輸電線路爆破除冰動態特性*

謝東升，孫 滔，史卓鵬，智生龍，史淋升，李海濤

（1. 國網山西省電力公司經濟技術研究院，山西 太原 030002；2. 中北大學理學院，山西 太原 030051）

電力系統是重要的生命線工程，保證它的安全穩定運行具有重要意義。輸電線路覆冰是威脅電力系統安全的重要因素之一，嚴重覆冰造成的線路過載荷和脫冰引起的導線舞動可能導致相間閃絡、金具損壞、跳閘停電等故障，甚至斷線倒塔等嚴重事故[1-2]。因此，覆冰輸電線路的除冰防治技術是電網建設中急需解決的重要課題之一。

目前，實際應用的輸電線路除冰方法主要有熱力融冰、機械除冰和被動除冰三類[3]。熱力融冰是利用附加熱源或導線自身發熱，使冰雪無法在導線上積累生長或使覆冰融化，熱力融冰雖然除冰效果明顯，但換流設備費用高且能耗較大；機械除冰利用機械外力使導線上的覆冰破碎脫落，除冰能耗小、費用低，但除冰效率低且需要人工參與[4]；被動除冰通過在導線上安裝阻雪環、平衡錘等裝置，在覆冰達到一定厚度時，在風力、溫度和重力等作用下使覆冰自然脫落，該方法除冰偶然性大，無法實現可靠除冰。此外，機器人除冰[5]、激光除冰[6]、超聲波除冰[7]等除冰技術也取得了一定的成效，但目前尚缺乏一種經濟高效、操作簡便的除冰技術。

近年來，宋巍等[8]、謝東升等[9]提出了將線性裝藥預設在輸電線路上，通過爆破的方法去除部分線路覆冰的新思路，并通過小尺寸覆冰輸電線的爆破實驗和數值模擬研究了藥量和裝藥間距對除冰效果的影響，初步驗證了爆破除冰的可行性，但未考慮除冰時脫冰振蕩對輸電線路的影響。覆冰脫落會引發輸電線大幅振蕩，可能會誘使其他位置的覆冰陸續脫落，除冰不當容易引發安全事故，因此有必要進一步對爆破載荷作用下輸電線的動力效應進行研究。

目前，已有實驗[10-12]和數值模擬[13-15]對輸電線路覆冰脫落的一系列研究，主要針對輸電線覆冰自然脫落的情形，對爆破載荷作用下線路脫冰的研究卻鮮有報道。本文中，設計單檔輸電線爆破除冰模型實驗，使用實際的鋼芯鋁絞線、鋼絞線和光纖復合地線，采用爆破方式將輸電線的人工覆冰部分去除，模擬輸電線在爆破載荷作用下的脫冰振蕩。測量覆冰脫落過程中的檔中位移和端部張力，得到輸電線爆破除冰的動力特性。此外，利用有限元方法對實驗工況進行數值模擬，將模擬結果與實驗數據進行驗證，在確定模擬方法合理性的基礎上，進一步利用模擬模型研究脫冰位置對輸電線爆破除冰動力特性的影響。

1 實驗過程

設計了檔距為50 m 的孤立檔輸電線路爆破除冰模型，輸電線采用2根LGJ-240/30型鋼芯鋁絞線、1根GJ-50鋼絞線和1根OPGW-24B1-50光纜，輸電線有關參數見表1。輸電線兩端串入拉力傳感器懸掛在兩側的水泥電桿（導線通過橫擔懸掛）上，在輸電線檔中測點引出細鋼絲繩，連接測點正下方固定在地面的拉線位移傳感器，實驗中鋼絲繩始終處于拉緊狀態。利用拉力傳感器和位移傳感器即可記錄除冰過程中輸電線的動張力和檔中位移的變化情況，傳感器及安裝位置如圖1所示，實驗模型如圖2所示。

圖1 傳感器及安裝Fig.1 Installation of sensors

圖2 實驗模型Fig.2 Experimental model

表1 輸電線物理參數Table 1 Physical parameters of transmission lines

拉線位移傳感器為EY503-5000系列，量程5 000 mm，傳感器精度5 mm；拉力傳感器為STC-1 500 kg，并利用DH3820高速靜態應變測試分析系統采集并輸出實驗數據，采樣頻率為50 Hz。

