年度项目结题报告.docx

编号：年度项目结题报告项目名称：输电线路覆冰分布的实验研究1五、项目研究结题报告输电线路覆冰分布的实验研究摘要：文章介绍了作者设计的利用造雪机进行输电线覆冰的实验方案并罗列了实验过程中采集到的原始数据，包括输电线覆冰的现象、截面形状、覆冰长度、覆冰厚度、覆冰密度及覆冰质量。文章验证了利用造雪机进行输电线覆冰的可行性。文章还通过实验中观察到的现象及数据，展示了输电线覆冰的过程和特点，分析了覆冰对输电线自重和所受风荷载的影响、覆冰厚度沿输电线横向的变化规律，并通过与已有冰区划分规范的对比，对地区冰区划分给出了建议。关键词：覆冰；输电线路；影响程度；覆冰规律；对比规范1引言在设计覆冰敏感的结构时，需要考虑冻雨、覆雪、雾中覆冰所导致的大气环境下的覆冰荷载。进行覆冰荷载的研究可以帮助解决寒冷地区输电线路和风力发电机的许多相关问题。每年冬季，因线路覆冰而引发的输电线路、绝缘子、杆塔的机械性破坏和导线的脱冰舞动频繁发生，造成了巨大的经济损失。对于风力发电机而言1，风力发电机叶片覆冰会导致叶片形状的改变，影响叶片的空气动力特性，导致机组出力下降，进而造成发电机组效率降低甚至是大面积停机的严重后果。本文主要介绍覆冰荷载中的输电线路覆冰分布的实验研究。迄今为止，国内已发生多起因覆冰过荷而导致的输电线路、绝缘子及杆塔的损坏甚至倒塌。如自2008年1月12日至2月1日14时2，贵州全境遭受了50年以来最严重的大面积雪凝天气，贵州电网因冰害引起500kV线路停运12条，220kV线路停运46条，110kV及以上累计受灾共计312条线路停运，倒杆塔302基，断线393处，受到损害的电力线路共达4146条，造成44个县市遭受大面积停电，全省电网解列为五个小网。有些地区的输电线路覆冰甚至达到40mm以上，是导线直径的数倍。可见，覆冰荷载对于输电线路的影响是不可忽略的。随着国家经济的不断发展，电网的建设越来越重要，如何能够减少寒冷地区输电线路因覆冰而造成的经济损失成为了一个重要的研究方向。在这个大背景下，进行对输电线路覆冰分布的实验研究，并在此基础上观察输电线路覆冰的过程，分析覆冰对输电线路力学性能的影响变得格外重要。除此之外，从土木工程灾害防御3的角度来分析输电线路因雪灾而损毁的问题，不难发现：输电线路及杆塔因覆冰而损毁的主要原因在于杆塔等结构构件的受力失衡，其中覆冰荷载扮演了灾害性荷载的角色。如果能够通过实验发现输电线路覆冰后的力学性能变化规律，进而分析杆塔等构件在雪灾过程中的失效原理，就能设计出更加稳定的杆塔结构，有效的减少雪灾所带来的损失，即从土木工程的角度来防治灾害。而获得输电线路覆冰后的有关数据和力学性能变化规律，则是解决问题的出发点和突破口。2主要研究内容1、进行输电线路的覆冰实验，观测并记录输电线覆冰的形状，覆冰分布状况，覆冰厚度,覆冰质量。22、分析实验数据，得到输电线覆冰分布的规律。3、对比冰区划分规范，根据实验结果，对地区的冰区划分给予建议。3覆冰实验方案、实验数据及分析3.1输电线路覆冰实验方案及原始实验数据3.1.1预实验预实验可以比较得出造雪机覆冰效果最佳的喷射距离和喷射角度，进行预实验，有利于使覆冰实验现象明显，便于观察。1、实验步骤：（1）利用造雪机向结构直杆（约2m高）分别在距离4m、6m、8m处进行覆冰操作，覆冰时长5分钟，观测结构直杆的覆冰情况，比较出最佳覆冰距离，并拍摄照片。（2）利用造雪机向结构直杆（约2m高），在已经确定的最佳覆冰距离处，改变喷射角度进行覆冰操作，覆冰时长5分钟，观测结构直杆的覆冰情况，比较出最佳覆冰角度，并拍摄照片。图1预实验2、实验结论：根据实验效果（如图1所示），比对后最终确定距造雪机6m远模拟效果最好，最佳喷射角度为平射。