年度項目結題報告

1、編號：年度項目結題報告項目名稱： 輸電線路覆冰分布的實驗研究 五、項目研究結題報告輸電線路覆冰分布的實驗研究摘要：文章介紹了作者設計的利用造雪機進行輸電線覆冰的實驗方案并羅列了實驗過程中采集到的原始數(shù)據(jù)，包括輸電線覆冰的現(xiàn)象、截面形狀、覆冰長度、覆冰厚度、覆冰密度及覆冰質量。文章驗證了利用造雪機進行輸電線覆冰的可行性。文章還通過實驗中觀察到的現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，展示了輸電線覆冰的過程和特點，分析了覆冰對輸電線自重和所受風荷載的影響、覆冰厚度沿輸電線橫向的變化規(guī)律，并通過與已有冰區(qū)劃分規(guī)范的對比，對地區(qū)冰區(qū)劃分給出了建議。關鍵詞：覆冰；輸電線路；影響程度；覆冰規(guī)律；對比規(guī)范1 引言在設計覆冰敏感的結構時

2、，需要考慮凍雨、覆雪、霧中覆冰所導致的大氣環(huán)境下的覆冰荷載。進行覆冰荷載的研究可以幫助解決寒冷地區(qū)輸電線路和風力發(fā)電機的許多相關問題。每年冬季，因線路覆冰而引發(fā)的輸電線路、絕緣子、桿塔的機械性破壞和導線的脫冰舞動頻繁發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失。對于風力發(fā)電機而言1，風力發(fā)電機葉片覆冰會導致葉片形狀的改變，影響葉片的空氣動力特性，導致機組出力下降，進而造成發(fā)電機組效率降低甚至是大面積停機的嚴重后果。本文主要介紹覆冰荷載中的輸電線路覆冰分布的實驗研究。迄今為止，國內(nèi)已發(fā)生多起因覆冰過荷而導致的輸電線路、絕緣子及桿塔的損壞甚至倒塌。如自2008年1月12日至2月1日14時2，貴州全境遭受了50年以來

3、最嚴重的大面積雪凝天氣，貴州電網(wǎng)因冰害引起500kV線路停運12條，220kV線路停運46條，110kV及以上累計受災共計312條線路停運，倒桿塔302基，斷線393處，受到損害的電力線路共達4146條，造成44個縣市遭受大面積停電，全省電網(wǎng)解列為五個小網(wǎng)。有些地區(qū)的輸電線路覆冰甚至達到40mm以上，是導線直徑的數(shù)倍?？梢?，覆冰荷載對于輸電線路的影響是不可忽略的。隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的建設越來越重要，如何能夠減少寒冷地區(qū)輸電線路因覆冰而造成的經(jīng)濟損失成為了一個重要的研究方向。在這個大背景下，進行對輸電線路覆冰分布的實驗研究，并在此基礎上觀察輸電線路覆冰的過程，分析覆冰對輸電線路力學性能

4、的影響變得格外重要。除此之外，從土木工程災害防御3的角度來分析輸電線路因雪災而損毀的問題，不難發(fā)現(xiàn)：輸電線路及桿塔因覆冰而損毀的主要原因在于桿塔等結構構件的受力失衡，其中覆冰荷載扮演了災害性荷載的角色。如果能夠通過實驗發(fā)現(xiàn)輸電線路覆冰后的力學性能變化規(guī)律，進而分析桿塔等構件在雪災過程中的失效原理，就能設計出更加穩(wěn)定的桿塔結構，有效的減少雪災所帶來的損失，即從土木工程的角度來防治災害。而獲得輸電線路覆冰后的有關數(shù)據(jù)和力學性能變化規(guī)律，則是解決問題的出發(fā)點和突破口。2 主要研究內(nèi)容1、進行輸電線路的覆冰實驗，觀測并記錄輸電線覆冰的形狀，覆冰分布狀況，覆冰厚度,覆冰質量。2、分析實驗數(shù)據(jù)，得到輸電線

5、覆冰分布的規(guī)律。3、對比冰區(qū)劃分規(guī)范，根據(jù)實驗結果，對地區(qū)的冰區(qū)劃分給予建議。3 覆冰實驗方案、實驗數(shù)據(jù)及分析3.1 輸電線路覆冰實驗方案及原始實驗數(shù)據(jù)3.1.1 預實驗 預實驗可以比較得出造雪機覆冰效果最佳的噴射距離和噴射角度，進行預實驗，有利于使覆冰實驗現(xiàn)象明顯，便于觀察。1、實驗步驟：（1）利用造雪機向結構直桿（約2m高）分別在距離4m、6m、8m處進行覆冰操作，覆冰時長5分鐘，觀測結構直桿的覆冰情況，比較出最佳覆冰距離，并拍攝照片。（2）利用造雪機向結構直桿（約2m高），在已經(jīng)確定的最佳覆冰距離處，改變噴射角度進行覆冰操作，覆冰時長5分鐘，觀測結構直桿的覆冰情況，比較出最佳覆冰角度，并

