输电线路防覆冰临界电流密度预测模型研究

分析建立了导线覆冰过程的热平衡方程.提出了基于焦耳热效应的输电线路防覆冰临界电流密度计算公式,并对该临界电流密度公式进行了仿真计算.结果表明,防覆冰临界电流是导线外径、导线电阻、表面几何外形等导线自身参数以及环境温度、风速、水滴中值体积直径、空气中液态水含量等大气参数的函数.通过合理调度负荷可达到减少导线覆冰的目的.     

基于改进Messinger覆冰模型导线防冰临界电流计算及其影响因素分析

为了得到不同覆冰气象条件下导线防冰临界电流,基于电流防冰时导线表面水膜流动,建立导线表面水膜流动模型对Messinger覆冰模型进行改进,确定了过冷水滴局部撞击系数(LCC)、导线表面局部对流换热系数(LHTC)与导线表面液态水局部冻结系数(LFC)计算方法。首次计算导线表面LHTC与LFC,并基于LFC计算结果,实现了导线防冰临界电流自动计算。计算结果表明:导线表面LCC、LHTC和LFC在导线驻点位置达到最大值,其中LFC随电流增大而减小;风速、温度是影响防冰临界电流的主要因素,含水量与水滴直径大小对临界电流没有明显影响。     

基于分散型旋转圆导体的覆冰参数预测

输电线路导线、绝缘子覆冰严重威胁电力系统的安全可靠运行,对覆冰环境参数进行实时监测是研究导线、绝缘子覆冰机理的关键。该文从旋转圆导体空气、水滴二相流分布出发,计算分析了不同直径圆导体水滴碰撞特性和冻结特性,以此为基础,推导了不同直径旋转圆导体覆冰速率随风速、水滴中值直径的变化规律,确定了以五个旋转圆导体为积冰器进行覆冰参数预测的方法。运用差分进化算法理论,建立基于改进的差分进化算法的覆冰参数预测模型,模型预测误差小于10%。在雪峰山自然覆冰基地开展了覆冰验证试验,利用自主设计的分散型旋转圆导体对6.7h覆冰期进行了不间断监测,装置工作状态良好,将试验所得数据代入预测模型,所得风速、环境温度、水滴中值直径、空气液态水含量四个环境参数预测值平均误差均小于7%,验证了装置测量数据以及预测模型准确度。     

导线临界防冰电流及其影响因素分析

导线覆冰是影响输电线路安全运行的主要问题之一,基于焦耳热效应的临界电流防冰方法可行且有效。为此,基于焦耳热效应和导线在临界覆冰状态下的传热过程,并考虑了集肤效应、导线几何外形及其表面水膜对传热过程的影响,建立了临界防冰电流模型,其计算结果与人工气候室试验结果符合。另外,还研究了在覆冰环境下,导线直径及几何外形、环境温度、风速、液态水含量(LWC)、中值体积直径(MVD)对输电线路临界防冰电流的影响。仿真结果表明,临界防冰电流随温度的降低或风速的增加而迅速增大,随LWC的增大或MVD在0～100μm区间增大而缓慢增大,而当MVD>100μm时,临界防冰电流无明显变化。     

等效扩径导线与分裂导线覆冰比较

覆冰地区的输电线路覆冰将对电网的安全稳定运行产生严重威胁,甚至导致大面积停电。考虑到扩径导线具有覆冰少、表面电场强度低等优点,在覆冰地区采用扩径导线有望降低输电线路的冰灾事故。为此结合导线覆冰形成机理,在雪峰山野外站对导线覆冰与其直径的关系进行了十余年的观测统计分析,并对扩径导线替代n(n=4, 6, 8)分裂导线的3种方案的覆冰特性和机械特性进行对比研究。结果表明:导线覆冰与其直径的关系满足导线直径越大,水滴碰撞率越低,覆冰量越少;与普通分裂导线相比,采用有效导电面积相同的扩径导线代替分裂导线,其传输能力相同,但覆冰量减少约60%～70%,提高了输电线路的抗冰强度,且其机械特性也优于多分裂导线。该研究结果可为覆冰地区的高压、超高压以及特高压输电线路采用扩径导线替代分裂导线实现冰灾的有效防治提供新思路和数据参考。     

输电线路导线覆冰机理及雨凇覆冰模型

为了揭示输电线路导线覆冰形成的原因和覆冰机理,通过对已有文献系统分析,指出导线覆冰是热力学、流体力学和电流电场耦合作用的结果.在国内外已有的覆冰模型基础上,针对雨凇覆冰过程,通过引入碰撞系数、冻结系数和收集系数给出了导线均匀覆冰和非均匀覆冰的覆冰质量和覆冰厚度预测模型,研究了在不同过冷却水滴中值体积直径、风速以及导线直...     

