环境参数对绝缘子表面覆冰增长的影响

覆冰严重威胁电力系统的安全运行,国内外对输电线路覆冰机理、增长过程和覆冰闪络特性开展了大量研究,但对绝缘子覆冰增长预测模型及相关试验研究甚少,因此开展了LXP-160玻璃绝缘子在不同覆冰环境参数下其表面覆冰增长的试验研究,分析了温度、水滴颗粒直径(MVD)、风速等对绝缘子表面覆冰增长的影响,得到了采用旋转监测导体覆冰厚度d1、绝缘子表面覆冰厚度d或绝缘子覆冰质量m来表征绝缘子的覆冰程度之间的等价性关系。结果表明:水滴颗粒直径、风速越大或温度越低,绝缘子表面覆冰增长越快,其冰棱越长且越粗;温度对绝缘子覆冰类型有影响,当风速小于0.5m/s、液态水质量浓度110g/m3,MVD为130μm,温度小于-8°C时,绝缘子表面覆冰类型为雨凇,温度为-11°C时,绝缘子表面覆冰类型为硬雾凇;d1、d和m之间关系为d=0.684d11.09和m=0.828lnd1-1.186。研究结果可为揭示绝缘子覆冰机理提供参考。     

利用旋转多圆柱导体覆冰质量预测湿增长过程覆冰参数

针对目前覆冰环境参数测量的难题,根据现有的一些覆冰模型,建立了新的覆冰预测模型,分析了水滴的两个参数(液态水含量(LWC)和中值体积直径(MVD))和风速对不同直径圆柱体覆冰质量和覆冰厚度的影响,根据上述三参数对不同直径圆柱体覆冰质量之间的特性关系,采用数学拟合逼近方法,利用MATLAB编制了基于旋转多圆柱形导体覆冰质量的三参数分析程序,在人工气候室里完成覆冰试验验证,并采用激光粒度仪和风速仪测试对比验证。结果表明,基于旋转多圆柱形导体对水滴参数和风速测量计算是可行的,提出的数学拟合逼近计算方法正确,编制的参数分析程序合理,收敛性比较好,可以在恶劣的覆冰环境下实现对水滴参数和风速的快速测量。     

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.     

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%。     

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。     

基于最优时间步长模型的输电导线雾凇覆冰预测

输电导线覆冰是影响电力系统安全稳定运行的主要自然灾害之一,研究大气环境参数对导线覆冰过程的影响并对其进行准确预测具有重要意义。考虑直接影响覆冰预测准确度和计算时间开销的计算时间步长ts,研究并提出覆冰预测最优时间步长模型,针对雾凇覆冰情形,在每步预测计算中重新确定时变环境参数,对重构网格贴体加密,采用有限体积法求解基于RNG方法的k-ε湍流模型得到气流流场,采用拉格朗日方法在气流流场基础上得到过冷却水滴运动轨迹,通过后处理获得导线雾凇覆冰质量与冰形。研究导线在不同风速、大气温度、液态水含量、水滴中值体积直径以及导线直径等因素下的雾凇覆冰质量与冰形,总结了各因素对导线雾凇覆冰的影响规律。为验证所建雾凇覆冰预测模型,在重庆大学雪峰山自然覆冰试验基地进行了自然雾凇覆冰试验。试验得到的覆冰质量及冰形均与文中预测结果吻合度较好,证明了该预测模型准确、有效。     

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。     

基于水滴碰冻效率的扩径导线防冰特性分析

输电线路导线覆冰危害电力输送安全，导线防冰/除冰方法一直是国内学者关注的焦点。近年来，利用扩径导线进行防冰的方法被一些学者提出。该文针对扩径导线防冰特性问题，对不同直径导线表面的水滴碰撞和冻结过程进行分析，研究了导线直径对水滴碰撞系数和覆冰速率的影响，提出扩径导线临界防冰直径D_p的计算方法，并对不同风速、水滴中值体积直径和不同温度条件下的D_p值进行了仿真计算。此外，通过不同直径铝管的自然覆冰试验对扩径导线的防冰性能进行了验证。研究结果表明：扩径导线表面的最大水滴碰撞系数随着直径的增大而减小，但水滴碰撞范围会扩大；由于导线表面的水滴捕获率和覆冰速率均随着直径的增大先增加后减小，利用扩径导线进行防冰需使其直径大于临界防冰直径D_p，风速、水滴中值体积直径越大，环境温度越高，D_p值越大。     

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.     

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。     

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。     

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。     

输电导线的覆冰模拟系统

为了更好地开展输电导线覆冰及防冰研究工作,需研制输电导线覆冰模拟系统,故在分析了输电导线常见雨淞覆冰气候条件基础上优化设计了导线成冰小室、喷水装置及导线旋转系统等。利用Fluent流体仿真软件分析成冰小室中气流分布的情况表明,该成冰小室内部气流分布基本均匀,可有效模拟导线覆冰过程中周围气流场分布。实测成冰小室内部风速与仿真结果相符且喷水装置产生的水滴直径达到了自然界中毛毛雨的雨滴直径。对钢芯铝绞线覆冰实验显示,导线表面短时内即可形成均匀致密的雨淞层,说明该覆冰模拟系统可以有效模拟自然界中导线表面雨淞覆冰的形成过程。     

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。     

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...     

