輸電導(dǎo)線脫冰過程的動(dòng)力響應(yīng)分析

牛格圖，李孝林，張 鑫，劉佳瓊

（1.內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，呼和浩特 010010；2.重慶大學(xué)，重慶 400044）

0 引言

輸電導(dǎo)線是架空輸電線路的重要組成部分，也是輸配電系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要支撐。在我國南方地區(qū)及北方山谷等微氣象地區(qū)，一定的溫度、濕度和自然風(fēng)等氣象條件下導(dǎo)線易產(chǎn)生覆冰，覆冰脫落會(huì)引起導(dǎo)線上下劇烈振動(dòng)，甚至發(fā)生相間閃絡(luò)、導(dǎo)線斷線或桿塔傾倒等事故。因此有必要研究導(dǎo)線脫冰時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)。

文獻(xiàn)[1]通過實(shí)驗(yàn)研究了實(shí)際覆冰線路或?qū)嶒?yàn)室比例模型線路導(dǎo)線脫冰時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)。文獻(xiàn)[2]通過有限元分析模擬輸電線路脫冰后動(dòng)態(tài)響應(yīng)。而上述研究工作主要側(cè)重于分析導(dǎo)線脫冰時(shí)的整體跳躍行為或是張力變化情況，未能精確反饋導(dǎo)線上的應(yīng)力分布。本文以JL/G1A-400/35型導(dǎo)線為例，在采用簡化模型分析脫冰過程的基礎(chǔ)上，確定危險(xiǎn)區(qū)域，提取位移時(shí)程曲線和扭轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線，再將上述時(shí)程曲線作為邊界條件施加在節(jié)段精細(xì)化三維模型的兩端，進(jìn)而分析三維模型中的應(yīng)力分布情況。

1 輸電導(dǎo)線精細(xì)化模型的建立

輸電導(dǎo)線一般采用鋼芯鋁絞線。鋼芯鋁絞線是單層或多層鋁股線絞合在鍍鋅鋼芯線外的加強(qiáng)型導(dǎo)線[3]，各單線一般為圓截面，見圖1[4]。其中，鋼線主要用于承載，鋁線主要用于傳輸電能。鋼芯鋁絞線具有結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)維護(hù)方便、造價(jià)低、傳輸容量大、導(dǎo)電性能好和機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于不同電壓等級的架空輸配電線路中。

圖1 JL/G1A-400/35型鋼芯鋁絞線

1.1 輸電導(dǎo)線幾何模型

鋼芯鋁絞線的單線幾何模型可由圓截面繞圓柱螺旋線掃描建立。本文以JL/G1A-400/35型鋼芯鋁絞線為研究對象，采用SolidWorks建立導(dǎo)線的三維實(shí)體模型。導(dǎo)線參數(shù)見表1。導(dǎo)線模型見圖2。

表1 JL/G1A-400/35型導(dǎo)線參數(shù)

圖2 JL/G1A-400/35型導(dǎo)線三維實(shí)體模型

1.2 輸電導(dǎo)線三維精細(xì)有限元模型

將輸電線路幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型。參照文獻(xiàn)[5-6]，鋼-鋼、鋼-鋁和鋁-鋁的庫倫摩擦系數(shù)分別設(shè)定為0.3、0.5和0.5。由于導(dǎo)線內(nèi)各單線之間的摩擦多且繁雜，邊界條件非線性計(jì)算分析較為困難。本文采用ABAQUS中的自接觸來模擬這種復(fù)雜的接觸。經(jīng)驗(yàn)證[7]，這種自接觸能較好地模擬導(dǎo)線中的復(fù)雜接觸問題。導(dǎo)線有限元模型見圖3，模型長330 mm，共計(jì)46 520個(gè)C3D8R單元。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，采用鋼、鋁完全彈性模型，鋼的楊氏模量為196 000 MPa，鋁的楊氏模量為61 800 MPa，泊松比均設(shè)為0.3。

圖3 JL/G1A-400/35型導(dǎo)線有限元模型

2 導(dǎo)線脫冰動(dòng)力響應(yīng)的模擬

通常采用梁單元或線單元模擬輸電線路脫冰過程動(dòng)力響應(yīng)，這種簡化模型往往對導(dǎo)線內(nèi)的應(yīng)力估計(jì)不精確[8-11]。本文先通過簡化模型分析確定輸電線路脫冰過程中的危險(xiǎn)段，然后提取出危險(xiǎn)段處的位移和轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線。將該時(shí)程曲線作為節(jié)段精細(xì)模型的初始條件加在節(jié)段模型的兩端，進(jìn)而分析導(dǎo)線危險(xiǎn)段的應(yīng)力。

