關鍵點的位移及減振效果。結果證明在塔頭上半部分和塔頭橫擔兩處布置粘彈鉛芯阻尼器，整個塔的最大順線向位移和豎向位移均能得到較好的減震效果。

2.2 國外研究現狀

國外學者G.M.cClure數值模擬了110kV線路在脫冰跳躍時的動態效應，僅僅建立了單跨和三跨雙回路導線的有限元模型，分析發現如果導線脫冰跳躍，可使導線產生振動幅度較大，所以需要使用類似于導線防舞器的裝置，用來防治當導線脫冰跳躍時帶來的事故。

國外學者在20世紀90年代利用ADINA軟件對架空線路的脫冰現象進行了模擬，并將之前得到的實驗模擬結論與仿真結果進行了對比，驗證了計算機仿真的可靠性，通過比較說明了該種方法的實用性，將研究方式由實驗轉為計算機，這一舉措不僅使脫冰問題能利用更簡便的方法進行研究，而且無論從材料、場地甚至是人力等方面都能得到優化利用。

2004年，學者Roshan Fekr等利用有限元方法，建立了孤立檔導線的模型，對其進行脫冰跳躍動力響應分析，以覆冰厚度作為工況對線路進行分析，此研究過程著重考慮了導線脫冰的動態過程，將整個脫冰過程作為分析對象，由于研究工況只有覆冰厚度一種，未能對其他工況進行研究使分析結論略顯單薄。學者Nilson Barbieri等在模擬過程中借助氣象學統計方法對所建立的輸電線路進行了脫冰跳躍的模擬，這種將氣象學方法引入導線脫冰問題研究的方法使問題的模擬和研究更具真實性。學者JIANG Xing-liang進行了改進，建立了多檔塔線體系的二維有限元模型，在各種不同脫冰工況下進行了分析研究輸電鐵塔和導線的動力響應。

國外學者Lehn建立多檔塔線體系有限元數值模型，分析了不同檔距和不同脈沖荷載工況下，僅僅研究在不同地線脫冰工況下，地線的位移、拉力等動力響應，分析了在進行除冰時，導線脫冰跳躍對地線力學性能的影響研究。

3 覆冰導線脫冰機理

主要分為以下三種形式：融化脫冰、升華脫冰以及機械外力脫冰。

（1）融化脫冰

融化脫冰就是當導線周圍溫度達到覆冰融點時，導線上的覆冰開始融化脫落。這種脫冰方式的決定因素為溫度是否達到覆冰融點，而使導線周圍溫度升高主要有兩種原因：覆冰外表面對流融化覆冰和內表面接觸融化覆冰。研究時假設覆冰附著在導線上是以環形附著，其與導線接觸一面為內表面，與大氣接觸的一面稱為外表面。

外表面對流融冰是覆冰的外表吸收熱量使其融化的過程，此過程的熱量來源主要有兩方面：一方面是氣溫升高與覆冰進行對流熱量傳遞，另一方面是陽光和大地的熱輻射傳給輸電線路引起覆冰融化脫落。由于此種方式脫冰的過程較為緩慢，一般要經過如下過程：覆冰外部在吸收熱量之后會發生融冰現象，隨著時間的推移，輸電線的局部會接觸陽光，溫度升高，此時覆冰的內外表面均開始融化，此過程較為緩慢，且脫冰方式可近似為均勻脫冰，不會對輸電線路造成過于嚴重的危害，一般不會形成振幅較大的導線脫冰跳躍。

內表面接觸融冰一般情況下，輸電線路都不會出現均勻覆冰的情況，這就使得在融冰過程中出現不均勻脫冰的情況。當導線上未覆冰的部分受熱后將熱量傳給輸電導線的其他部位，此時覆冰內表面就會形成一層液體，這種液體層就會降低輸電導線覆冰內表面的附著能力，引起脫冰。這個過程就是內表面接觸融冰。

由于導線覆冰與實際條件有關，如風速、溫度等，很難出現全部均勻覆冰的情況，尤其是在輸電塔附近極易出現偏心覆冰情況。當覆冰脫落時，這部分偏心覆冰由于內表面形成的液體層會使自身發生轉動，出現輸電塔附近導線覆冰比其他部位先行脫落的現象。這一現象會導致導線不均勻脫冰，不僅能引起大幅度的脫冰跳躍還能使得絕緣子掛點出現不平衡張力，當脫冰率較大時容易出現倒塔、斷線等危險。

（2）升華脫冰

升華是一種物理變化，是指物質從固態直接變成氣態的變化過程。這種過程對溫度沒有要求，即不需要達到融點就能發生。升華脫冰與覆冰周圍的溫度和風速有關，還在一定的程度上受空氣相對濕度的影響。升華脫冰是一個平緩的過程，是覆冰由固態直接以氣態的形式揮發到空氣中的過程，脫冰率也處于較低水平。因此很難出現大幅度輸電導線脫冰跳躍的情況，也是屬于對輸電線路危害較小的脫冰方式。

（3）機械外力脫冰

機械外力脫冰是在機械外力的作用下，將覆冰擊破脫掉的過程。這種脫冰形式涉及許多方面的技術，如防覆冰技術、機械融冰等，從力學角度分析包括靜力作用和動力作用兩方面。因此會出現拉伸扭轉等情況造成舞動等嚴重后果，對輸電線路的危害極其嚴重。

