相间间隔棒对覆冰导线脱冰跳跃的抑制研究

孔 伟，赵飞桃，林泽楠

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林 132012;2.山东电力集团聊城供电公司，山东聊城 252000)

相间间隔棒对覆冰导线脱冰跳跃的抑制研究

孔 伟1，赵飞桃1，林泽楠2

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林 132012;2.山东电力集团聊城供电公司，山东聊城 252000)

针对覆冰导线脱冰跳跃引起的导线断股、疲劳断线、导线间闪络、短路等电气事故问题，阐述了塔线－相间间隔棒体系的有限元理论，建立了三相导线呈竖直排列的输电线路输电铁塔、线－相间间隔棒体系的有限元模型，分析了相间间隔棒对导线跳跃高度和导线挂点不平衡张力的抑制效果。研究结果表明，加装间隔棒可以有效抑制单相脱冰和两相同时脱冰，对导线的跳跃位移和导线挂点不平衡张力有很好的抑制作用。

覆冰导线;脱冰跳跃;不均匀脱冰;相间间隔棒;数值模拟

0 引言

在冬季，中国部分地区输电线路会出现覆冰情况，而且，随着天气变暖覆冰导线会自动脱冰。然而，在覆冰导线脱冰时，导线会产生跳跃性的剧烈运动，从而导致临相导线间隙减小，造成导线间闪络、短路和线路跳闸等故障;导线脱冰时会产生较大的冲击力，使绝缘子串挂点处受到较大不平衡张力，造成塔身塔材破坏、倒塔断线等机械事故。导线脱冰跳跃带来的危害严重影响输电线路的正常运行，国内外学者对导线脱冰跳跃及抑制问题进行了研究。加拿大的Janez学者通过建立有限元模型对110 kV线路的脱冰问题进行研究，研究表明脱冰跳跃使导线产生很大振幅［1-2］;中国电力科学研究院的杨风利等人通过建立塔线体系模型，进行导线脱冰跳跃的动力响应分析，得出了不同工况下导线跳跃高度、挂点荷载及塔材杆件内力的变化规律［3］;华中科技大学的李黎、张行等学者针对大跨越输电线路脱冰跳跃进行控制研究，重点在铁塔的塔头处加装粘弹铅芯阻尼器，研究表明阻尼器的加装对导线的脱冰跳跃有较好的减震效果［4］。因此，为了抑制覆冰导线脱冰跳跃对输电线路的影响，本文选取5D－SZ1型双回路直线塔的输电线路为工程研究对象，建立塔线体系和塔线体系－相间间隔棒的有限元模型，在无相间间隔棒和加装相间间隔棒情况下分别考虑不同的脱冰相数、脱冰量等因素的影响，研究导线脱冰跳跃时相间间隔棒对导线跳跃高度和导线挂点不平衡张力的抑制效果。

1 塔线－相间间隔棒体系的有限元理论

1.1 导线的悬链线理论及导线找形

参考DL/T 5092－1999P《110－500kV架空送电线路设计技术规程》［5］，导线的悬链线方程为

式中:σ0为架空线最低点处的应力;γ为沿架空线的均布比载。

导线找形方法一般分为小弹性模量找形法和重力自平衡找形法［6］。本文采用重力自平衡找形法对导线进行找形，通过对导线施加初应变的方式对其施加预应力，施加重力加速度［7］，以悬链线方程为理论基础进行迭代。在迭代的过程中对施加的初始应变进行修正，直到在重力作用下导线几何形状与理论值误差满足要求为止。

1.2 相间间隔棒大挠度后屈曲特性

相间间隔棒由玻璃纤维芯棒和硅橡胶护套组成复合绝缘结构，自重较轻，电气绝缘和机械性能较好，悬挂在临相导线间。当导线脱冰跳跃时，相间间隔棒使导线间运动相互制约［8］，从而达到对导线脱冰跳跃抑制的目的。

相间间隔棒的长细比大于200，研究表明:当间隔棒受压超过临界荷载时仍具有稳定的后屈曲特性;随着相间间隔棒侧向挠度的增加，间隔棒的承载能力也随之增强;相间间隔棒的大挠度试验验证了间隔棒的后屈曲特性，卸载后恢复性良好，相间间隔棒本身没有受到机械破坏［9］。