6、拍攝照片。圖 1 預實驗 2、實驗結論：根據(jù)實驗效果（如圖1所示），比對后最終確定距造雪機6m遠模擬效果最好，最佳噴射角度為平射。3.1.2第一次覆冰實驗 利用造雪機進行覆冰操作，模擬自然狀態(tài)下輸電線覆冰，觀測覆冰的分布，覆冰截面的形狀，覆冰厚度及覆冰質量。通過分析實驗原始數(shù)據(jù)，進一步得出輸電線覆冰的規(guī)律。1、實驗溫度：-4攝氏度。2、實驗研究對象：一根質量為144.1g，總長度2米，試件架上跨度1.2米，垂度20cm左右，直徑1.05cm的輸電線。3、實驗步驟：（1）購買輸電線、網(wǎng)格紙，搭建試件架，架設輸電線。（2）選取溫度適宜（要求溫度低于-5攝氏度），同時避免擾民（在22點前結束實驗）的

7、時間段進行實驗。（3）啟動造雪機，向輸電線進行覆冰操作，時長5分鐘。（4）關閉造雪機，將覆冰后的輸電線掛到室外一晚，使得造雪機噴射的水含量較大的雪得以冰凍密實。（5）次日早6點之前（防止室外溫度過高導致覆冰融化）進行覆冰分布的觀測，覆冰厚度的測量，并拍攝照片。（6）重復進行實驗，獲取更多實驗數(shù)據(jù)，使實驗結果更具有普遍性。4、覆冰截面形狀：近似橢圓形。5、實測結果，如表1所示，實驗現(xiàn)象如圖2所示：表1 第一次覆冰實驗實測結果項目實測結果截面長軸長度/cm1.32截面短軸長度/cm1.18覆冰質量/g112.2 A B C圖 2 第一次覆冰實驗3.1.3第二次覆冰實驗（兩根輸電線）1、實驗溫度：-

8、7攝氏度。2、實驗研究對象：兩根質量為144.1g，總長度2米，試件架上跨度1.2米，垂度20cm左右，直徑1.05cm的輸電線。3、實驗步驟：（1）購買輸電線、網(wǎng)格紙，搭建試件架，架設輸電線。（2）選取溫度適宜（要求溫度低于-5攝氏度），同時避免擾民（在22點前結束實驗）的時間段進行實驗。（3）啟動造雪機，向輸電線進行覆冰操作，時長5分鐘。（4）關閉造雪機，將覆冰后的輸電線掛到室外一晚，使得造雪機噴射的水含量較大的雪得以冰凍密實。（5）次日早6點之前（防止室外溫度過高導致覆冰融化）進行覆冰分布的觀測，覆冰厚度的測量，并拍攝照片。（6）重復進行實驗，獲取更多實驗數(shù)據(jù)，使實驗結果更具有普遍性。4

9、、覆冰截面形狀：近似橢圓形。5、實驗現(xiàn)象：兩根輸電線上分布7塊較為完整的冰柱，4塊位于第一根輸電線上，3塊位于第二根輸電線上，分別標記為序號I至VII，可得如下實測結果。6、實測結果覆冰厚度、長度、質量等實測結果如表2至4所示，冰柱序號劃分及實驗現(xiàn)象如圖3至5所示。1 I II III IV VII V VI 圖3冰柱序號劃分表2覆冰厚度實測結果序號截面位置上端冰厚度/mm下端冰厚度/mm截面短軸長/mm截面長軸長/mmI左271822中462227右562024II左1122223中0000右3132525III左671923中641821右551820IV左521315中411215右21

10、1012V左30816中201215右211516VI左612021中111616右832030VII左2712535中2712535右2602530表 3 覆冰長度實測結果序號覆冰長度/mmI181II200III破損IV116V259VI168VII破損表 4 覆冰質量實測結果序號覆冰質量/g第一根輸電線45.8第二根輸電線104.0 A B圖 4 第二次覆冰實驗整體效果 A B C圖 5 第二次覆冰實驗截面形狀及測量3.2實驗數(shù)據(jù)的進一步分析 通過將覆冰實驗中獲得的覆冰厚度、覆冰質量等數(shù)據(jù)與輸電線本身的一些數(shù)據(jù)進行對比可以分析得出輸電線覆冰對其力學性能的影響。同時，分析輸電線覆冰厚度沿輸

11、電線橫向的變化規(guī)律可以得到輸電線覆冰的分布特點。再進一步對比冰區(qū)劃分規(guī)范，可以給出地區(qū)的冰區(qū)劃分建議。第一次覆冰實驗覆冰厚度分析 將輸電線覆冰厚度取平均值，用覆冰厚度平均值的兩倍作為截面總覆冰厚度，將其與輸電線直徑做比率，可分析出輸電線覆冰對其截面面積的影響，結合覆冰將輸電線的圓截面改變?yōu)闄E圓截面，可以分析覆冰對輸電線所受風荷載的增大程度。 針對表1數(shù)據(jù)進行進一步分析得表5結果如下：表5 第一次覆冰實驗數(shù)據(jù)分析測量位置覆冰厚度平均值/mm總覆冰厚度與輸電線直徑比率沿截面長軸方向1.3525.71%沿截面短軸方向0.6512.38%3.2.2第二次覆冰實驗覆冰厚度分析 針對表2數(shù)據(jù)進行進一步分析

