國網(wǎng)工研院：以科技創(chuàng)新提升線路抗冰防舞能力
來源：《國家電網(wǎng)》 時間：2025-02-10 18:31
以科技創(chuàng)新提升線路抗冰防舞能力
國網(wǎng)工研院 李軍輝 姬昆鵬 趙彬 劉暢
輸電線路覆冰舞動是國內(nèi)外電網(wǎng)面臨的共同難題。截至2023年年底，國家電網(wǎng)有限公司運營的110千伏及以上輸電線路總里程已超過122萬千米，線路走廊南北跨度大，沿途地形地貌復(fù)雜，氣候條件多變，覆冰區(qū)域廣闊、覆冰類型多樣。近年來，隨著極端氣候頻繁發(fā)生，覆冰區(qū)域不斷遷移擴大，發(fā)生大范圍冰災(zāi)和線路舞動的可能性不斷增加。2023年冬季至今年春季，我國連續(xù)遭受5輪雨雪冰凍災(zāi)害，引起的大范圍覆冰舞動故障嚴重影響我國電網(wǎng)安全。利用創(chuàng)新性科技手段預(yù)測、監(jiān)測、研判、處置輸電線路覆冰舞動災(zāi)害，是大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要技術(shù)保障。基礎(chǔ)理論突破提升防除冰動態(tài)仿真能力
脫冰跳躍是指當環(huán)境溫度升高或風(fēng)載變化時，導(dǎo)線或地線上的覆冰突然脫落，導(dǎo)致輸電塔線耦聯(lián)體系產(chǎn)生沖擊載荷，進而引起線路大幅振動和跳躍的現(xiàn)象。脫冰跳躍是導(dǎo)致覆冰線路事故的一種重要誘因，也是線路設(shè)計和建設(shè)時必須要考慮的關(guān)鍵問題之一。因此，開展輸電塔線系統(tǒng)的脫冰動力響應(yīng)研究，對保障輸電線路的結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。
國網(wǎng)工研院在國際上首次定義并提出了“誘發(fā)脫冰機理”及其數(shù)值模擬方法，獲國際大氣結(jié)構(gòu)物覆冰會議（IWAIS）特別報道。相關(guān)研究獲得了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、國家電網(wǎng)公司科技項目等持續(xù)資助，攻克了真實條件下輸電線路脫冰和除冰過程模擬難題，顯著提高了以往輸電線路脫冰跳躍動力響應(yīng)的計算精度，為除冰裝置設(shè)計和除冰策略優(yōu)化提供了高效便捷工具。
超/特高壓等電網(wǎng)骨干輸電線路普遍采用多分裂導(dǎo)線。與單導(dǎo)線相比，多分裂導(dǎo)線更易受誘發(fā)脫冰效應(yīng)影響，且由于受其特有的垂向脫冰與扭轉(zhuǎn)脫冰的耦合、子導(dǎo)線不均勻覆冰、間隔棒布置方案等因素的聯(lián)合影響，使其誘發(fā)脫冰效應(yīng)，且脫冰后的動力響應(yīng)也呈現(xiàn)出更為復(fù)雜和獨特的非線性時變特性。國網(wǎng)工研院提出了多分裂導(dǎo)線大尺寸脫冰跳躍試驗和測試方法，搭建了單檔150米八分裂特高壓導(dǎo)線不均勻覆冰和脫冰全尺寸試驗平臺，試驗研究了多分裂導(dǎo)線脫冰跳躍特性。同時，該院利用某500千伏連續(xù)3檔真型線路，開展了連續(xù)檔多分裂導(dǎo)線的脫冰試驗，獲取了塔線耦合動態(tài)響應(yīng)特性，有效支撐基礎(chǔ)理論研究。冰害監(jiān)測處置技術(shù)破解自動除冰難題
在輸電線路冰害監(jiān)測方面，針對地理氣象環(huán)境惡劣地區(qū)監(jiān)測裝置信號傳輸困難、供電可靠性不足的問題，國網(wǎng)工研院研發(fā)了分立式分布式高效融合的多參量、高精度、點線共測光纖傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用線路自身的地線復(fù)合光纜（OPGW）中的光纖實現(xiàn)對整條線路的狀態(tài)監(jiān)測，建立了光纖傳感監(jiān)測參量與線路本體狀態(tài)及環(huán)境參量的映射關(guān)系，為輸電線路覆冰廣域高精度監(jiān)測提供了技術(shù)保障。其中，安裝于500千伏強明/強州線的輸電線路光纖監(jiān)測系統(tǒng)成功監(jiān)測到了今年2月雨雪冰凍過程和強明線OPGW覆冰過載斷線故障，為線路運維和故障分析提供了有力支撐。