1.3 导线覆冰脱冰模拟方法

目前，模拟输电线路导线覆冰脱冰的方法有质量块法、单元生死法、Tamas模型法和等效荷载法。本文采用等效荷载法进行导线覆冰脱冰模拟，等效荷载法即先计算出导线覆冰的自重，然后把冰的自重均匀分散到导线单元的节点上。在实际线路中，导线脱冰是1个复杂和随机的过程，导线脱冰可分为均匀脱冰和非均匀脱冰，均匀脱冰和不均匀脱冰的形式如图1所示。本文脱冰方式选用非均匀脱冰。

2 塔线－相间间隔棒体系有限元模型

图1 脱冰模拟方法示意图

建立输电塔线－相间间隔棒体系的有限元模型，输电塔为5D－SZ1型双回路直线塔，导线4×LGJ－400/35为型四分裂钢芯铝绞线，地线为JLB1A－120－19型铝包钢绞线，绝缘子为FXB4－500/160棒形悬式复合绝缘子。档距布置为连续3档，档距均为500 m，不考虑高差的影响，在有限元模型中将四分裂导线简化成单根导线进行数值模拟。两塔三线输电塔线－相间间隔棒体系的有限元模型如图2所示。

图2 塔线－相间间隔棒体系有限元模型图

在有限元模型中，铁塔主材用BEAM189单元模拟，铁塔辅材用LINK8单元模拟;导线、地线用LINK10单元模拟;悬垂绝缘子、相间间隔棒用LINK8单元模拟。本文选取物理特性为半刚性相间间隔棒进行研究，即相间间隔棒两端为球铰结构，可沿任意方向转动，保证间隔棒在外界工况下只承受轴向力。根据现场实际经验，将相间间隔棒安装在0.47档距处、0.53档距处(1×2)，相间间隔棒布置图如图3所示。

3 相间间隔棒对脱冰跳跃抑制研究

3.1 不同脱冰相数下脱冰跳跃的抑制研究

本文选用非均匀脱冰的形式模拟脱冰，脱冰量为50%脱冰。脱冰相分别选取3种方案，即中间档右侧中相脱冰、中间档右侧中相和上相同时脱冰、中间档左侧下相和右侧中相同时脱冰，通过对导线的跳跃高度和导线挂点纵向不平衡张力进行分析，研究相间间隔棒对脱冰跳跃的抑制效果。其中3档档距均为500 m，间隔棒的棒芯直径取30 mm，覆冰厚度为30 mm，脱冰量为50%脱冰。

图3 1档内相间间隔棒布置图

3.1.1 中间档右侧中相脱冰

当线路中间档右侧中相脱冰时，在无相间间隔棒和加装相间间隔棒条件下，对中间档右侧中相导线的弧垂最低点跳跃高度和导线挂点不平衡张力进行提取，以曲线形式表示。中间档弧垂最低点的位移时程曲线如图4所示，导线挂点不平衡张力时程曲线如图5所示。

图4 弧垂最低点的位移时程曲线

从图4可以看出，当中间档右侧单相脱冰时，加装相间间隔棒能很好地抑制导线的最大跳跃位移，从11 m可以降低到3 m左右，并且使跳跃的幅度减弱。

图5 挂点不平衡张力时程曲线

从图5可以看出，在未加装间隔棒时，导线挂点不平衡张力最大可达到26 kN左右，在时间段23 s前不平衡张力变化比较明显。加装间隔棒后，最大不平衡张力减小到24 kN左右，而且持续时间在12 s之后趋于平稳。

3.1.2 中间档右侧的中相和上相脱冰

当线路中间档右侧中相、上相脱冰时，对中间档右侧中相导线的弧垂最低点跳跃高度和导线挂点不平衡张力进行提取，导线弧垂最低点的位移时程曲线如图6所示，导线挂点不平衡张力时程曲线如图7所示。

