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输电线路；

覆冰；

脱冰；

不平衡张力；

仿真模拟；

影响因素0引言塔线体系覆冰导线在温度适宜、自然外力等情况下，导线覆冰突然脱落，引起相邻档之间的张力差剧烈变化，造成导线断股、绝缘子及金具破坏、输电塔变形甚至倒塔等严重事故，严重威胁电网系统的安全、可靠与稳定运行[1-2]。

目前线路设计中多数考虑的是静态载荷对塔线体系的影响，而动态载荷作用下对导线的作用机理考虑甚少，存在一定的安全隐患，因此对导线脱冰引起的不平衡张力的变化机理进行研究是十分必要的。

文献[3]在实验室进行多种脱冰模拟实验研究；

文献[4]利用ADINA软件研究分裂导线中的单根导线脱冰。

文献[5]采用有限元法建立塔线体系精细化有限元模型，研究输电线路脱冰动力响应；

文献[6]利用ANSYS软件建立导线-绝缘子模型，研究导线冰跳高度、张力、绝缘子串垂向载荷等脱冰动力响应；

文献[7-8]采用悬挂集中载荷的方法模拟导线覆冰，研究脱冰量和脱冰方式的变化对导线覆冰脱落的影响。

上述研究内容主要考虑的是导线脱冰对导线跳跃高度的影响规律，并未对导线脱冰不平衡张力进行较系统的分析。

本文的主要目是借助ANSYS软件，采用瞬态动力学方法，建立导线脱冰跳跃模型，对导线脱冰不平衡张力的变化机理进行系统性分析，获取不平衡张力的变化规律，为后续除冰融冰方法提供一定的借鉴作用。

1计算模型1.1有限元模型本文主要考虑的是导线覆冰脱落引起的相邻档导线张力的变化规律，并未考虑对输电塔的影响，因此对分析模型进行简化处理，忽略输电塔的影响，模型主要由2部分组成：

导（地）线、绝缘子串。

借助ANSYS软件，建立导线覆冰跳跃有限元模型，导（地）线采用杆单元Link10，绝缘子采用杆单元Link8模拟，结合文献[9]提出的导线在自重条件下利用迭代法构造导（地）线的初始形态，其有限元模型如图1所示，图1中A、B、C、D分别为导线悬挂点。

绝缘子与横担之间的连接点以及模型两端导线悬挂点3个方向的位移UX、UY、UZ均为零。

图1导线-绝缘子有限元模型

Fig.1Finiteelementmodelofconductor-insulator1.2材料参数结合工程实际，建立导线-绝缘子有限元模型，其导线模型参数，如表1所示。

表1导线特性参数

Table1Thecharacteristicparametersofconductor1.3载荷模拟本文采用附加力模拟法模拟覆冰载荷，假设导线整档均匀覆冰，利用等间距的集中力代替覆冰载荷，进行覆冰模拟，其每个集中载荷的质量F的计算公式[5]为式中：

m为单位长度上导线覆冰质量，kg/m；

ρ为覆冰密度，900kg/m3；

D为导线外径，mm；

b为覆冰厚度，mm；

L为导线长度，m；

n为划分单元个数。

在ANSYS软件中采用瞬态动力学方法模拟脱冰载荷。

利用突然撤载的方法，因实际中导线脱冰具有复杂性、随机性和不可控性，一般假设沿档距均匀脱冰，脱冰时间一般设置为0.02s。

2方法验证分析模型的合理性与准确性是仿真计算的基础，因试验条件有限，无法真实模拟覆冰导线脱冰现象，因此借助一些科研院所已做的实验结果与仿真结果进行对比分析，验证模型的正确性。

2.1验证方法的正确性利用本文的建模方法与文献[5]做的脱冰试验进行对比验证，其搭建的实验平台为孤立档235m，导线张力为25320N，覆冰厚度为15mm，导线型号为LGJ-300/40，跨中节点安置传感器实时监测张力。