3.1.2第一次覆冰实验利用造雪机进行覆冰操作，模拟自然状态下输电线覆冰，观测覆冰的分布，覆冰截面的形状，覆冰厚度及覆冰质量。通过分析实验原始数据，进一步得出输电线覆冰的规律。1、实验温度：-4摄氏度。2、实验研究对象：一根质量为144.1g，总长度2米，试件架上跨度1.2米，垂度20cm左右，直径1.05cm的输电线。3、实验步骤：（1）购买输电线、网格纸，搭建试件架，架设输电线。（2）选取温度适宜（要求温度低于-5摄氏度），同时避免扰民（在22点前结束实验）的时间段进行实验。3（3）启动造雪机，向输电线进行覆冰操作，时长5分钟。（4）关闭造雪机，将覆冰后的输电线挂到室外一晚，使得造雪机喷射的水含量较大的雪得以冰冻密实。（5）次日早6点之前（防止室外温度过高导致覆冰融化）进行覆冰分布的观测，覆冰厚度的测量，并拍摄照片。（6）重复进行实验，获取更多实验数据，使实验结果更具有普遍性。4、覆冰截面形状：近似椭圆形。5、实测结果，如表1所示，实验现象如图2所示：表1第一次覆冰实验实测结果项目实测结果截面长轴长度/cm1.32截面短轴长度/cm1.18覆冰质量/g112.2ABC图2第一次覆冰实验3.1.3第二次覆冰实验（两根输电线）1、实验温度：-7摄氏度。2、实验研究对象：两根质量为144.1g，总长度2米，试件架上跨度1.2米，垂度20cm左右，直径1.05cm的输电线。3、实验步骤：（1）购买输电线、网格纸，搭建试件架，架设输电线。（2）选取温度适宜（要求温度低于-5摄氏度），同时避免扰民（在22点前结束实验）的时间段进行实验。（3）启动造雪机，向输电线进行覆冰操作，时长5分钟。（4）关闭造雪机，将覆冰后的输电线挂到室外一晚，使得造雪机喷射的水含量较大的雪得以冰冻密实。（5）次日早6点之前（防止室外温度过高导致覆冰融化）进行覆冰分布的观测，覆冰厚度的测量，并拍摄照片。（6）重复进行实验，获取更多实验数据，使实验结果更具有普遍性。4、覆冰截面形状：近似椭圆形。45、实验现象：两根输电线上分布7块较为完整的冰柱，4块位于第一根输电线上，3块位于第二根输电线上，分别标记为序号I至VII，可得如下实测结果。6、实测结果覆冰厚度、长度、质量等实测结果如表2至4所示，冰柱序号划分及实验现象如图3至5所示。1IIIIIIIVVIIVVI图3冰柱序号划分表2覆冰厚度实测结果序号截面位置上端冰厚度/mm下端冰厚度/mm截面短轴长/mm截面长轴长/mmIIIIIIIVVVI左271822中462227右562024左1122223中0000右3132525左671923中641821右551820左521315中411215右211012左30816中201215右211516左612021中111616右832030VII左27125355中2712535右2602530表3覆冰长度实测结果序号覆冰长度/mmI181II200III破损IV116V259VI168VII破损表4覆冰质量实测结果序号覆冰质量/g第一根输电线45.8第二根输电线104.0AB图4第二次覆冰实验整体效果6ABC图5第二次覆冰实验截面形状及测量3.2实验数据的进一步分析通过将覆冰实验中获得的覆冰厚度、覆冰质量等数据与输电线本身的一些数据进行对比可以分析得出输电线覆冰对其力学性能的影响。同时，分析输电线覆冰厚度沿输电线横向的变化规律可以得到输电线覆冰的分布特点。再进一步对比冰区划分规范，可以给出地区的冰区划分建议。3.2.1第一次覆冰实验覆冰厚度分析将输电线覆冰厚度取平均值，用覆冰厚度平均值的两倍作为截面总覆冰厚度，将其与输电线直径做比率，可分析出输电线覆冰对其截面面积的影响，结合覆冰将输电线的圆截面改变为椭圆截面，可以分析覆冰对输电线所受风荷载的增大程度。