在輸電線爆破除冰實驗中，先在輸電線指定位置敷設導爆索，然后采用人工方式使輸電線表面真實覆冰，當覆冰達到一定厚度時通過引爆導爆索去除單根輸電線指定位置的覆冰，觀察除冰效果及輸電線振蕩對線路其他位置覆冰的影響，并測量脫冰振蕩過程中輸電線位移和張力的變化。將導爆索敷設在導線1、地線3和光纜4上，導線2不敷設導爆索，用于觀察同檔輸電線爆破除冰時對該導線覆冰的影響。自然條件下，在較長線路進行人工覆冰很難準確控制覆冰的均勻程度，不便于在相同覆冰條件下進行重復實驗，因此分別對三種輸電線進行一次爆破除冰實驗，通過有限元方法對實驗工況進行模擬驗證，再進一步利用數值模擬研究爆破位置對動態特性的影響。實驗中，為消除爆破位置特殊性對實驗結果的影響，輸電線上的導爆索采用隨機敷設，導線、地線和光纜分別間隔敷設3段、2段和1段導爆索，同一輸電線上導爆索之間使用導爆管連接，且通過導爆管雷管進行引爆，輸電線上導爆索敷設位置如圖3所示，實驗工況見表2。

圖3 導爆索敷設Fig.3 Setting of detonating cord

表2 實驗工況Table 2 Conditions of experiment

采用塑料導爆索太安裝藥（PETN），外徑為5 mm，裝藥線密度約為11 g/m。導爆索等間距平行敷設在導線下側，間距為50 mm。導爆索敷設完成后，對輸電線進行人工覆冰。在室外環境?15～?10℃條件下，利用高壓噴霧裝置在線路附近緩慢均勻噴射0℃水霧，連續作業2～3 h，完成模型線路覆冰。由于人工覆冰的線路較長，且覆冰情況受氣溫、風速等氣象條件的影響，線路覆冰并不均勻，厚度最大25 mm、最小10 mm，且形成了冰掛，類似凍雨天氣下輸電線上形成的雨凇，如圖4所示。為與預敷導爆索的輸電線自然覆冰情況相符，在人工覆冰過程中未對導爆索進行防護，因此導爆索表面也被覆冰包裹。覆冰完成后，采用單點起爆方式對輸電線進行爆破除冰實驗，觀察各工況下爆破除冰效果，并獲得了測點位移和動張力的時程響應。

圖4 架空線表面人工覆冰Fig.4 Artificial icing on surfaceof overhead transmission line

2 有限元數值模擬

為了對實驗結果的準確性進行驗證，進一步分析實驗現象以及爆破載荷作用下覆冰脫落的動力效應，使用有限元軟件ABAQUS對實驗線路進行建模，通過數值模擬對各實驗工況輸電線檔中位移和端部張力進行比較驗證；進一步研究除冰位置對輸電線脫冰動力效應的影響，并與相同條件下自然脫冰的動力效應進行對比分析。

在有限元軟件ABAQUS中，采用梁單元模擬角鋼橫擔，采用不可壓縮混合桿單元T3D2H 模擬輸電線，忽略水泥電桿的變形并簡化為剛體，采用附加冰單元法模擬輸電線覆冰脫落，忽略覆冰的不均勻性，覆冰截面形狀簡化為等截面圓環，用B31管梁單元模擬，冰單元與導線單元采用共節點綁定，覆冰密度設為0.92 g/cm3，彈性模量設為1 GPa。按照實驗模型相關參數信息建立有限元模型，并依據覆冰前測量的輸電線檔中弧垂（見表3）對線路進行找形分析，確定輸電線自重作用下的形態。再在輸電線模型上添加覆冰單元，根據覆冰前后檔中弧垂的變化，確定了覆冰單元的等效厚度以及輸電線覆冰后的形態。

表3 覆冰前后輸電線檔中弧垂及等效覆冰厚度Table 3 Sag of mid-point and equivalent thickness of transmission linebefore and after icing

模擬中，爆破載荷采用在單元節點上施加爆炸三角波載荷實現，三角波載荷利用CONWEP[16]方法計算得到，忽略了導爆索覆冰對爆炸效果的影響。該計算方法通過裝藥量和爆炸傳播距離得到爆炸載荷的峰值以及持續時間。實驗所用導爆索裝藥密度為11 g/m，導爆索與導線的間距為50 mm，計算得到簡化爆炸三角波的峰值為80 kN/m2，正壓持續時間約為20μs。

爆破載荷作用下覆冰脫落與否采用內聚力黏附力判定準則[17]進行判別，即覆冰受到的鉛垂方向慣性力大于覆冰與輸電線接觸面的黏附力或覆冰內部的內聚力時脫離輸電線。加速度形式的覆冰脫落判定準則為[17]：