本文对该试验平台所做的试验进行仿真分析，其计算结果与试验结果如表2所示，图2为孤立档100%均匀脱冰情况下的导线张力变化时程曲线。

图2导线张力时程曲线

Fig.2Timehistoryofconductortension表2典型工况下导线张力值

Table2TheconductortensionforcesundertypicalconditionskN由表2和图2可知，实验数据与仿真数据之间的误差较小，张力的动态曲线与文献[5]中曲线吻合。

因此，验证本文的方法是合理可行的。

2.2验证模型参数考虑不同档距和自重条件下，有限元模型的正确性。

引用文献[10-25]中弧垂的理论计算公式，对比仿真结果与理论结果，其结果如表3所示。

表3仿真与理论弧垂值

Table3Simulationvalueandtheoreticalvalueofsagofconductor档距/m弧垂/m理论值仿真值误差/%1000.7080.6922003.0412.9752.263007.2967.1472.042.1740013.37113.09050021.22520.7652.102.1760030.84430.15970042.26341.2672.3680054.08855.4672.222.493脱冰不平衡张力影响因素分析3.1导线脱冰的动态过程导线覆冰脱落，会引起相邻档产生较大的张力差，造成严重的机械或电气事故。

本节主要考虑导线脱冰的动态响应过程。

计算模型取耐张段内的连续档，模型为L-L-L-L-L，档距L为400m，导线型号为LGJ-630/45，覆冰厚度为15mm，不考虑高差、风速的影响，脱冰方式为50%均匀脱冰。

图3和图4分别为中间档脱冰不平衡张力的时程曲线、边档脱冰不平衡张力的时程曲线。

图3中间档脱冰不平衡张力的时程曲线

Fig.3Timehistoryoftheunbalancetensionofintermediatespanice-shedding图4边档脱冰不平衡张力的时程曲线

Fig.4Timehistoryoftheunbalancetensionofboundaryspanice-shedding由图3和图4可知，当塔线体系上的覆冰突然脱落时，相邻档产生的不平衡张力做同步低频运动。

脱冰档的位置不同，其导线张力的变化趋势亦不同，其最大脱冰不平衡张力值也相差较大。

3.2连续档数的影响考虑不同档数下，中间档脱冰，其他计算条件同3.1节，获取其最大脱冰不平衡张力，如图5所示。

图5不同档数下最大不平衡张力的变化曲线

Fig.5Responseofmaximumunbalancetensionfordifferentnumberofspans由图5可知，脱冰不平衡张力随着档数的增加而增加，当连续档数超过5档时，其最大不平衡张力增幅较小，基本趋于稳定。

3.3脱冰方式的影响考虑计算条件同3.1节，分析不同脱冰方式下脱冰不平衡张力的变化规律，如图7所示，具体脱冰方式如图6所示。

图6脱冰方式示意

Fig.6Schematicdiagramofdifferenttypesofice-shedding图7不同脱冰方式下最大不平衡张力的变化曲线

Fig.7Responseofmaximumunbalancetensionfordifferenttypesofice-shedding由图7可知，在不同脱冰量下，其最大脱冰不平衡张力均发生在方式b的脱冰方式下，随着脱冰量的增加脱冰方式c下的不平衡张力增幅最大。

所以在以后的人工除冰过程中，应该采取方式c，即从两边对称向跨中脱冰，尽量避免脱冰方式b。

3.4脱冰量的影响计算模型为L-L-LS-L-L，其中L为400m，LS为200~800m，其他同3.1节，分析脱冰量对导线脱冰不平衡张力的影响规律，脱冰量分别为25%、50%、75%、100%，计算结果如图8所示。

图8不同脱冰量下最大不平衡张力的变化曲线

Fig.8Responseofmaximumunbalancetensionfordifferentice-sheddingrates由图8可知，随着脱冰量的增加，导线脱冰不平衡张力呈递增的趋势，随着档距的增加，其导线脱冰不平衡张力的增长幅度比脱冰量的大。