基于数值模拟的导线覆冰类型临界条件分析

准确判断覆冰类型是覆冰量增长准确预测的基础。基于Fluent离散相模型计算了圆柱形导线外部气流流场分布和水滴运动轨迹,得出了不同环境下的水滴碰撞系数,根据覆冰雨、雾凇增长的定义,结合导线覆冰热平衡模型,提出了一种基于数值模拟推断出雨、雾凇类型对应的外界条件的方法。通过导线覆冰数值仿真与分析,得出了导线覆冰类型与碰撞特性和冻结特性的关系,分析了影响覆冰类型的环境参数,根据碰撞特性和冻结特性曲线以及环境参数可以初步判断覆冰形成类型。     

输电线路非均匀覆冰的实时监测和计算模型

为实时监测和计算输电线路的覆冰,提出了根据线路导线悬挂点倾角和悬垂绝缘子串偏斜角进行输电线路非均匀覆冰实时计算的模型和方法。从线路耐张段内非均匀覆冰的普遍情况出发,在介绍了设计用经典算法后,详细推导了用导线悬挂点倾角和悬垂绝缘子串偏斜角计算各档导线覆冰厚度的方法和过程,提供了实用的计算公式。另外还介绍了所研制的导线温度-倾角测量装置和悬垂绝缘子串偏斜角测量装置的功能,以及采用小型气象站、线路视频监察装置、导线温度-倾角测量装置和绝缘子串偏斜角测量装置,以及主站和监测软件组成的线路覆冰实时综合监测系统在线路覆冰形成、发展、恶化全过程监测中的作用。系统已在浙江电网实施,它是国内功能比较完整、实用、有效的新一代覆冰实时监测系统。     

输电导线的覆冰时变仿真模型

为了揭示输电线路导线覆冰形成过程,从空气动力学和热力学角度出发,建立了包含捕获过冷却水滴和冰面热传递等过程的覆冰预测模型。采用边界元法求解了2维不规则物体绕流的空气流场;在假定的气液两相分离的条件下得到了水滴运动控制方程;并采用二阶差分方程求得过冷水滴的运动轨迹,得到了输电线表面各单元的瞬时局部碰撞率。建立并求解输电线表面覆冰的热平衡方程,从而得到各表面单元的覆冰情况,并结合覆冰时间对覆冰过程进行模拟。所得到的覆冰形貌和覆冰质量与已有实验结果基本相符;且该模型的环境参数和导线状态等输入条件在计算过程中可以随时改变而不影响模型的连续计算。此外,采用该模型可以得到时变的覆冰形貌和覆冰质量,能较好地适应实际情况中的复杂时变气象条件。     

冰棱生长对绝缘子覆冰过程的影响分析

国内外对不同环境参数下绝缘子覆冰增长特性进行了大量的试验研究,而绝缘子湿增长覆冰过程中会产生冰棱,对冰棱如何影响绝缘子覆冰的研究较为缺乏。因此,该文首先基于流体力学原理,采用仿真软件Fluent对比分析有、无冰棱及冰棱长度对绝缘子外部气流场及水滴运动轨迹的影响,计算得到不同冰棱长度下绝缘子表面的水滴碰撞率α_1。在此基础上,根据热平衡方程,推导出绝缘子表面冻结系数α_3的计算公式,进而得到绝缘子表面覆冰厚度增长模型。对复合绝缘子FXBW-110/100和瓷绝缘子XP-160在人工气候室开展湿增长覆冰试验,研究不同温度及风速下,绝缘子表面覆冰厚度随时间的变化规律,并将模型计算结果与试验值对比。结果表明:两种绝缘子表面覆冰厚度模型的计算值与试验值的误差小于10%,瓷绝缘子覆冰厚度增长速度快于复合绝缘子,并且随着冰棱长度的增加,绝缘子表面覆冰厚度增长速率逐渐降低。     

基于CFD的高速动车组车顶支柱绝缘子覆冰特性研究及防覆冰伞裙优化

高速动车组车顶支柱绝缘子在寒冷环境中高速运行,其表面容易产生覆冰现象,进而引发局部放电、闪络击穿等外绝缘事故,导致列车停运,造成巨大的经济损失.然而,现阶段对动车组车顶绝缘子覆冰特性的研究并不充分.该文采用基于计算流体动力学(CFD)的数值模拟方法,对FQJG2-30/16-400型硅橡胶车顶绝缘子在不同环境参数下的覆冰特性进行研究.结果 表明:在高速运行条件下,覆冰主要形成在车顶绝缘子迎风侧的伞裙边沿和棒径处,覆冰厚度在迎风侧棒径中心处达到最大值.动车组车顶绝缘子表面的覆冰量随着温度(θ)、风速(ν)、液态水含量(LWC)以及液滴中值体积直径(MVD)等环境参数的增大而增大.基于防覆冰结构优化研究结果,推荐的高速动车组车项支柱绝缘子的防覆冰结构参数为:伞裙下倾角为0°;大小伞裙直径比为1;在满足机械强度的条件下伞裙上倾角、绝缘子棒直径尽量小;在保证一定爬电距离的情况下绝缘子伞裙间隔尽量小.