脱冰冲击下悬垂金具串动力特性研究

输电线路的稳定运行是确保电力系统电力供应安全可靠的关键，然而，在寒冷地区，导线覆冰现象时有发生，而脱冰过程则极易引发一系列严重的机械和电气事故。覆冰导线在气温升高、自然风力作用或人为振动敲击之下会产生不均匀脱冰或不同期脱冰。脱冰不但影响导线以后的再覆冰过程，而且由于瞬时拉力的骤变，还会对线路产生危害很大的机械或电气事故。随着导线覆冰量的增加，相应的张力显著增大，弧垂也有所降低。当大段或整档导线脱冰时，导线的弹性储能迅速转化为动能和位能，导致导线向上跳跃，相邻悬垂串发生剧烈摆动，两端导线张力也发生显著变化。导线向上跳跃导致导线与地线之间的安全距离缩小，可能引起导地线间闪络或短路，烧伤导线，并导致线路跳闸 [1]。导线两端动态张力的显著变化可能导致线夹、绝缘子串及挂点处金具遭受动态冲击而损坏，甚至损伤塔头。因此，研究脱冰冲击下悬垂金具串的动力特性具有重要的现实意义。

一、研究方法与模型建立

（一）有限元模型建立

以实际工程中的某条线路为研究对象，建立输电塔线耦合体系的空间有限元模型。在建模过程中，充分考虑导（地）线、绝缘子串（或悬垂金具串）、输电塔等各组成部分的力学特性。对于导（地）线，采用 BEAM4单元模拟，相较于杆单元可以考虑导线的抗弯刚度，更真实地反映导线的力学特性。根据悬链线方程确定导线的初始构型，施加导线初应变，以跨中水平张力和位移为收敛条件，通过 ANSYSAPDL 程序设定迭代循环，利用有限元计算实现了导线覆冰和脱冰状态下的快速找形。连接输电线与输电塔横担的绝缘子串（或悬垂金具串）采用普通的T3D2 杆单元进行建模。绝缘子串（或悬垂金具串）悬挂点和输电线末端悬挂点均简化为铰接固定。对于分裂导线，不仅通过等效截面积和质量的方法将其简化为单导线进行建模，还建立了包含子导线和间隔棒的精细化有限元模型。在精细化分裂导线模型中，边跨 1、中跨、边跨 2 中的每根输电线分别均匀地划分为 360 段、800 段和 360 段，以保证导线在各次档距范围内依然具有足够的柔性。间隔棒使用 B31 梁单元进行模拟。在建立塔—线体系模型时，通过在 功能模块中创建连接器（ ）将输电线部件与输电塔部件连接来实现，研究中使用的连接器为 MPCPin，以模拟连接处铰接的力学特性。

二、脱冰冲击下悬垂金具串动力特性分析

（一）脱冰方式对动力特性的影响

将实际运行输电线路的一耐张段作为研究重点，在塔线体系建模中，提出通过施加初始应变的找形方法。在输电线路脱冰研究中，通过将数值计算结果与文献中实验结果进行对比，验证了模型的准确性。研究发现，不同脱冰方式对架空输电塔—线体系脱冰响应有显著影响。例如，不均匀脱冰会产生巨大的张力差，对金具和绝缘子上下挂点造成附加的冲击，可能会导致导线断线、绝缘子和金具破坏、杆塔折损甚至倒塌等事故。

（二）脱冰速度对动力特性的影响

构建五跨输电塔—线体系精细化有限元模型，并运用非线性时程分析法，对输电导线不均匀脱冰的全过程展开系统性模拟分析。研究聚焦于脱冰速度对不平衡张力的作用机制，深入剖析了不同脱冰速度下导线张力的动态响应特征，并据此拟合出脱冰速度影响系数。研究结果表明，脱冰速度与导线两端动态张力变化幅度呈显著正相关，即脱冰速度越快，导线张力波动越剧烈。同时，相邻悬垂串的摆动幅度亦随脱冰速度的增加而显著增大。具体而言，当脱冰速度攀升至某一临界值时，金具所承受的动态拉力将急剧上升，甚至可能突破其设计承载极限，进而诱发机械失效等严重事故。

（三）不同步脱冰时各子导线的动态张力变化规律

运用 ABAQUS 软件分别建立特高压输电线路的导线模型和耐张串连接金具的整体模型，基于改变密度法模拟均匀覆冰的六分裂导线和覆冰脱落过程，研究不同步脱冰时各子导线的动态张力和导线束扭转角的变化规律。相关结果显示，未脱冰子导线的动态最大张力大于导线覆冰静态张力，导线动张力与导线束的转角大体呈负相关关系，具体数据如下表所示。

三、图表数据展示

（一）导线脱冰跳跃高度与脱冰率的关系

随着脱冰率的增加，导线脱冰跳跃高度呈明显上升趋势，是因为脱冰率越大，导线弹性储能释放越多，转化为的动能和位能越大，从而导致导线向上跳跃的高度越高。

（二）不同脱冰方式下金具应力分布特性可视化呈现

为深入剖析脱冰过程对输电金具力学性能的影响，本研究选取两种具有代表性的脱冰模式作为分析对象，通过高精度数值模拟技术绘制了金具在不同脱冰工况下的应力分布云图。在均匀脱冰场景中，金具整体应力分布呈现较为均衡的状态，各部位应力水平相对接近，未出现显著的应力集中区域，表明均匀脱冰条件下金具受力状态相对稳定。然而，当模拟不均匀脱冰工况时，金具应力分布图显示出明显的局部应力集中特征。特定区域（如导线脱冰起始端、金具连接节点等）的应力值显著高于其他部位，形成了局部高应力区，此一应力分布的不均衡现象不仅会加剧金具的疲劳损伤风险，还可能会导致材料屈服甚至断裂，进而直接威胁输电线路的安全运行。研究结果进一步印证了不均匀脱冰相较于均匀脱冰对金具结构完整性的破坏作用更为显著，强调了在实际工程中需对不均匀脱冰现象给予特别关注，并采取针对性的防护措施以保障金具的可靠性。

四、结语

综上所述，通过建立有限元模型，能够进一步加深对脱冰冲击下悬垂金具串动力特性的研究和了解，进而明确不同脱冰方式、速度等因素的具体影响以及金具应力与导线张力之间的复杂关系。相关研究成果还能够为保障输电线路安全运行提供理论支撑，未来应进一步深化研究，为输电线路在复杂环境下稳定、可靠地供电奠定坚实基础。

参考文献：

[1] 杨晓辉 ， 张博 ， 宋阳 ， 胡鑫 . 跨越线路绝缘子串脱冰动张力特性仿真分析 [J]. 计算机仿真 ，2022，39（8）：104-108

[2] 刘翔云 ， 何松洋 ， 黄兴 ， 宋玲林 . 直流输电线路重冰区导、地线脱冰冲击敏感因素浅析 [J]. 四川电力技术 ，2021，44（3）：38-43