國網工研院：以科技創新提升線路抗冰防舞能力
來源：《國家電網》 時間：2025-02-10 18:31
以科技創新提升線路抗冰防舞能力
國網工研院 李軍輝 姬昆鵬 趙彬 劉暢
輸電線路覆冰舞動是國內外電網面臨的共同難題。截至2023年年底，國家電網有限公司運營的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，沿途地形地貌復雜，氣候條件多變，覆冰區域廣闊、覆冰類型多樣。近年來，隨著極端氣候頻繁發生，覆冰區域不斷遷移擴大，發生大范圍冰災和線路舞動的可能性不斷增加。2023年冬季至今年春季，我國連續遭受5輪雨雪冰凍災害，引起的大范圍覆冰舞動故障嚴重影響我國電網安全。利用創新性科技手段預測、監測、研判、處置輸電線路覆冰舞動災害，是大電網安全穩定運行的重要技術保障。基礎理論突破提升防除冰動態仿真能力
脫冰跳躍是指當環境溫度升高或風載變化時，導線或地線上的覆冰突然脫落，導致輸電塔線耦聯體系產生沖擊載荷，進而引起線路大幅振動和跳躍的現象。脫冰跳躍是導致覆冰線路事故的一種重要誘因，也是線路設計和建設時必須要考慮的關鍵問題之一。因此，開展輸電塔線系統的脫冰動力響應研究，對保障輸電線路的結構安全具有重要意義。
國網工研院在國際上首次定義并提出了“誘發脫冰機理”及其數值模擬方法，獲國際大氣結構物覆冰會議（IWAIS）特別報道。相關研究獲得了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、國家電網公司科技項目等持續資助，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的計算精度，為除冰裝置設計和除冰策略優化提供了高效便捷工具。
超/特高壓等電網骨干輸電線路普遍采用多分裂導線。與單導線相比，多分裂導線更易受誘發脫冰效應影響，且由于受其特有的垂向脫冰與扭轉脫冰的耦合、子導線不均勻覆冰、間隔棒布置方案等因素的聯合影響，使其誘發脫冰效應，且脫冰后的動力響應也呈現出更為復雜和獨特的非線性時變特性。國網工研院提出了多分裂導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線脫冰跳躍特性。同時，該院利用某500千伏連續3檔真型線路，開展了連續檔多分裂導線的脫冰試驗，獲取了塔線耦合動態響應特性，有效支撐基礎理論研究。冰害監測處置技術破解自動除冰難題
在輸電線路冰害監測方面，針對地理氣象環境惡劣地區監測裝置信號傳輸困難、供電可靠性不足的問題，國網工研院研發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。該系統利用線路自身的地線復合光纜（OPGW）中的光纖實現對整條線路的狀態監測，建立了光纖傳感監測參量與線路本體狀態及環境參量的映射關系，為輸電線路覆冰廣域高精度監測提供了技術保障。其中，安裝于500千伏強明/強州線的輸電線路光纖監測系統成功監測到了今年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方面，雖然以往已經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方案，但是以上除冰方法均需要人員到達現場。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域，人員無法進入的情況時，上述除冰方法均難以發揮作用。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，除冰裝置參數設計的理論依據不足。針對上述問題，國網工研院通過研究不同類型覆冰的力學特性和斷裂準則，基于提出的誘發脫冰模擬方法，研發了新型機械除冰技術。該技術無需人員干預，能夠在大范圍、長時間的雨雪冰凍惡劣環境下長期駐線，自行俘獲能量，并對輸電線路覆冰增長情況進行監控，實現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害應對技術水平
國網工研院研制的零頻防舞器區別于雙擺防舞器、相間間隔棒、線夾回轉式間隔棒等傳統防舞器，屬于具有較好剛度、阻尼特性的動力諧振設備。該設備依靠立方剛度和阻尼特性，可以最大程度消耗覆冰導線自激振動的能量。
該設備采用了“剛柔并濟”結構設計思路，防舞效果更有保障。該設備充分借鑒和吸納現有防舞設計案例和運維經驗，在傳統防舞裝置基礎上，進一步升級創新。設備既具有相間間隔棒的柔性結構特點，可大幅度增強導線的阻尼特性，又保留了雙擺防舞器機械強度高、可靠性好的優勢，保證線路本體結構在劇烈舞動或長期微風振動過程中，不出現結構性損傷。同時，該設備有效降低導線舞動時扭轉和垂向振動的耦合度，提升起舞風速閾值，最大程度消耗舞動能量，提升線路防舞、抗舞能力。
該設備線性剛度接近零，諧振頻率范圍大，復雜工況適應性較強。受大風、偏心覆冰多重組合工況的影響，導線舞動頻率可在0.1~5赫茲區間內來回變化，但傳統減振裝置僅具有1~2個諧振頻率點，難以應對復雜舞動工況。該設備則憑借“非線性能量槽”技術優勢，使自身線性剛度和頻率無限接近于零，在各種復雜工況下的舞動頻率點均可產生較好的諧振耗能效果。
該設備重量較輕，防電暈特性較好。相比同型號導線的雙擺防舞器，該設備零頻防舞器重量可降低約10%，有效降低導線運行荷載。由于采用大半徑球殼體結構形式，該設備在提升起舞風速閾值、降低相間閃絡風險和避免多自由度頻率耦合基礎上，進一步有效避免部分傳統防舞器出現的電暈異常、噪聲超標以及連接金具易損傷等故障現象，尤其適合于現階段特高壓線路部分區段的迫切防舞需求。
責任編輯：沈馨蕊