4 脫冰模擬介紹

目前,國內外對覆冰脫冰問題研究的有限元模擬方法大致有三種：（1）附加力模擬法，（2）附加冰單元法，（3）改變密度法。

（1）附加力模擬法

此方法是采用一系列等間距的集中力來模擬導線和地線覆冰的靜態荷載，也就是覆冰荷載采用集中力的形式施加在導線和地線各個相應的節點上。當建模分析時，首先應該根據公式計算出實際中一檔內導線和地線的覆冰荷載，然后把所算出的荷載平均的分配到一檔內導線和地線的各個節點上，其計算簡圖如圖1所示。

（2）附加冰單元法

在研究某些非連續過程或分析某一模型時，有時需要某個或某單元不存在，利用單元生死法就可以很好的解決這種問題。該種方法的實質就是對單元的剛度進行設置，原理是用一個足夠小的參數把它的剛度矩陣變的足夠小，被“殺死”單元的單元荷載等于0，其質量和參數都設為零。被“殺死”單元的質量不參與方程求解，單元的應變始終為0。單元“激活”則是將被“殺死”單元的剛度、質量、單元荷載等恢復真實取值的過程。此方法在數值模擬時，采用有限元中的“生死單元法”，用pipe梁單元模擬覆冰單元。通過激活或移除冰單元模擬輸電線的覆冰脫冰過程。

（3）改變密度法

改變密度法是通過改變導線的密度來等效覆冰脫冰荷載。其特點是只考慮覆冰的自重而不考慮其它因素的影響，對輸電導線進行靜力或動力分析，此方法原理較為簡單，在有限元程序設計中比較容易。在對覆冰脫冰進行數值模擬時，附加集中力比較方便，并且可以達到比較精確的計算精度。所以本文選擇的是附加集中力的方法模擬覆冰脫冰。

［1］蔣興良,馬俊,王少華.輸電線路冰害事故及原因分析[J].中國電力,2005,38(11)：27-30.

［2］苑吉河,蔣興良,易輝.輸電線路導線覆冰的國內外研究現狀[J].高電壓技術,2003,30(1)：6-9.

［3］呂玉祥,段曉麗,楊北革.架空輸電線路桿塔承受的導線覆冰冰重的研究[J].黑龍江電力,2010,32(3)：196-201.

［4］朱昌成,汪濤,何清.架空輸電線路防脫冰跳躍事故技術研究[J].湖北電力,2009,33(2)：11-13.

［5］陳勇,胡偉,王黎明.覆冰導線脫冰跳躍特性研究[J].中國電機工程學報,2009,29(28)：115-121.

［6］張子引,劉學軍.架空輸電線路連續檔不平衡張力計算[J].電力建設,2009,30：32-34.

［7］魯元兵.輸電線路覆冰脫落及斷線分析[D].浙江大學,2010.

［8］陳科全,嚴波,張宏雁.沖擊載荷下導線覆冰脫落過程的數值模擬[J].應用力學學報,2010,28(4)：761-766.

［9］尹鵬,李黎,張行.輸電線路脫冰跳躍反應控制研究[J].電網與水力發電進展,2008,24(3)：3-7.

［10］胡偉,陳勇,蔡煒,孟曉波.1000 kV交流同塔雙回輸電線路導線脫冰跳躍特性[J].高電壓技術,2010,36(1)：275-280.

［11］郎需軍,姚元璽,程學.山東電網500 kV輸電線路舞動治理新型子導線間隔棒的設計及應用[J].山東電力技術,2011：1-4.

［12］程思勇,薛志方.覆冰不平衡張力計算分析[J].電網與清潔能源,2011,27(2)：10-13.

［13］胡禮軍.衡州電網輸電線路冰災原因分析及應對措施[D].浙江大學,2010.

［14］孟曉波,王黎明,侯鐳.特高壓輸電線路導線脫冰跳躍動態特性[J].清華大學學報,2010,50(10)：1631-1636.

［15］孟遂民,單魯平,楊暘.輸電線脫冰跳躍過程仿真研究[J].水電能源科學,2010,28(2)：149-162.

［16］袁光輝.輸電塔線體系覆冰與脫冰的數值模擬研究[D].清華大學,2010.

［17］李黎,張行,尹鵬.大跨越輸電線路脫冰跳躍反應的控制研究[J].振動與沖擊,2008,27(10)：61-65.

［18］G McClure，MLapo inte.Modeling the structural dynamic response of overhead transmission lines[J].Computers&Structures,2003,81：825-834.

［19］Kalman T，Far zaneh M,McClure G.Numerical analysis of the dynamic effects of shock-load-inducedice shedding on overhead ground wires[J].Computers&Structures,2007,85：37-5383.

［20］Wang J，Lilien J L.Overhead electrical transmission line galloping：a full multi-span 3-DOF model，some applications and design recommendations[J].IEEE Trans.on Power Delivery,1998,13(3)：909-915.

［21］Nilson Barbieri,Oswaldo Honorato de Souza Junior，Renato Barbieri.Dynamic Analysis of Transmission Line Cables,Part 2-Damping Estimation[J].Me-chanical Systems and Signal Processing,2004,18(3)：672-681.

［22］Roshan Fekr M,McClur e G.Numerical analysis of the dynamic response of ice shedding on electrical transmission lines[J].Atmospheric Research,1998,46：1-11.

［23］FARZENEHM.Ice accretion on high-voltage conductors and insulators and related phenomena[J].Philosophical Tran of the Royal Society，2000(10)：2971-3005.

［24］Lehn，BaiHF.High-voltage transmission tower-line system subjected to disaster Loads[J].Progress in Natural Seienee,2006,16(9)：899-911.

［25］包陳,王呼佳.ANSYS工程分析進階實例[M].北京：水利水電出版社,2009,10：252-273.