在輸電線路除冰技術(shù)方面，雖然以往已經(jīng)嘗試過人工敲擊除冰、空包彈振動除冰、無人機攜帶絕緣棒沖擊除冰和機器人除冰等技術(shù)方案，但是以上除冰方法均需要人員到達現(xiàn)場。當遇到嚴重覆冰難以抵達除冰塔位，或者對于新疆、青海、西藏等冬季存在大面積封山區(qū)域，人員無法進入的情況時，上述除冰方法均難以發(fā)揮作用。此外，目前的除冰裝置對于雨凇、霧凇、混合凇等不同類型覆冰的物理特性和除冰機理的研究尚比較匱乏，除冰裝置參數(shù)設(shè)計的理論依據(jù)不足。針對上述問題，國網(wǎng)工研院通過研究不同類型覆冰的力學(xué)特性和斷裂準則，基于提出的誘發(fā)脫冰模擬方法，研發(fā)了新型機械除冰技術(shù)。該技術(shù)無需人員干預(yù)，能夠在大范圍、長時間的雨雪冰凍惡劣環(huán)境下長期駐線，自行俘獲能量，并對輸電線路覆冰增長情況進行監(jiān)控，實現(xiàn)對輸電線覆冰全自動、高效、安全去除，保障極端條件下的線路運行安全。新型防舞裝置提升舞動災(zāi)害應(yīng)對技術(shù)水平
國網(wǎng)工研院研制的零頻防舞器區(qū)別于雙擺防舞器、相間間隔棒、線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒等傳統(tǒng)防舞器，屬于具有較好剛度、阻尼特性的動力諧振設(shè)備。該設(shè)備依靠立方剛度和阻尼特性，可以最大程度消耗覆冰導(dǎo)線自激振動的能量。
該設(shè)備采用了“剛?cè)岵苯Y(jié)構(gòu)設(shè)計思路，防舞效果更有保障。該設(shè)備充分借鑒和吸納現(xiàn)有防舞設(shè)計案例和運維經(jīng)驗，在傳統(tǒng)防舞裝置基礎(chǔ)上，進一步升級創(chuàng)新。設(shè)備既具有相間間隔棒的柔性結(jié)構(gòu)特點，可大幅度增強導(dǎo)線的阻尼特性，又保留了雙擺防舞器機械強度高、可靠性好的優(yōu)勢，保證線路本體結(jié)構(gòu)在劇烈舞動或長期微風(fēng)振動過程中，不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷。同時，該設(shè)備有效降低導(dǎo)線舞動時扭轉(zhuǎn)和垂向振動的耦合度，提升起舞風(fēng)速閾值，最大程度消耗舞動能量，提升線路防舞、抗舞能力。
該設(shè)備線性剛度接近零，諧振頻率范圍大，復(fù)雜工況適應(yīng)性較強。受大風(fēng)、偏心覆冰多重組合工況的影響，導(dǎo)線舞動頻率可在0.1~5赫茲區(qū)間內(nèi)來回變化，但傳統(tǒng)減振裝置僅具有1~2個諧振頻率點，難以應(yīng)對復(fù)雜舞動工況。該設(shè)備則憑借“非線性能量槽”技術(shù)優(yōu)勢，使自身線性剛度和頻率無限接近于零，在各種復(fù)雜工況下的舞動頻率點均可產(chǎn)生較好的諧振耗能效果。
該設(shè)備重量較輕，防電暈特性較好。相比同型號導(dǎo)線的雙擺防舞器，該設(shè)備零頻防舞器重量可降低約10%，有效降低導(dǎo)線運行荷載。由于采用大半徑球殼體結(jié)構(gòu)形式，該設(shè)備在提升起舞風(fēng)速閾值、降低相間閃絡(luò)風(fēng)險和避免多自由度頻率耦合基礎(chǔ)上，進一步有效避免部分傳統(tǒng)防舞器出現(xiàn)的電暈異常、噪聲超標以及連接金具易損傷等故障現(xiàn)象，尤其適合于現(xiàn)階段特高壓線路部分區(qū)段的迫切防舞需求。
責(zé)任編輯：沈馨蕊