覆冰交流输电线路保线电流及其影响因素分析

建立了导线覆冰过程的热平衡方程,同时考虑绞线几何外形及集肤效应对传热过程的影响,提出了基于焦耳热效应的输电线路导线保线电流计算公式,并采用Runge-Kutta算法对水滴运动轨迹进行模拟,得到碰撞系数这一关键参量值。仿真结果表明,保线电流是导线外径、导线电阻、表面几何外形等导线自身参数以及环境温度、风速、水滴中值体积直径、空气中液态水含量等大气参数的函数;得到了不同绞线在典型覆冰类型下的保线电流,与人工气候室的试验结果相吻合。将该模型的预测结果与其他模型进行了比较,进一步证明该模型的准确性。     

双分裂导线覆冰等效圆柱表征方法及试验验证

分裂子导线流场间的耦合影响是造成分裂导线和单导线覆冰特性差异的主要原因.根据导线覆冰增长理论,该文提出用等效圆柱来表征分裂导线覆冰程度的计算模型,并研究了等效圆柱直径与覆冰时间、覆冰环境参数(温度、风速、水滴中值直径)、双分裂导线结构(导线直径、分裂间距)之间关系.研究结果表明:双分裂导线等效圆柱直径受环境温度和覆冰时间的影响较小,但随风速、水滴中值直径的增大而逐渐增大,增长趋势逐渐饱和.等效圆柱直径随双分裂导线结构组合参数增大而减小,两者存在指数拟合关系.并在人工气候室内搭建平台,结果显示等效圆柱和双分裂导线覆冰量最大相对误差为2.5％,验证了该方法的有效性.     

特高压直流输电大截面导线带电覆冰与融冰特性试验研究

现有小截面导线覆冰和融冰规律不能直接线性换算至大截面导线,为此在人工气候实验室开展LGJ-720/50和JL/G3A-900/40这2种特高压直流输电大截面导线的带电覆冰与融冰试验,分析覆冰厚度增长与电流和气象参数的变化规律,得到大截面导线融冰时间与融冰电流、环境温度和风速、覆冰厚度的特性曲线。研究结果表明运行电流通过产生焦耳热降低水滴在大截面导线上的冻结系数能抑制覆冰增长;风速增大、降雨量增加可以增大水滴的碰撞系数和收集系数,温度降低可增大冻结系数,从而加快导线覆冰增长速度;环境温度还决定着导线覆冰类型。大截面导线融冰时间主要取决于导线表面需要融化的冰层厚度,并随着融冰电流的增大逐渐减小;环境温度越低,风速越大,融冰时间越长;融冰时间随覆冰厚度增加呈线性规律增长。研究结果能够为特高压直流输电线路阻冰和融冰提供理论指导。     

复合绝缘子雾凇覆冰厚度预测模型

基于拉格朗日法,通过数值求解覆冰过程中复合绝缘子外部连续气流场和水滴运动轨迹,提出一种以区域分割方式数值计算绝缘子表面水滴碰撞系数的方法,并分析了风速和水滴中值体积直径(MVD)对水滴碰撞系数的影响;通过求解覆冰热平衡方程建立绝缘子雾凇覆冰厚度预测模型,并通过人工覆冰增长试验,对模型进行了验证。数值计算和试验结果表明:复合绝缘子迎风侧杆径和伞裙边缘的水滴碰撞系数比迎风侧伞裙表面的碰撞系数大很多,迎风侧伞裙表面的水滴碰撞系数几乎是背风侧水滴碰撞系数的两倍;水滴碰撞系数随风速和MVD的增大而增大,且MVD的影响程度比风速更大;绝缘子伞裙表面覆冰厚度小于8mm时,模型能很好地预测绝缘子表面雾凇覆冰厚度,模型计算厚度与试验实测厚度相对误差在8%以内;绝缘子伞裙表面覆冰厚度在10~14mm之间时,模型的预测准确性稍差,其相对误差为12%~15%。     

