多跨覆冰導線脫冰振動模型風洞試驗研究

劉 敏， 晏致濤,2， 馮上銘, 游 溢,3

(1. 重慶大學 土木工程學院， 重慶 400045; 2. 重慶科技學院 建筑工程學院， 重慶 401331;3. 國網新疆電力公司 電力科學研究院， 烏魯木齊 830011)

輸電線路結冰的現象在我國廣泛存在，這種結冰過程是一伴隨著氣、固、液多介質的流動傳熱、熱力耦合等復雜現象的相變過程。覆冰導線脫冰可能造成金具、導線和桿塔等構件受力破壞，也可能會引起導線閃絡、燒斷等電力事故。繼2008年南方電網覆冰災害之后，2014年2月8日凌晨3時45分，甘肅隴南地區330 kV曬都線133號耐張塔發生覆冰倒塔，隨后95號耐張塔發生倒塔，96號直線塔塔頭損壞[1]。2015年11月6日～7日，沈陽、營口、大連一帶又一次發生了大規模覆冰氣象災害，遼南電網多條各等級輸電線路導地線嚴重覆冰斷線[2]。2016年3月3日，受暴雪大風天氣影響，國網烏魯木齊供電公司共5條24次輸電線路發生跳閘，其中220千伏1條1次，110千伏4條23次，主要因導線覆冰脫落產生的導地線脫冰跳躍距離不足放電所致。因此，研究覆冰導線脫冰后導線的振動響應對輸電線路設計導線間距、確保線路的安全運行具有重要的工程實用價值。

導線覆冰及其舞動問題的研究[3-5]較為充分，目前國內外對導線脫冰振動問題的研究在逐漸開展。Morgan等[6]在1964年開始對一個132 kV 五檔輸電線路作了一系列模擬試驗，通過在檔距中點釋放集中質量模擬導線脫冰，并測量了各檔的冰跳高度，完成了導線脫冰試驗研究。Jamaleddine等[7]在魁北克省電力研究院的人工氣候室內用 3.22 m 長的導線進行脫冰模擬試驗，測量了導線的最大上升高度、各掛點的張力變化及懸垂絕緣子串的位移和偏轉角度等。孟曉波等[8-10]在國網電科院武漢分院根據1 000 kV雙回輸電線路建立了235 m孤立檔和連續檔脫冰模擬試驗，測量了脫冰跳躍特性與脫冰位置、脫冰跨數等參數的對應關系，在自然條件下，完成了導線脫冰足尺試驗研究，試驗表明脫冰量一定時，脫冰位置越靠近懸垂絕緣子，振動響應越大。蔣興良等[11]在湖南雪峰山建立了自然覆冰試驗站，通過2 A/mm2直流電熔冰方法，觀測到覆冰脫落過程和導線跳躍高度。蘇士斌等[12-13]根據電磁脫冰方法，作了脫冰順序等多種參數不同的模型模擬試驗，進一步完善了脫冰參數化響應分析，在試驗模擬上離實際導線脫冰的方式更近了一步，試驗表明了雖然整檔同期脫冰的現象被觀測到的可能性較小，但引起的振動破壞性較大；同時也表明端部局部脫冰最大動態張力可能超過脫冰前的靜態張力。綜上，上述對覆冰脫落的模擬試驗研究考慮了溫度氣候的環境條件、脫冰響應的各種參數條件下脫冰后導線跳躍的高度及導線張力變化特性，尚未見到考慮風荷載作用下，導線脫冰試驗振動分析。覆冰導線在風荷載作用下脫冰的現象時有發生，風荷載是脫冰現象的誘導和影響因素。江全才等[14]在其有限元模型中分析了考慮脈動風速影響時導線跳躍高度、導線應力和導線不平衡張力的變化情況，但卻沒有做試驗研究來驗證他們數值模擬得到的結論。本文以在四川省成都市西南交通大學XNJD-3風洞中進行的16.2 m三跨導線在不同風速、不同脫冰量、不同脫冰位置和覆冰厚度不同等方式下進行的模擬試驗研究。

1 試驗設置的總體描述

1.1 模型設計

選取的實際工程段中應用耐張塔和直線塔這兩種輸電塔，總高度分別為51.8 m、54.5 m，三跨檔距均為270 m，總長270×3=810 m。西南交通大學XNJD-3風洞全長36 m、寬22.5 m、高4.5 m。風洞的動力系統由四臺直徑4.5 m、成平行排列的風機組成，試驗段最大風速不小于15 m/s且連續可調。為了讓輸電塔線體系模型能夠很好的再現輸電塔線原型的動力特性，考慮到試驗風洞實際高度和長度的限制，取試驗模型幾何相似比

cl=lm/lP=1/50

(1)

