孫利朋，蔣正龍，盧杰，趙世華，楊柳

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長沙410000；3.國網(wǎng)湖南省電力公司岳陽分公司，湖南岳陽414000)

人工覆冰氣候室制冷系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算與設(shè)備選型分析

孫利朋1，蔣正龍2，盧杰3，趙世華1，楊柳3

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長沙410000；3.國網(wǎng)湖南省電力公司岳陽分公司，湖南岳陽414000)

維護(hù)結(jié)構(gòu)和制冷設(shè)備是開展特高壓設(shè)備人工覆冰的主要設(shè)備，準(zhǔn)確選取其參數(shù)是成功開展覆冰試驗(yàn)的關(guān)鍵。本文提出了維護(hù)結(jié)構(gòu)和制冷設(shè)備的參數(shù)計(jì)算方法，并對實(shí)際的特高壓人工覆冰氣候室的各項(xiàng)制冷參數(shù)進(jìn)行了測量，驗(yàn)證了參數(shù)選型的正確性。

特高壓；覆冰；氣候?qū)嶒?yàn)室；制冷

覆冰是嚴(yán)重威脅輸變電設(shè)備安全運(yùn)行的自然災(zāi)害之一〔1－7〕，特高壓輸電線路是連接全國區(qū)域電網(wǎng)的骨干電網(wǎng)，其覆冰事故對電網(wǎng)的安全運(yùn)行危害極大。特高壓人工覆冰氣候試驗(yàn)室是研究特高壓輸變電設(shè)備覆冰問題的主要平臺，通過在其室內(nèi)開展覆冰試驗(yàn)，可以為特高壓輸變電設(shè)備在覆冰地區(qū)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供大量的技術(shù)支撐〔8－10〕。維護(hù)結(jié)構(gòu)和制冷設(shè)備是特高壓人工覆冰氣候試驗(yàn)室覆冰試驗(yàn)的主要設(shè)備，準(zhǔn)確選取其參數(shù)是開展覆冰試驗(yàn)的關(guān)鍵。

根據(jù)特高壓人工覆冰氣候室保溫性能的要求，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)；根據(jù)特高壓設(shè)備覆冰的不同試驗(yàn)階段對制冷量的需求，計(jì)算制冷設(shè)備的參數(shù)并進(jìn)行設(shè)備選型；通過對實(shí)際的特高壓人工覆冰氣候室的降溫和保溫性能以及覆冰試驗(yàn)過程中各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)測，進(jìn)一步驗(yàn)證參數(shù)計(jì)算及設(shè)備選型的正確。

1 特高壓人工覆冰氣候試驗(yàn)室制冷系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算說明

特高壓人工覆冰氣候試驗(yàn)室的布置圖如圖1所示，其內(nèi)部凈空尺寸為22 m(長)×22 m(寬)× 27.5 m(高)，總體積為13 310 m3，維護(hù)結(jié)構(gòu)采用內(nèi)保溫型式。被試品為特高壓絕緣子串，串長約10 m，試驗(yàn)時(shí)，布置在氣候室的中央。在氣候室外墻上安裝有一支特高壓環(huán)氧樹脂膠浸紙絕緣穿墻套管，用于將特高壓試驗(yàn)電壓引入氣候室內(nèi)，其重量約為8 t。

圖1 特高壓人工覆冰氣候試驗(yàn)室布置圖

目前，人工覆冰試驗(yàn)沒有IEC或國家標(biāo)準(zhǔn)可循，大部分的國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)參照Farzaneh等在20世紀(jì)90年代提出的試驗(yàn)方法〔9－10〕進(jìn)行試驗(yàn)，分為4個(gè)階段:第一階段覆冰過程，即將被試品覆冰至預(yù)定狀態(tài)，在此階段根據(jù)制冷機(jī)組的制冷量需求不同又可分為前后兩個(gè)階段，其前階段為氣候室內(nèi)空氣降溫過程，此過程中，覆冰噴頭不噴淋覆冰水，開啟所有的制冷機(jī)組，迅速將氣候室的環(huán)境溫度降至試驗(yàn)溫度，后階段為被試品覆冰過程，在此過程中，開啟覆冰噴頭，對被試品進(jìn)行噴淋并覆冰，根據(jù)覆冰形態(tài)，控制制冷機(jī)組的開啟數(shù)量和制冷功率大小，調(diào)節(jié)覆冰溫度；第二階段冰層硬化，即將冰層冷凍約20 min；第三階段融冰過程，即關(guān)閉所有的制冷機(jī)組，開啟氣候室大門，讓氣候室內(nèi)溫度緩慢上升至試驗(yàn)溫度；第四階段試驗(yàn)過程，即采用升壓設(shè)備進(jìn)行升壓試驗(yàn)。其中第一、二階段需要開啟制冷設(shè)備進(jìn)行制冷。