2.1 導(dǎo)線脫冰過程的簡化模型分析

在ABAQUS中采用Beam單元建立三檔導(dǎo)線模型，每檔檔距均為300 m，無高差。導(dǎo)線均勻覆冰，初始安裝張力為16.5 kN，覆冰厚度為25 mm。以施加重力的方式模擬冰載荷，去除重力的方式模擬脫冰過程，模擬中間檔完全脫冰、兩邊檔導(dǎo)線覆冰不變的工況。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，只考慮導(dǎo)線的彈性，導(dǎo)線的彈性模量和泊松比分別設(shè)置為65 000 MPa和0.3，導(dǎo)線的有限元模型見圖4。

圖4 三檔輸電導(dǎo)線有限元模型

分析脫冰過程發(fā)現(xiàn)，中間檔導(dǎo)線懸掛點(diǎn)附近應(yīng)力最大，為危險(xiǎn)區(qū)域[2，12-13]。取左懸掛點(diǎn)附近330 mm長的導(dǎo)線作為危險(xiǎn)段，從Beam模型計(jì)算結(jié)果中提取危險(xiǎn)段左右兩端的位移和扭轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線，見圖5。其中，U1為軸向，U2為豎直方向，U3為面外方向；UR1，UR2和UR3分別沿著U1，U2和U3方向扭轉(zhuǎn)。

由圖5（a）、（b）可以看出，導(dǎo)線脫冰主要發(fā)生平面內(nèi)的振動(dòng)，導(dǎo)線沿軸向的振動(dòng)幅值比沿豎直方向振動(dòng)的幅值大。從圖5（c）、（d）可以看出，導(dǎo)線主要沿U3轉(zhuǎn)動(dòng)，沿U1、U2的轉(zhuǎn)動(dòng)基本為0。而且，危險(xiǎn)段兩端的位移差值和轉(zhuǎn)角差值基本為0，說明導(dǎo)線在脫冰振動(dòng)時(shí)，剛性振動(dòng)占了絕大部分，是小應(yīng)變、大位移的大變形問題。

圖5 輸電線路位移時(shí)程曲線和扭轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線

從Beam模型中提取危險(xiǎn)段兩端的Mises應(yīng)力時(shí)程曲線，見圖6。從圖6可以看出，危險(xiǎn)段兩端的Mises應(yīng)力差值幾乎為0，和上述位移和轉(zhuǎn)角差值結(jié)論一致。以Beam單元計(jì)算脫冰過程危險(xiǎn)段的最大Mises應(yīng)力為181 MPa。

圖6 危險(xiǎn)段兩端Mises應(yīng)力時(shí)程曲線

2.2 導(dǎo)線脫冰過程的精細(xì)有限元分析

建立該危險(xiǎn)段的實(shí)體單元精細(xì)模型，將導(dǎo)線脫冰過程中危險(xiǎn)段的位移時(shí)程曲線和扭轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線分別加在實(shí)體模型的兩端，作為初始條件，計(jì)算節(jié)段實(shí)體模型在脫冰過程中的應(yīng)力分布。導(dǎo)線的應(yīng)力分布云圖見圖7。

圖7 導(dǎo)線節(jié)段模型的應(yīng)力分布

圖7（a）、（b）的上圖為包含全部導(dǎo)線的剖面圖，下圖為只包含鋁線的剖面圖。從圖7可以看出，導(dǎo)線節(jié)段模型發(fā)生拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形。由于覆冰較厚，脫冰率較大，1.4 s時(shí)，鋁線最大應(yīng)力達(dá)192 MPa，大于由Beam單元模擬導(dǎo)線時(shí)得到的應(yīng)力最大值。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，鋁的屈服應(yīng)力為167 MPa，因此鋁線進(jìn)入塑性屈服階段。

采用同樣方法，對JL/G1A-300/40型等其他導(dǎo)線脫冰后動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，Beam單元簡化模型計(jì)算的導(dǎo)線最大應(yīng)力低于三維實(shí)體精細(xì)化模型計(jì)算結(jié)果。

3 結(jié)論

本文基于導(dǎo)線的Beam單元簡化模型和三維實(shí)體精細(xì)化模型，以JL/G1A-400/35型導(dǎo)線為例，通過數(shù)值模擬方法研究導(dǎo)線的脫冰動(dòng)力響應(yīng)。得出結(jié)論如下。

（1）在考慮鋼、鋁材料彈性的情況下，安裝應(yīng)力為16.5 kN，覆冰25 mm時(shí)，導(dǎo)線在脫冰過程中鋁的應(yīng)力會(huì)超過其屈服極限。

（2）在輸電線路脫冰事故分析中，Beam單元簡化模型可能會(huì)低估導(dǎo)線的應(yīng)力；若需精確計(jì)算導(dǎo)線的應(yīng)力分布，應(yīng)考慮采用三維實(shí)體精細(xì)化模型進(jìn)行計(jì)算。

（3）對導(dǎo)線危險(xiǎn)段進(jìn)行局部三維實(shí)體精細(xì)化建模并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，能精確表征導(dǎo)線脫冰后動(dòng)力響應(yīng)過程中危險(xiǎn)段的應(yīng)力分布，比全部導(dǎo)線采用三維有限元模型計(jì)算更加高效實(shí)用。