式中:lm為模型的長度；lP為原型的長度；cl為試驗模型與原型的長度相似比。取模型縮尺比為1∶50，有耐張塔模型全高1.036 m，直線塔模型全高1.09 m，模型每跨檔距5.4 m，總長16.2 m。

采用碳素線這種抗側彎能力低的材料模擬導線，考慮保證構件的拉伸剛度。計算得到輸電線的尺寸，根據現有材料規格選取10號碳素線，直徑0.62 mm。

在結構動力試驗中，要求輸電塔線體系原型與模型的質量分布相似，對應部分的質量成比例。輸電導線密度相似比

cρ=cE/cgcl

(2)

表1按照比例1∶50設計的導線模型輪廓尺寸與原型尺寸比較。

表1 導線原型與模型參數

輸電塔線體系模型除了應該滿足靜力結構模型相似的條件外，還要滿足在動力下對應的時間成比例[15]，時間相似比通過輸電線振動的周期公式來確定。脫冰振動發生在豎向平面內，只需關注豎向平面內振動周期的相似比

(3)

式中：d為垂度，垂度的相似比就是長度的相似比。速度相似比可由長度相似比與時間相似比推導而來，過程如下

(4)

輸電線路設計風速為27 m/s，根據相似比要求，風洞中試驗模型的風速擬定為3.82 m/s。

研究表明，采用集中荷載和均勻荷載時導線跳躍位移曲線和張力變化曲線基本吻合[16-18]，本文采用釋放集中荷載來模擬導線脫冰。每個集中荷載的質量根據式M=mL/n確定，式中：m為單位長度上導線覆冰的質量；L為每跨導線長度；n為懸掛重物數，取n=12。根據相似比制作的風洞試驗模型如圖1所示。

(a)風洞試驗模型側面圖(b)風洞試驗模型正面圖

圖1 XNJD-3風洞試驗模型

Fig.1 XNJD-3 wind tunnel model

通過并聯電路電流熔斷集中質量脫落的方法來模擬導線脫冰，開關閉合瞬間，1～12個集中荷載同時脫落。電路布置圖如圖2所示。

圖2 集中質量釋放原理

1.2 測量設備

風速的測量裝置用的是澳大利亞TFI公司進口的眼鏡蛇探針，長度155 mm，探頭最大寬度2.6 mm，可以同時測量水平順風向、水平橫風向和豎向風速，風速測試精度0.02 m/s，偏角測試精度1度，16位A/D采樣，響應頻率達2 000 Hz以上。由于風洞風機電壓設定的階梯性限制，本次試驗所用風速分別是3.86 m/s和4.56 m/s，湍流度分別是0.529%和0.834%，換算成縮尺前的試驗模型的風速為27 m/s和32 m/s，在輸電線路可能遇到的風速范圍內。

試驗中拉力測量系統用的是ADCras數據采集系統。應變傳感器接入到導線中，導線張力變化時，應變傳感器會產生相應的應變，電路經信號調理儀和通道數據采集箱，由PC機上的ADCras數據采集系統采集電壓時程信號。根據標定好的電壓信號與導線拉力的對應關系以及初始電壓信號值，就可以得出張力時程數據如圖3所示。

試驗中導線脫冰跳躍高度較大，用傳統的激光位移計檢測難以實現。所以本文采用“VIC-3D” 檢測試驗中的跳躍高度。VIC-3D所用的DIC(Digital Image Correlation)數字圖像相關技術，是一種通過圖像相關點進行對比的算法，通過該方法可計算出物體表面位移及應變分布。整個測量過程，只需以兩臺圖像采集器，拍攝變形前后待測物圖像，經運算后3D全場應變數據分 布即可一目了然。DIC方法獲得的數據為全場范圍內的3D數據。

圖3 導線張力測量系統

2 試驗過程

2.1 試驗工況

本文做一個關于脫冰振動現象的比例模型試驗研究，嚴格控制試驗條件用固定質量模擬冰荷載，每跨導線均勻分布12個集中荷載。在試驗階段設計7組工況，前三組工況分別釋放4、8和12個集中荷載，對應脫冰量為33.3%、66.6%和100%。后四組工況分別針對脫冰風速、脫冰跨位置和脫冰厚度與基礎工況T3進行對比。脫冰模擬方法圖如圖4所示，脫冰工況見表2。

表2 脫冰工況表

2.2 試驗操作

試驗中，給覆冰荷載通電，待覆冰荷載與導線間的連接保險絲熔斷，就完成了模擬覆冰導線脫冰的過程。試驗中位移測點的采樣頻率是30 Hz，采樣時間為10 s。導線張力測點和絕緣子軸力測點采樣頻率為512 Hz。采樣時間為10 s，其中0 s前為自重平衡階段，0 s時開始采集數據，1～2 s的反應時間后立即通電釋放荷載開始脫冰。熔斷時間極短，視為在瞬間完成。脫冰到10 s為體系振蕩階段。自脫冰開始(脫冰以人工熔斷連接荷載觸發)，10 s脫冰振動基本完成。覆冰脫落后，脫冰檔導線由于荷載突然的改變，脫冰導線開始跳躍振蕩，呈正弦波波形向遠端傳播，直至耐張塔。輸電線一直呈正弦波的形式振蕩，直到能量在塔-線體系阻尼的作用下消耗盡為止。