12、得表6結果如下：表6 第二次覆冰實驗數(shù)據(jù)分析序號截面位置覆冰厚度平均值/mm總覆冰厚度與輸電線直徑比率I左4.585.71%中595.24%右5.5104.76%II左6.5123.81%中00%右8152.38%III左6.5123.81%中595.24%右595.24%IV左3.566.67%中2.547.62%右1.528.57%V左1.528.57%中119.05%右1.528.57%VI左3.566.67%中119.05%右5.5104.76%VII左14266.67%中14266.67%右13247.62%由表5和表6數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，總覆冰厚度與輸電線直徑比率很高，會使輸電線截面面積大

13、幅度增大，大幅增大輸電線所受風荷載。對兩根輸電線，研究從左至右的輸電線覆冰厚度平均值的變化情況，如圖5和圖6所示： 圖5 第一根輸電線覆冰厚度變化圖 由圖5可以看出，除去5號標記點后，第一根輸電線覆冰厚度呈現(xiàn)中間厚左右薄的分布形態(tài)，且實際觀測過程中，第一根輸電線整體覆冰分布呈現(xiàn)分塊的狀態(tài)，塊與塊之間覆有1mm厚的細冰層。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于覆冰在輸電線上吸附力不足，且造雪機風力很大，輸電線受風舞動嚴重，導致覆冰脫落，最終形成分塊分布的覆冰情況。5號點、細冰層及分塊分布均由此產(chǎn)生。自然條件下，跨度遠大于2m時，覆冰在輸電線上吸附力較大，輸電線受風舞動也會減輕，此時輸電線覆冰應連續(xù)完整。圖6 第

14、二根輸電線覆冰厚度變化圖由圖6可以看出，除去5號點后，1、2、3、4、6五個點覆冰厚度變化情況與圖5規(guī)律類似，但7、8、9三個點出現(xiàn)反常。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于覆冰過程中，試件架頂部橫梁也會覆冰。且由于覆冰過程中，冰晶沒有凝結，導致頂部橫梁的覆冰有時會下落，若其下落過程中覆在輸電線上，會導致輸電線覆冰厚度反常增大。7、8、9三個點均由此產(chǎn)生。將5號點剔除，將7、8、9三個點向下平移，發(fā)現(xiàn)圖6所得覆冰厚度變化規(guī)律與圖5相似。3.2.3覆冰質量分析 將三根輸電線覆冰質量與輸電線質量做比率，可以分析覆冰對輸電線自重的影響程度。 針對覆冰質量實測數(shù)據(jù)進一步分析得表7結果如下：表 7 覆冰質量數(shù)據(jù)分析實

15、驗次數(shù)第一次第二次第三次覆冰質量/g112.245.8104.0覆冰質量與輸電線質量比率77.86%31.78%72.17% 由表7數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，覆冰質量與輸電線質量比率很高，大幅度增加了輸電線自重，對輸電線力學性能影響較大。綜合分析覆冰質量與輸電線質量比率、總覆冰厚度與輸電線直徑比率兩個數(shù)據(jù)，可以得出，覆冰對輸電線自重和輸電線所受風荷載影響很大。在輸電線路、桿塔結構設計中，覆冰荷載應是一個重要的考慮方向。3.3對比現(xiàn)行冰區(qū)劃分規(guī)范目前，超高壓輸電線路（110kV以上）冰區(qū)劃分如下表8和9所示4：表8 500kV超高壓輸電線冰區(qū)劃分4冰區(qū)等級0IIIIIIIVV氣象區(qū)名稱無冰區(qū)輕冰區(qū)中冰區(qū)重冰區(qū)特重冰區(qū)超重冰區(qū)覆冰厚度/mm0510203040表9 110kV和220kV超高壓輸電線冰區(qū)劃分4線路電壓/kV110220氣象區(qū)名稱輕冰區(qū)重冰區(qū)輕冰區(qū)重冰區(qū)覆冰厚度/mm520520 本次實驗中，所得覆冰厚度大多在5mm-10mm之間，因此建議地區(qū)冰區(qū)劃分為中冰區(qū)，此時偏于安全。4 結束語 實驗驗證了利用造雪機進行輸電線覆冰的可行性，并分析了實驗操作過程中需要注意的事項。通過實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了輸電線覆冰分布的規(guī)律，還發(fā)現(xiàn)了覆冰對輸電線的自重和所受風荷載的影響規(guī)律。由實驗數(shù)據(jù)，對比現(xiàn)行