不同直径下导线覆冰增长特性

为研究导线覆冰湿增长与覆冰参数之间的关系,确定导线覆冰厚度的增长特性,在人工气候室内,对不同直径导线进行了覆冰试验研究。通过控制覆冰试验条件,得到大量不同直径导线覆冰厚度增长的试验数据,对试验数据进行对比分析,得到导线覆冰增长特性,并采用MATLAB覆冰预测仿真程序进行验证。分析了温度、风速、时间等因素对不同直径导线覆冰增长特性的影响。试验结果表明:不同直径导线覆冰厚度初始时刻增长较快,随着时间延长覆冰厚度呈现饱和趋势,且导线初始直径越小,增长量越大;在湿增长情况下,导线覆冰厚度与温度成反比;通过纵向对比试验数据和模型仿真发现,风速存在临界值使得导线达到最大覆冰增长速度,并且温度越低,临界风速值越大;存在导线覆冰最大直径。     

导线覆冰及其干湿增长临界条件分析

为输电线路的抗冰设计和防冰技术措施以及在实验室中模拟导线覆冰提供理论依据，根据导线覆冰的物理过程对导线覆冰过程中的热平衡进行了系统分析，提出了导线覆冰的热平衡方程，并因此得到了导线覆冰的冻结系数，湿增长覆冰向干增长转变的临界条件以及临界条件均为环境温度，风速，水滴直径，空气中液态水含量及导线传输电流时导线覆冰的函数，通过仿真计算，得出了覆冰干湿增长临界条件下和导线覆冰临界条件下环境温度，风速，水滴直径，空气中液态水含量及导线传输电流等参量之间的关系，并提出可以通过提高线路传输电流的方法达到减少或防止导线覆冰的目的。     

空气动力型绝缘子表面不同区域的水滴撞击特性

绝缘子严重覆冰会引发闪络进而导致电网停电事故,研究水滴撞击绝缘子表面的流场和运动特性对了解绝缘子的覆冰形成过程具有重要意义。以空气动力型绝缘子为研究对象,基于Lagrange法,通过数值求解覆冰过程中绝缘子外部连续气流场和水滴运动轨迹,提出一种以区域分割方式数值计算绝缘子表面不同区域水滴碰撞系数的方法;分析了风速和水滴中值体积直径(MVD)对水滴碰撞系数的影响,并进行了试验验证。研究结果表明:对于空气动力型绝缘子,其钢帽和绝缘子伞边缘碰撞系数差别不大(3%),2个区域的碰撞系数都远大于迎风侧绝缘子伞表面碰撞系数(高60%~190%);迎风侧绝缘子伞表面的碰撞系数也几乎是背风侧绝缘子整体碰撞系数的2倍;水滴碰撞系数随风速和MVD的增大而增大,且MVD对水滴碰撞系数的影响程度比风速更大;采用区域分割方式分析得到的绝缘子覆冰特性与试验结果更相符。     

环境参数对导线覆冰厚度影响的试验分析

2008年的冰灾给电力系统造成了严重的危害,研究环境参数对导线覆冰的影响在防冰抗冰研究工作中显得尤为重要。为此,在重庆大学人工气候室内完成了3种不同直径导线在不同风速、液态水含量(LWC)即液态水质量浓度、水滴中值体积直径(MVD)、环境温度等环境参数下的覆冰试验。分析了覆冰时间及4个环境参数对覆冰厚度的影响,研究表明,在湿增长条件下覆冰厚度基本不受MVD改变的影响,提出线路架设应避开高风速地区,建议人工气候室覆冰根据制冷系统效果选择最快覆冰的LWC和温度值。     

交流输电导线覆冰增长及临界防冰电流的试验研究

输电线路导线覆冰荷载和导线覆冰后舞动产生的荷载均可能引起倒塔或导线断线事故,从而严重威胁电力系统的安全运行。为此在大型多功能人工气候室开展不同型号导线在不同气象条件下覆冰增长和临界防冰电流试验研究,得到不同条件下导线覆冰增长随时间变化的关系曲线,分析影响其覆冰增长和临界防冰电流的因素。研究结果表明运行电流可延缓导线的覆冰增长;同等覆冰条件下,直径小的导线覆冰增长较快;环境温度和风速对导线覆冰增长均有明显影响,且环境温度将决定导线表面的覆冰类型;导线运行电流达到一定值可使其不覆冰且临界防冰电流值与气象参数有关。研究结果可为进一步揭示导线覆冰机理提供参考。     