3 試驗結果

為方便與工程實例中的導線脫冰振動響應進行對比，全部試驗結果均根據相似準則處理為縮尺前對應的足尺模型，即三檔檔距270 m導線對應的脫冰響應結果。

圖4 脫冰試驗模擬及測點布置

3.1 脫冰量影響

試驗中，為測得體系的最大張力和最大導線位移，所測導線張力為邊跨端部的張力，脫冰位移的測點為冰跨的中點。選取脫冰跨為中間跨，脫冰厚度為30 mm，無風狀態下的三組工況T1、T2、T3進行對比。三組工況的脫冰量分別是33.3%、66.6%和100%脫冰，圖5為三種工況的脫冰響應時程曲線。

由圖5(a)可以看出，當脫冰量為33.3%、66.6%和100%脫冰時，脫冰跨的最大跳躍高度隨著脫冰量的增加從5.05 m增大到9.05 m，這是由于冰脫落對應的導線能量釋放隨著冰量的增加而增加，能量越大跳躍高度越大。隨著脫冰量的增加，脫冰跨導線振動周期有所減小且脫冰振動后的穩定靜態高度增大，產生這種結果的原因是脫冰量大的導線質量變輕，對應的垂度也會有所下降。

由圖5(b)和圖5(c)可以看出，當脫冰量增加時，導線的最大張力和懸垂絕緣子的最大軸力都會大于脫冰前靜態的導線張力和絕緣子軸力，如導線靜態張力為61.25 kN，最大動態張力為63.75 kN，絕緣子靜態軸力為12.88 kN，最大動態軸力13.50 kN，而最后穩定的導線張力和絕緣子軸力會隨著脫冰量的增加而減小。這是由能量的釋放和最終穩定后的導線重力決定的。

(a) 導線跳躍位移曲線

(b) 導線張力曲線

(c) 懸垂絕緣子軸力曲線

3.2 脫冰風速影響

隨著脫冰量的增大，架空導線脫冰振動響應增大。而在風荷載作用下，任何不同脫冰量的脫冰情況都有可能發生，江全才等在其文獻中選取了可能的脫冰量50%。因此本文選取可能出現的極端情況即脫冰跨為中間跨，均為整跨脫冰，覆冰厚度為30 mm，風速分別為無風、27 m/s和32 m/s的T3、T4和T5工況進行對比。得到風速不同時(三種工況)的脫冰響應時程曲線如圖6所示。

從圖6(a)中可以看出，風速不大時，導線最大跳躍高度沒有明顯的增大或減小，基本穩定在9.05 m，風速增大到32 m/s時，最大跳躍高度會減小到6.05 m。在風荷載作用下導線脫冰振動的時間隨著風速增加在大大縮短。

(a) 導線跳躍位移曲線

(b) 導線張力曲線

(c) 懸垂絕緣子軸力曲線

由圖6 (a)計算三種工況的阻尼比分別是0.017、0.026和0.027。可見由于風荷載的存在，導線振動過程中產生了氣動阻尼[19-20]。發生風致振動時，結構與來流間相對運動效應會使動力系統阻尼增大，而新增阻尼即為附加于結構的氣動阻尼。并且風速越大，氣動阻尼越大，導線脫冰的振動時間越短。

圖6 (b)和圖6(c)中顯示，脫冰前覆冰風速不同會產生不同的靜態導線張力和絕緣子軸力。隨著風速的增加，靜態導線張力分別從60 kN增大到80 kN，靜態絕緣子軸力從10.75 kN增大到30.63 kN和33.13 kN。在脫冰振動中，風速32 m/s的T5工況達到了最大導線張力85 kN和最大的絕緣子軸力35 kN。導線脫冰時，最大導線張力比脫冰前靜態導線張力大，絕緣子最大軸力比脫冰前靜態絕緣子軸力大。導線脫冰后的穩定靜態導線張力和絕緣子軸力隨著風速的增大而增大。

無風工況T3、有風工況T4和T5下導線脫冰的跨中運動軌跡如圖7。由圖中可以看出，在風荷載作用下導線脫冰風偏位移會增大，且風速越大這種風偏位移增加的越明顯。

圖7 導線跨中運動軌跡

3.3 脫冰跨位置影響

選取脫冰跨分別為邊跨(第一跨)和中間跨(第二跨)，覆冰厚度為30 mm，均為整跨脫冰，無風狀態下的兩組工況T6和T3進行對比。圖8為兩種工況的脫冰響應時程曲線。其中，對于邊跨脫冰工況，導線張力選取非脫冰邊跨導線端部的張力，絕緣子軸力選取兩非脫冰跨中間的懸垂絕緣子軸力。