式中：Dcable為輸電線的外徑（m）；D為覆冰輸電線的總外徑（m）；τad和τco為覆冰單元的黏結應力和內聚應力（Pa）；ρice為覆冰密度（kg/m3）。當覆冰的鉛垂方向加速度達到臨界加速度acritial時，判定覆冰單元失效。根據實驗中輸電線的相關參數，且人工覆冰的內聚強度和黏結強度分別取0.03和0.2 MPa[18]，由式（1）可計算得到導線、地線和光纜的臨界加速度acritial分別為8 382、8 439和8 409 m/s2。為充分考慮脫冰對輸電線路的影響，出于安全考慮，模擬中選三者最小值（8 382 m/s2）作為覆冰脫落準則的臨界加速度。

模擬中，覆冰脫落判定通過ABAQUS軟件中的場變量子程序USDFLD來實現，將式（1）作為判定條件寫入自定義子程序，作為覆冰單元脫落與否的判定。有限元分析過程中，子程序通過調用主程序中各單元的節點位移和時間增量，計算該時刻覆冰單元的加速度，并與設定的臨界加速度進行比較，以此決定覆冰是否脫落。進一步，子程序將判定為脫落的覆冰單元密度和剛度變為零，從而實現輸電線覆冰載荷的改變。

基于建立的實驗線路有限元模型，模擬輸電線自然脫冰時，覆冰脫落采用單元生死的方法實現，即在動力分析中，使用關鍵字Model Change使脫冰區域的覆冰單元失效，且模擬時間步長為0.01 s[19]。

3 結果與分析

3.1 除冰效果

三種工況的實驗結果表明，在除冰線路振蕩停止后，輸電線爆破區域的覆冰完全去除，非爆破區域的覆冰依然附著在輸電線上。觀察脫落的覆冰可以看出：爆破區域迎爆面的覆冰在爆破作用下直接粉碎；且覆冰內部形成了貫穿型裂紋，背部覆冰以塊狀解體脫落；非爆破區域的覆冰僅產生了細微裂紋，線路振蕩并未使其脫落，即未發生誘發脫冰現象，如圖5所示。此外，除冰時的爆破作用也未引起臨近輸電線的覆冰脫落。爆破除冰后輸電線表面未發現任何可見傷痕，說明導爆索爆炸載荷及導爆索覆冰破碎形成的顆粒并未對輸電線表面造成損傷。

圖5 爆破后的線路覆冰情況Fig.5 Icing situation of overhead transmission line after blasting

各工況的模擬結果也顯示僅爆破區域的覆冰發生脫落，脫冰情況與實驗結果相吻合。以工況3為例，圖6為爆破除冰過程中不同時刻導線加速度隨位置的變化曲線。在起爆時刻爆破區域覆冰的加速度達到了233 km/s2，遠大于覆冰脫落的臨界加速度8 382 m/s2，因此爆破區域覆冰脫落失效；除冰振蕩過程中非爆破區域輸電線加速度在8.29 ms時達到最大值108.8 m/s2，小于臨界加速度，所以輸電線振蕩未引起非爆破區域的覆冰脫落。

圖6 不同時刻導線加速度隨位置的變化Fig.6 Acceleration curvesof conductor with position at different times

3.2 跳躍高度和動張力

對爆破除冰過程中輸電線的跳躍幅值和端部動張力進行分析，除冰開始時刻設置為1 s。圖7～9為三種工況輸電線的檔中位移和動張力曲線，圖中同時給出了數值模擬結果。由圖可見：檔中位移模擬曲線與實驗結果基本吻合，模擬得到的跳躍幅值與實驗值接近，誤差均小于6%；動張力模擬結果在脫冰振蕩初期與實驗結果符合較好，動張力峰值及出現時刻與實驗結果較一致。這說明，除冰過程中導爆索覆冰破碎對輸電線動態特性的影響較小，可忽略影響。模擬結果與實驗的差異主要因模擬中采用均勻覆冰模型及對爆破載荷進行簡化所致。