这是因为导线脱冰，覆冰导线的质量减小，导线发生剧烈运动产生较大的张力差。

脱冰量越大，导线质量越小，振动越剧烈，使得导线脱冰不平衡张力越大。

3.5高差大小的影响考虑计算条件同3.1节，中间档脱冰，仅考虑脱冰档高差的变化对导线脱冰不平衡张力的影响，高差为0%，10%，20%，计算结果如图9所示。

图9不同高差下的最大不平衡张力的变化曲线

Fig.9Responseofmaximumunbalancetensionfordifferentheightdifferences由图9可知，对于突变的高差，随着高差的增加，其导线脱冰不平衡张力逐渐增加。

因此，应该在高差变化较大的地形增加其输电塔承受不平衡张力的能力，保证输电线路安全运行。

3.6覆冰厚度的影响计算模型为L-L-LS-L-L，其中L为非脱冰档且档距为400m，LS为脱冰档且档距为200~800m，其他计算条件同3.1节，考虑覆冰厚度为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，分析不同情况下导线脱冰不平衡张力的变化，其结果如图10所示。

图10不同覆冰厚度下最大不平衡张力的变化曲线

Fig.10Responseofmaximumunbalancetensionfordifferenticethickness由图10可知，覆冰厚度越大，档距越大，脱冰后造成的脱冰不平衡张力越严重，发生意外事故的概率就越高。

这是因为覆冰厚度越大，整档导线的垂直档距增加，势能增大，当覆冰突然脱落，势能转化为弹性势能，导线张力剧烈变化，引起不平衡张力变化显著。

3.7导线参数的影响计算条件同3.1节，考虑LGJ-630/45、LGJ-630/55和LGJ-400/503种导线，中间档脱冰，分析不同脱冰量下导线脱冰纵向不平衡张力的变化曲线，其结果如图11所示。

由图11可知，在相同脱冰量作用下，3种导线型号对导线脱冰不平衡张力的影响略有不同，随着脱冰量的增加，导线脱冰不平衡张力呈递增的趋势，其中LGJ-630/55、LGJ-400/50、LGJ-630/45的脱冰不平衡张力依次增加。

这是因为导线横截面和刚度越小，不平衡张力变化越显著。

3.8绝缘子串的影响图11不同脱冰量下最大不平衡张力的变化曲线

Fig.11Responseofmaximumunbalancetensionfordifferentice-sheddingrates图12不同绝缘子串下最大不平衡张力的变化曲线

Fig.12Responseofmaximumunbalancetensionfordifferentinsulatorlength计算条件同3.4节，考虑不同绝缘子串对导线脱冰不平衡张力的影响规律，其结果如图12所示。

由图12可知，当档距一定时，随着悬垂绝缘子串长度的增加，其导线脱冰不平衡张力逐渐减小；

随着档距的增加，导线脱冰不平衡张力近似呈线性增加。

这是因为脱冰档脱冰后，脱冰档质量减小，绝缘子串长度越长，造成等效档距越大，导线脱冰不平衡张力就会越小。

4结论本文借助ANSYS软件，采用瞬态动力学方法，分析多种工况下导线脱冰不平衡张力的变化规律，得出如下结论。

（1）脱冰量、覆冰厚度对不平衡张力的影响较显著，随着覆冰厚度和脱冰量的增加，不平衡张力呈递增趋势；

（2）从中间向两边对称脱冰时，不平衡张力变化最显著；

（3）对于突变的高差，随着高差的增加，导线脱冰不平衡张力逐渐增加；

（4）导线截面越小，刚度越小则导线越容易发生脱冰跳跃，其导线脱冰不平衡张力越大；

（5）当档距一定时，随着悬垂绝缘子串长度的增加，其导线脱冰不平衡张力逐渐减小；

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