由圖8(a)可以看出，邊跨和中間跨脫冰的最大位移分別是9.65 m和9.1 m，邊跨脫冰導線最大跳躍高度更高。邊跨脫冰的導線振動周期為0.59 s，中間跨脫冰的導線振動周期為0.53 s，邊跨脫冰的導線振動周期比中間跨脫冰的導線振動周期大10.7%。

圖8(b)和圖8(c)中邊跨脫冰時，導線的最大張力比中間跨脫冰產生的張力大。邊跨脫冰最大絕緣子軸力會比中間跨脫冰最大絕緣子軸力大。導線脫冰時，最大導線張力比脫冰前靜態導線張力大，絕緣子最大軸力比脫冰前靜態絕緣子軸力大。而且邊跨脫冰后的絕緣子軸力穩定在12.25 kN，跟脫冰前的靜態絕緣子軸力相差不大，中間跨脫冰的絕緣子軸力最后穩定在7.5 kN，相比脫冰前絕緣子軸力減小了大約40%。中間跨導線脫冰后穩定的導線張力比脫冰前的靜態導線張力減小了約10%。

3.4 脫冰厚度影響

選取脫冰跨為中間跨，均為整跨脫冰，無風狀態，覆冰厚度分別為20 mm和30 mm的T7和T3工況進行對比。覆冰厚度不同時的兩種工況的脫冰響應時程曲線如圖9所示。

由圖9(a)可以看出，覆冰厚度不同時，覆冰厚度大的導線在脫冰過程中的最大跳躍高度大。圖中顯示為20 mm厚冰脫落的跳躍高度為7.55 m，而30 mm冰厚脫冰跳躍高度為9.05 m，試驗結果滿足能量守恒定律。導線覆冰厚度越大，脫冰時導線振動周期越小，且脫冰振動后的穩定靜態高度越大。

從圖9(b)和圖9(c)可以看到，覆冰厚度不同會產生不同的靜態導線張力和絕緣子軸力，20 mm和30 mm冰厚的靜態導線張力分別從50 kN和60 kN，靜態絕緣子軸力為10.75 kN和12 kN。在脫冰振動中，30 mm厚T3工況達到了最大導線張力63.75 kN和最大的絕緣子軸力13.5 kN。導線脫冰時，最大導線張力比脫冰前靜態導線張力大，絕緣子最大軸力比脫冰前靜態絕緣子軸力大。導線脫冰后的穩定靜態導線張力和絕緣子軸力隨著導線脫冰厚度的增大而增大。

(a) 導線跳躍位移曲線

(b) 導線張力曲線

(c) 懸垂絕緣子軸力曲線

(a) 導線跳躍位移曲線

(b) 導線張力曲線

(c) 懸垂絕緣子軸力曲線

4 結 論

通過釋放集中荷載模擬輸電導線脫冰，在三檔270 m檔距的1∶50縮尺模型上進行了七種工況的導線脫冰跳躍風洞試驗研究，經對比分析這7種工況，可得出如下結論：

(1) 相同導線配置條件下，導線的脫冰跳躍高度隨脫冰量、脫冰厚度的增加而增加，隨著風速的增大而減小。邊跨脫冰導線的最大跳躍高度比邊跨脫冰導線最大跳躍高度大，現有輸電線路規范規定僅驗算中跨脫冰可能會偏不安全。

(2) 導線的動態張力最大值隨著脫冰量、脫冰厚度、風速的增大而增大，邊跨脫冰時導線最大張力比中間跨脫冰時導線最大張力大。

(3) 絕緣子的最大軸力隨著脫冰量、脫冰厚度、風速的增大而增大，邊跨脫冰絕緣子最大軸力比中間跨脫冰時絕緣子最大軸力大。脫冰時絕緣子最大軸力比脫冰前靜態絕緣子軸力大。

(4) 三跨導線脫冰時，最大導線張力比脫冰前靜態導線張力大，與單跨導線脫冰時動態張力最大值不高于脫冰前的靜態張力結論不同。導線脫冰后的穩定靜態導線張力和絕緣子軸力隨著風速的增大而增大，隨著脫冰量的增大而減小。

(5) 脫冰時導線振動周期隨著覆冰厚度和脫冰量的增大越小，邊跨脫冰的導線振動周期比中間跨脫冰時周期大10%以上。

(6) 風荷載的存在增大了脫冰導線的風偏位移，也增大了導線的氣動阻尼。

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