防冰临界电流的研究与仿真

为输电线路防冰技术及实验室模拟导线覆冰和防冰研究提供理论参考,对导线表面覆冰过程中的热平衡过程进行了研究,并提出和分析了目前影响临界电流不足的因素。通过仿真实验,得出了覆冰条件下,环境温度、风速和空气含湿量与临界电流之间的关系。结果表明,当风速达到一定值时,液滴收集系数、撞击动能及空气动力热能的综合影响使临界电流仿真计算值小于文献值。     

导线覆冰过程中水滴尺寸参数影响的碰撞率分析

导线覆冰增长预测中,碰撞率是一项不可忽视的重要参数,该参数的合理获取与实时环境参数如风速、水滴直径、温湿度、气压及导线直径等密切相关。水滴中值直径(MVD)常用来近似整个滴谱,但计算表明,对于不同体积百分比的水滴分布,基于MVD的碰撞率与实际滴谱碰撞率相差较大。论文提出了新的体积权重直径(VWD)来近似滴谱,分析三种水滴尺寸参数的碰撞率,基于VWD的碰撞率更接近实际滴谱的碰撞率,相对误差较小。解析了基于VWD的碰撞率精度更高的数学原理,讨论了该方法的适用范围。同时,通过试验的对比分析,计算碰撞率和实测碰撞率相对误差较小,覆冰质量接近,验证了该方法进行覆冰预测的可靠性,进一步将其应用于实际输电线路的覆冰厚度预测。     

环境参数对110kV复合绝缘子覆冰增长过程的影响

绝缘子覆冰严重影响着电力系统的安全稳定运行,国内外对输电线路覆冰增长过程进行了大量的研究,但对绝缘子覆冰过程的研究较少,因此研究环境参数对绝缘子覆冰的影响在防冰抗冰工作中显得尤为重要。为此,通过在人工气候室的模拟试验来研究环境参数(水滴中值体积直径(MVD)、液态水含量(LWC)、温度、风速)对不同伞型结构的110kV复合绝缘子覆冰过程的影响。研究结果表明:绝缘子覆冰质量、伞裙表面覆冰厚度、冰凌长度及冰凌直径随时间的增长成非线性增长,而随着时间的延长,覆冰质量的增长程度变缓;绝缘子覆冰质量随着环境温度的降低成非线性增加;绝缘子覆冰质量随风速的增加而增加;水滴中值体积直径、液态水含量对绝缘子覆冰质量、冰凌增长有着重要的影响,随着MVD、LWC的增大,覆冰质量、冰凌长度增长迅速;在同等覆冰条件下,D型绝缘子的覆冰质量最轻,冰凌桥接速度最慢,所以D型绝缘子更适合在覆冰严重地区使用。     

典型覆冰导线碰撞系数仿真分析

覆冰碰撞系数是导线覆冰生长预测的关键参数。基于气液两相流标准湍流模型和欧拉—拉格朗日原理建立导线外部二维流场数学模型,计算水滴的运动轨迹,实现对圆形、椭圆形、翼形3种典型导线覆冰的碰撞系数仿真;并分别给出不同迎风攻角下椭圆形、翼形覆冰的碰撞系数。仿真结果表明:在相同气象条件下,圆形截面覆冰导线碰撞系数较长短轴比4:3的椭圆形高出4.79%~6.21%,较翼形高出4.04%~8.14%;相同导线覆冰形状在0°~30°迎风攻角范围内,攻角越大,碰撞系数越高。     

基于碰撞特性的导线雾凇覆冰厚度预测模型研究

为了给输电线路抗冰设计中冰雪厚度的估算及覆冰机理的研究提供理论依据,笔者从流体力学和热力学角度出发,建立全面的表征导线捕获过冷却水滴及冰面热传递过程的雾凇覆冰厚度预测模型。仿真结果表明,水滴与导线碰撞时的碰撞系数以及覆冰密度是影响预模型测结果精确性的关键参数,随覆冰时间增加雾凇覆冰厚度增长率逐渐减小,碰撞系数逐渐减小,水滴碰撞导线速度和冰面温度也随之减小,导致雾凇冰密度也逐渐减小。仿真和实验结果均表明,随圆柱体初始直径的增加,冰厚呈幂函数降低,模型预测结果与试验及现场观测结论一致。