针对表1数据进行进一步分析得表5结果如下：表5第一次覆冰实验数据分析测量位置覆冰厚度平均值/mm总覆冰厚度与输电线直径比率沿截面长轴方向1.3525.71%沿截面短轴方向0.6512.38%3.2.2第二次覆冰实验覆冰厚度分析针对表2数据进行进一步分析得表6结果如下：表6第二次覆冰实验数据分析序号截面位置覆冰厚度平均值/mm总覆冰厚度与输电线直径比率左4.585.71%I中595.24%右5.5104.76%7IIIIIIVVVIVII左6.5123.81%中00%右8152.38%左6.5123.81%中595.24%右595.24%左3.566.67%中2.547.62%右1.528.57%左1.528.57%中119.05%右1.528.57%左3.566.67%中119.05%右5.5104.76%左14266.67%中14266.67%右13247.62%由表5和表6数据可发现，总覆冰厚度与输电线直径比率很高，会使输电线截面面积大幅度增大，大幅增大输电线所受风荷载。对两根输电线，研究从左至右的输电线覆冰厚度平均值的变化情况，如图5和图6所示：图5第一根输电线覆冰厚度变化图由图5可以看出，除去5号标记点后，第一根输电线覆冰厚度呈现中间厚左右薄的分布形态，且实际观测过程中，第一根输电线整体覆冰分布呈现分块的状态，块与块之间覆有1mm厚的细冰层。在实验过程中发现，由于覆冰在输电线上吸附力不足，且造雪机风力很大，输电线受风舞动严重，导致覆冰脱落，最终形成分块分布的覆冰情况。5号点、细冰层及分块分布均由此产生。自然条件下，跨度远大于2m时，覆冰在输电线上吸附力较大，输电线受风舞动也会减轻，此时输电线覆冰应连续完整。8图6第二根输电线覆冰厚度变化图由图6可以看出，除去5号点后，1、2、3、4、6五个点覆冰厚度变化情况与图5规律类似，但7、8、9三个点出现反常。在实验过程中发现，由于覆冰过程中，试件架顶部横梁也会覆冰。且由于覆冰过程中，冰晶没有凝结，导致顶部横梁的覆冰有时会下落，若其下落过程中覆在输电线上，会导致输电线覆冰厚度反常增大。7、8、9三个点均由此产生。将5号点剔除，将7、8、9三个点向下平移，发现图6所得覆冰厚度变化规律与图5相似。3.2.3覆冰质量分析将三根输电线覆冰质量与输电线质量做比率，可以分析覆冰对输电线自重的影响程度。针对覆冰质量实测数据进一步分析得表7结果如下：表7覆冰质量数据分析实验次数第一次第二次第三次覆冰质量/g112.245.8104.0覆冰质量与输电线质量比率77.86%31.78%72.17%由表7数据可发现，覆冰质量与输电线质量比率很高，大幅度增加了输电线自重，对输电线力学性能影响较大。综合分析覆冰质量与输电线质量比率、总覆冰厚度与输电线直径比率两个数据，可以得出，覆冰对输电线自重和输电线所受风荷载影响很大。在输电线路、杆塔结构设计中，覆冰荷载应是一个重要的考虑方向。3.3对比现行冰区划分规范目前，超高压输电线路（110kV以上）冰区划分如下表8和9所示4：表8500kV超高压输电线冰区划分49冰区等级0IIIIIIIVV气象区名称无冰区轻冰区中冰区重冰区特重冰区超重冰区覆冰厚度/mm0510203040表9110kV和220kV超高压输电线冰区划分4线路电压/kV110220气象区名称轻冰区重冰区轻冰区重冰区覆冰厚度/mm520520本次实验中，所得覆冰厚度大多在5mm-10mm之间，因此建议地区冰区划分为中冰区，此时偏于安全。4结束语实验验证了利用造雪机进行输电线覆冰的可行性，并分析了实验操作过程中需要注意的事项。通过实验数据，发现了输电线覆冰分布的规律，还发现了覆冰对输电线的自重和所受风荷载的影响规律。由实