摘要：高压输电线路的除冰要求高效、稳定的实施。为了提高线路的除冰效率，提出了一种局部高频激励除冰方法，即由偏心振子激励一段两端约束的覆冰导线，产生交变应力和位移，使覆冰破碎并脱离导线，从而实现线路的除冰。研究表明，在工程实施过程中，应尽可能提高激励频率，降低激励位移，以避免线路大跨度脱冰引起的跳跃，保证除冰作业的稳定性。
关键词：高压输电线路；除冰；激励；动力响应；压缩强度
引言
高压输电线路的覆冰是中国南方地区常见的自然灾害，严重覆冰造成的线路过载荷和不均匀脱冰造成的张力差都会影响大电网运行的稳定和安全，因此，覆冰输电线路的除冰防治技术是智能电网建设和发展急需解决的重大课题之一。
目前，国内外主要有3种输电线路的除冰方法应用于实际中，即电热融冰、机械除冰和被动法。电热融冰是在线路上施加一定的过电流，使导线发热，来实现融冰。南方电网在2008年完成了全网的直流融冰装置的配置安装，并成功进行了工程实施和验证，能够保证大电网覆冰风险可控，其中云南电网和贵州电网的多次直流融冰成功经验为国际上普遍关注；机械除冰是利用机械外力使导线上的覆冰破碎并脱落的除冰方法，主要有“adhoc”法、滑轮铲刮法。“adhoc”法为人工敲击的除冰方法，滑轮铲刮法则是一种由操作人员在地面拉动可在线路上行走的滑轮铲除导线上覆冰的方法，该法是目前可行的输电线路机械除冰方法。由于除冰机制不同，机械除冰的能耗要比电热融冰小100多倍，因其能耗低、安全性高、对外界环境适应力强等特点是输电线路常用的除冰方法。随着人工智能控制技术在除冰机器人上的应用和发展，机器人除冰因具有节能、灵活、适应力强等特点，使得机械除冰技术领域得到了拓宽和发展。
20世纪90年代末，国内的一些科研机构和高校相继展开了除冰机器人的研究工作，由中国电力科学研究院、山东大学和武汉大学等单位研制的除冰机器人从单体机器人到多臂机器人种类越来越多，在覆冰导线上的自动化控制能力也越来越强，除冰机器人得到了快速的发展。除了除冰机器人的行走机构，决定其工作方式的工作头部件是决定除冰作业成败的关键技术之一，然而，在种类繁多的除冰机器人中，其工作头的工作方式大多延续了冰刀铲刮和敲击等方法，这并不利于大跨度柔性导线环境里作业的高效和稳定。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆针对以上问题，本文提出了一种可由除冰机器人工作头来实现的局部高频激励除冰方法，即约束一段长度的覆冰导线，由偏心振子对其施加一定的高频激励使其产生局部激振，利用产生的交变应力和位移来使覆冰破碎并从导线脱落，从而实现线路的除冰。在高频激励条件除冰的过程中，调整合适的激励频率和位移，考察约束段导线覆冰区域的应力分布是输电线路高频激励除冰一个关键的技术部分。本文在理论计算分析和实验结论的基础上进一步对输电线路除冰的激励参数进行了系统的研究分析，应用完全法做出精确求解和分析，总结了0~2kHz频率范围内，不同激励位移条件对覆冰区域等值应力分布的影响，对不同型号导线激励条件的递推以及输电线路高频激励除冰的工程实施有可靠的理论依据和参考价值。
1、导线张力
在输电线路高频激励除冰分析中，导线已不能被看成可以忽略刚度的理想化的柔索，其动力响应随着导线的型号、覆冰的类型、厚度，约束长度，预用力等物理参数的变化而变化。通常情况下，在弹性范围内，预用力的存在可以相应的增加材料的刚度。在有预用力(导线的张力)的激励除冰技术探讨过程中，需要先对研究对象做静力学分析。本文讨论均匀载荷孤立档覆冰导线张力的关系和计算方法，假设导线各处的比载相同，不承受集中载荷，悬挂点位置固定，在标准档距下相邻档距的导线没有相互的力学影响。
2、导线3D建模与仿真分析
2.1覆冰模型钢芯铝绞线结构的导线建模极其复杂，涉及到很多线面的接触关系问题，在建模过程中，需要考虑影响分析结果的主要因素，简化影响较小的次要因素，并兼顾理论计算的精确性。本文针对覆冰导线的结构特点，建立LGJ-240/30实体分析模型，由内向外分别为钢芯、铝绞线和雨凇覆冰，建模过程做如下考虑：
（1）按照各型号导线的实际尺寸建模；
（2）为简化分析计算，将铝线层各铝线之间以及铝线层和钢芯层之间做微小的面接触处理；
（3）覆冰侧做均匀覆冰处理。
2.2覆冰类型覆冰导线涉及3种不同材料，覆冰类型因气象参数影响，具有随机性的特点。本文所取覆冰类型为南方电网常见的、强度最高的雨凇型覆冰，采用ANSYS专业软件分析其动力响应，需考察并定义各材料的弹性模量、泊松比、和密度等，通常情况下，材料的弹性模量越大，刚度越大。
2.3仿真分析在仿真计算分析中，选择SOLID92单元，此单元可以很好的处理大变形和大张力的能力，用MODELING中的GLUE命令将实体分析模型联结成一个整体，分别按照各材料物理参数进行定义，划分网格并生成87395个节点，在导线两端截面施加约束，考虑到工程实施可行性，在激励频率0~2kHz的范围内改变激励位移，考察导线覆冰区域的应力分布。在不同激励位移下，导线覆冰区域在Y方向上的等值应力随着激励位移的增大而增大，在激励位移为0.25mm时，覆冰区域Y方向的等值应力为9.2MPa，而在激励位移为0.5mm时，覆冰区域Y方向的等值应力显著增大。为了更为微观、直接地考察其动力响应，选取覆冰区域沿水平方向的两个连续节点。
由连续节点的响应曲线可知，覆冰区域Y方向产生的应力随着激励频率的增大呈线性增大趋势，值得注意的是过高的激励频率和位移会影响线路除冰作业的稳定性以及输电线路的安全，因此应选择合理的激励位移和利于工程实施的激励频率作为除冰的技术参数。
结束语
（1）导线覆冰区域的等值应力随着激励频率的增大呈线性增大趋势，且随着激励位移量的增大而增大。
（2）考虑到除冰机器人的体积和灵活性，以及机械振子的强度，在输电线路高频激励除冰过程中，应该选择合适的约束长度来实施，根据仿真经验，以0.5~1.5m为宜。
（3）对高压输电线路高频激励除冰技术的探讨，由于其理论层面的复杂性和实施要求的精确性，需结合实际经验和输电线路除冰的工程实际进行更全面、深入的系统研究。
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论文作者:王鹏举,王开繁
论文发表刊物:《防护工程》2017年第25期
论文发表时间:2018/1/2
标签：导线论文; 除冰论文; 线路论文; 位移论文; 应力论文; 电网论文; 机器人论文; 《防护工程》2017年第25期论文;