圖7 工況1檔中位移和端部張力Fig.7 Mid-point displacement and end tensions under condition 1

圖8 工況2檔中位移和端部張力Fig.8 Mid-point displacement and end tensions under condition 2

圖9 工況3檔中位移和端部張力Fig.9 Mid-point displacement and end tensions under condition 3

爆破除冰時，爆破作用使爆破區域的覆冰脫落，由該區域覆冰而蓄積在輸電線中的彈性勢能得到釋放；另外，爆破載荷的沖擊作用使爆破區域輸電線獲得了向上的初始速度。兩方面的作用使輸電線快速向上運動，運動過程中彈性勢能、動能和重力勢能相互轉化，引發輸電線往復振蕩，與相同條件的自然脫冰相比，爆破沖擊作用使輸電線的振蕩更劇烈。由圖7～9可知，輸電線的跳躍幅值及動張力最大最小值均出現在第一個振蕩周期內，檔中最大反向位移明顯大于覆冰后的靜態位移，相對應地，動張力峰值與靜態張力相比也有顯著增大。

3.3 爆破位置對動態特性的影響

自然脫冰條件下輸電線跳躍幅值及動張力幅值均隨脫冰量增加而增大[20-21]，而爆破除冰時輸電線動力效應較自然脫冰更顯著，因此采用爆破方法除冰時單次脫冰量不宜過大。當脫冰量一定時，為確定更安全的爆破除冰方式，有必要分析爆破位置對除冰動態特性的影響。

基于建立的實驗線路有限元模型，參考實驗工況的爆破長度，選取爆破除冰量為20%，覆冰厚度設為12.5 mm，模擬了不同位置施加爆破載荷的除冰過程，并與相同條件下自然脫冰的模擬結果進行對比。

比較兩種脫冰方式下輸電線的跳躍幅值，如圖10所示。其中，輸電線脫冰位置和跳躍最高點位置為歸一化后的數值，即為脫冰段中點到最左端的距離與檔距的比值。兩種脫冰方式下輸電線的跳躍幅值隨脫冰位置的變化趨勢較相似：脫冰位置不在端部時，跳躍最大點均出現在脫冰段中點附近，且不同脫冰位置跳躍幅值接近；脫冰位置在端部時，跳躍最大點位于脫冰段靠近檔中一側邊緣附近，且跳躍幅值最小，這是由于靠近掛點處輸電線剛度較大。相同位置脫冰時，爆破除冰的跳躍幅值均大于自然脫冰，且除冰位置在端部時，爆破作用使跳躍幅值增長最明顯。三類輸電線中，地線和光纜重量較輕，爆破作用對跳躍幅值的影響更顯著，與相同位置自然脫冰相比跳躍幅值增幅均超過了40%，最大增幅超過了110%，而導線最大增幅僅為26%。

圖10 不同脫冰位置輸電線的跳躍幅值Fig.10 Jumping amplitude of conductor at different de-icing positions

圖11為兩種脫冰方式下動張力峰值隨脫冰位置的變化。由圖可知，爆破除冰時動張力峰值隨脫冰位置的變化趨勢與自然脫冰時相似，即脫冰位置越靠近檔中，動張力峰值越小。相同位置脫冰時，爆破除冰的動張力峰值均大于自然脫冰；而脫冰位置對兩種方式動張力峰值的變化幅值影響較小，各工況下動張力峰值的變化均在4.5%～10.5%。除檔中位置外，三種輸電線其他位置爆破時動張力峰值均大于除冰前的靜態張力。

圖11 不同脫冰位置輸電線動張力峰值Fig.11 Peak values of dynamic tension of transmission line at different de-icing positions

4 結 論

建立了檔距為50 m 的孤立檔輸電線路模型，進行了爆破除冰實驗，利用有限元軟件對實驗工況進行了模擬，實驗和模擬結果一致，驗證了模擬方法的正確性。在此基礎上，研究了20%脫冰量的情況下，脫冰位置對輸電線路動態效應的影響，得到以下結論。

（1）對于雨凇及黏結強度大的覆冰，適當條件下進行爆破除冰，只會引起輸電線爆破區域的覆冰發生脫落，利用此性質，可以控制輸電線的脫冰量，避免由于不可控的誘發脫冰造成事故。

（2）爆破除冰時，輸電線的跳躍幅值及動張力最大、最小值均出現在第一個振蕩周期內，檔中最大反向位移大于覆冰后的靜態位移。

（3）輸電線爆破除冰的跳躍幅值均大于相同位置的自然脫冰，跳躍幅值隨位置的變化趨勢與自然脫冰相似。三種輸電線中，地線和光纜的跳躍幅值受爆破作用影響更顯著。

（4）爆破位置越靠近檔中，輸電線動張力峰值越小。相同位置除冰時，爆破作用使動張力峰值大于自然脫冰的，且增長程度受脫冰位置影響較小。除檔中位置外，輸電線爆破除冰的動張力峰值均大于除冰前的靜態張力。