图6 导线弧垂最低点的位移时程曲线

从图6可以看出，当中间档同侧中、上两相同时脱冰时，加装间隔棒可使跳跃位移最大值从11 m降低到7 m左右，并且使跳跃的幅度减弱。

图7 挂点不平衡张力时程曲线

从图7可以看出，加装间隔棒后，导线挂点最大不平衡张力减小了10%，而且持续时间在12 s之后趋于平稳，较未安装间隔棒的时间缩短。

3.1.3 中间档左侧下相和右侧中相同时脱冰

当线路中间档左侧下相和右侧中相同时脱冰时，对右侧中相导线的弧垂最低点跳跃高度和导线挂点不平衡张力进行提取，导线弧垂最低点的位移时程曲线如图8所示，导线挂点不平衡张力时程曲线如图9所示。

从图8可以看出，当中间档两侧单相脱冰时，加装相间间隔棒能很好地抑制导线的最大跳跃位移，从12 m可以降低到4 m左右，并且使跳跃的幅度减弱。

从图9可以看出，加装间隔棒后，导线挂点最大不平衡张力减小了12%，而且持续时间在12 s之后趋于平稳，较未安装间隔棒持续的时间缩短。综上所述，加装间隔棒可以有效抑制单相脱冰和两相同时脱冰。

3.2 不同脱冰量对导线跳跃位移和不平衡张力的影

导线覆冰厚度为30 mm时，脱冰状态为中间档一侧中相导线不均匀脱冰，其它导线不脱冰，脱冰量分别选取50%、75%、100%，研究不同脱冰量因素下相间间隔棒对脱冰跳跃的抑制效果，主要针对导线的跳跃高度和导线最大纵向不平衡张力进行分析，动力响应及抑制效果如表1所示。

表1 不同脱冰量动力响应及抑制效果

从表1可以看出:在未加装相间间隔棒时，随着不同脱冰量的增加，导线跳跃位移不断增大，但挂点不平衡张力变化不大。在加装相间间隔棒后，导线跳跃位移和不平衡张力得到很好地抑制。50%脱冰量时，跳跃位移降低了75%，不平衡张力降低了8.8%;75%脱冰量时，跳跃位移降低了74.8%，不平衡张力降低了9.6%;100%脱冰量时，跳跃位移降低了74.5%，不平衡张力降低了9.7%，表明相间间隔棒对导线的跳跃位移和导线挂点不平衡张力有很好的抑制作用。

4 结论

1)相间间隔棒对三相导线呈竖直排列输电线路的导线脱冰跳跃时的跳跃位移和挂点不平衡张力能起到良好的抑制作用。

2)相间间隔棒为1×2布置时，在不同脱冰相数组合下，导线跳跃位移降低了30% ～70%，导线挂点不平衡张力降低了12%。随着脱冰量增大，导线跳跃位移降低了75%，导线挂点不平衡张力降低了10%。

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［3］尹鹏，李黎，张行.输电线路脱冰跳跃反应控制研究［J］.电网与水力发电进展，2008，24(3):3 －7.

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Study on inhibition of phase－to－phase space stick against jump of icing conductor caused by de－ice

KONG Wei1，ZHAO Feitao1，LIN Zenan2
(1.School of Architecture and Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China;2.Liaocheng Power Supply Company of Shandong Electric Power Corporation，Liaocheng 252000，China)

Aiming at the electric accidents caused by the jump of icing conductor caused by de－ice such as conductor breakdown，fatigue disconnection，flashover between conductors and short circuit，this paper expounds the infinite element theory of tower－line－phase to phase space stick system，establishes the infinite element model of transmission tower，line and phase－to－phase space stick system of which the three－phase conductor is uprightly arrayed，and analyzes the stick inhibition effect on the jump height and the unbalanced tension at the conductor hanging point.The study result shows that the space stick effectively inhibits single－phase and double－phase de－ ice，the jump location of conductor and the unbalanced tension at the conductor hanging point.

icing conductor;jump caused by de－ice;uneven de－ice;phase－to－phase space stick;numerical simulation

TM753

A

1002－1663(2012)06－0405－04

2012－06－25

孔 伟(1965－)，女，1987年毕业于东北电力大学建筑工程学院，教授，研究方向为输电线路工程。

(责任编辑 侯世春)