2 特高壓人工覆冰氣候試驗(yàn)室制冷參數(shù)計(jì)算及設(shè)備選型

2.1 維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

選用的維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料為硬質(zhì)聚氨酯，該材料具有難燃、不吸水、保溫性能好的特點(diǎn)，是特高壓人工覆冰氣候室的理想保溫材料。

為滿足保溫要求，我們假定環(huán)境溫度為30℃，人工氣候室內(nèi)溫度為－15℃，保溫厚度為200 mm，在制冷機(jī)組停止工作時(shí)，室內(nèi)溫度變化量的計(jì)算方法如下。

傳熱系數(shù)K:

式中?W為氣候室對外熱交換系數(shù)，為23.26 W/(m2·K)；?N為氣候室對內(nèi)熱交換系數(shù)，為11.63 W/(m2·K)；λ1為鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)，為36.4 W/(m·K)；δ1為氣候室內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼板厚度，為0.001 m；λ2為硬質(zhì)聚氨酯的熱傳導(dǎo)系數(shù)，為0.022 W/(m·K)；δ2為氣候室內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)硬質(zhì)聚氨酯的厚度。

硬質(zhì)聚氨酯板的厚度按20 cm計(jì)算，其傳熱系數(shù)為0.137 5 W/m2·K。

傳熱功率P傳熱:

式中F為傳熱面積，K為傳熱系數(shù)，ΔT為氣候室內(nèi)外溫差。硬質(zhì)聚氨酯板的厚度為20 cm時(shí)，傳熱功率P傳熱為20.96 kW。

設(shè)人工氣候室室內(nèi)每小時(shí)溫升為3 K，則人工氣候室內(nèi)空氣每小時(shí)對外釋放的熱量為

式中C空氣為空氣比熱容，C空氣＝1.01 kJ/kg·℃；m空氣為空氣質(zhì)量(kg)；m空氣＝ρ空氣×V；ΔT溫差，ΔT＝3℃；Q空氣為46 661 kJ；因此，折合功率為P空氣為12.96 kW。

氣候室內(nèi)的還有電葫蘆、鋼梁等鋼材，總重量約50 t，鋼材每小時(shí)溫升3 K所釋放的熱量為

式中C鋼材為空氣比熱容，C鋼材＝0.452 kJ/kg·℃。Q鋼材為67800 kJ，則折合功率P鋼材為18.83 kW。

綜合上述計(jì)算，可知:

因此，選用20 cm的聚氨酯保溫板即可滿足要求。

2.2 制冷設(shè)備參數(shù)計(jì)算

在覆冰試驗(yàn)過程中，主要存在以下部分的制冷負(fù)荷:1)氣候室內(nèi)空氣降溫冷負(fù)荷；2)維護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷；3)覆冰水冷負(fù)荷；4)電器設(shè)備冷負(fù)荷；5)套管冷負(fù)荷；6)冷卻絕緣子串冷負(fù)荷；7)密封漏冷；8)其他設(shè)備冷負(fù)荷。

設(shè)特高壓人工覆冰氣候室內(nèi)的起始降溫溫度T0＝35℃，其最終溫度T1＝－15℃，則溫差ΔT＝50℃。

2.2.1 氣候室內(nèi)空氣降溫冷負(fù)荷

空氣的降溫有顯熱和潛熱兩部分。按降溫3 h計(jì)算，空氣的顯熱:

式中C空氣為空氣比熱容，1.01 kJ/kg·℃。

顯熱的制冷功率P顯＝Q顯/t＝72 kW?？諝獾臐摕?

式中h1為常溫下的空氣含濕量，為14.68 g/kg，h0為－15℃時(shí)空氣的含濕量，為1.01 g/kg。

潛熱的制冷功率P潛＝Q潛/t＝0.98 kW。

在空氣溫度由35℃降至－15℃過程中，空氣中的含濕量下降，且這部分水分也會(huì)凝結(jié)成冰，但耗冷量不大，按經(jīng)驗(yàn)值估算為P凝＝2 kW。

經(jīng)計(jì)算，氣候室內(nèi)空氣降溫總制冷功率為74.98 kW。

2.2.2 維護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷

頂部和四周維護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷P1:

式中?W為氣候室對外熱交換系數(shù)，為23.26 W/(m2·K)；?N為氣候室對內(nèi)熱交換系數(shù)，為11.63 W/(m2·K)；λ1為鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)，為36.4 W/(m·K)；δ1為氣候室內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼板厚度，為0.001 m；λ2為硬質(zhì)聚氨酯的熱傳導(dǎo)系數(shù)，為0.022 W/(m·K)；δ2為氣候室內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)硬質(zhì)聚氨酯的厚度，為0.2 m；S1為頂部和四周維護(hù)結(jié)構(gòu)的總面積，為2 904 m2。

地面冷負(fù)荷P地:

式中δ3為氣候室地面的混凝土厚度，為0.01 m；λ3為混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)，為1.74 W/(m·K)；S2為地面的表面積，為484 m2。

經(jīng)計(jì)算，維護(hù)結(jié)構(gòu)的總冷負(fù)荷為71.85 kW。

2.2.3 覆冰水冷負(fù)荷

覆冰水的冷負(fù)荷主要有3部分組成，第一部分為常溫下的水制冷至零度的水；第二部分為零度的水變?yōu)榱愣鹊谋?；第三部分為零度的冰降溫至試?yàn)溫度。

根據(jù)噴淋噴頭的選型參數(shù)，氣候室每小時(shí)的最大噴水量約為2 195 kg。設(shè)水的起始溫度T0水＝30℃，則水溫變化ΔT水＝30℃。

覆冰水第一部分制冷負(fù)荷:

式中C水為水的比熱容，為4.212 kJ/kg·℃；t為降溫時(shí)間，為3 600 s。

覆冰水第二部分制冷負(fù)荷:

式中C結(jié)為冰的溶解熱，為333.146 kJ/kg。

覆冰水第三部分制冷負(fù)荷:

式中C冰為冰的比熱容，為2.09 kJ/kg·℃；m冰為冰的質(zhì)量，m冰＝m水＝2 195 kg；ΔT冰為冰降低的溫度，為15℃。

經(jīng)計(jì)算，覆冰水總冷負(fù)荷為299.29 kW。

2.2.4 電氣設(shè)備冷負(fù)荷

考慮帶電覆冰時(shí)對氣候室的輸入電源功率P試＝25 kW；

誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)2臺，每臺18 kW，P誘＝36 kW；

冷風(fēng)機(jī)，每臺11kW，共計(jì)21臺，P風(fēng)機(jī)＝231kW；

覆冰管道加熱絲，P加熱絲＝20 kW；

因此，P設(shè)＝302 kW。

2.2.5 套管冷負(fù)荷

式中C套為套管的比熱容，為0.837 kJ/(kg·℃)；m套為氣候室內(nèi)套管的重量，為3 000 kg。

2.2.6 冷卻絕緣子串冷負(fù)荷

式中C絕為瓷質(zhì)絕緣子的比熱容，為0.837 kJ/(kg·℃)；m絕為絕緣子重量，按50片，每片20 kg考慮，共計(jì)1 000 kg。

2.2.7 密封漏冷

按工程經(jīng)驗(yàn)值10 kW考慮。

2.2.8 其他冷負(fù)荷

主要為房間照明，500 W燈具共10盞，P燈＝5 kW。

總制冷負(fù)荷計(jì)算:

按試驗(yàn)的2個(gè)階段進(jìn)行:第一階段的制冷負(fù)荷有:降溫負(fù)荷、維護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷、電氣設(shè)備冷負(fù)荷、套管冷負(fù)荷、冷卻絕緣子冷負(fù)荷、密封漏冷、其他冷負(fù)荷；第二階段的制冷負(fù)荷有:覆冰水冷負(fù)荷、維護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷、電氣設(shè)備冷負(fù)荷、套管冷負(fù)荷、冷卻絕緣子冷負(fù)荷、密封漏冷、其他冷負(fù)荷。經(jīng)計(jì)算，第一階段的制冷總負(fù)荷為479.31 kW，第二階段的制冷總負(fù)荷為703.62 kW。

因此，制冷機(jī)組的最大制冷量為703.62 kW。制冷裕量系數(shù)取1.1，制冷機(jī)組的制冷量應(yīng)大于773.98 kW。

2.3 制冷設(shè)備的參數(shù)選型

考慮一定的冗余量后，結(jié)合設(shè)備制造參數(shù)，制冷機(jī)組選用2臺型號為LSB720DZ的機(jī)組，其單臺名義工況制冷功率為720 kW，但制冷功率與冷凍水的出水溫度有關(guān):冷凍水的出水溫度越低，其制冷功率越小，名義工況的冷凍水出水溫度為－5℃。人工覆冰試驗(yàn)時(shí)最低的冷凍水出水溫度為－25℃，此時(shí)的制冷功率為400 kW，選用的2臺制冷機(jī)組的制冷總功率為800 kW，略大于計(jì)算值773.98 kW。

室內(nèi)制冷風(fēng)機(jī)型號為HLD－200/1500型，共16臺，均采用分體式設(shè)計(jì)，由換熱器、離心風(fēng)機(jī)、冷凍水進(jìn)水和排水、沖霜水進(jìn)水和排水系統(tǒng)等模塊化方式組合，多臺并聯(lián)運(yùn)行。

3 調(diào)試情況

3.1 制冷速度及保溫效率測試

為驗(yàn)證制冷機(jī)組的制冷能力和維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能，對特高壓人工覆冰氣候試驗(yàn)室進(jìn)行了制冷機(jī)組的制冷速度和維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫效率測試。試驗(yàn)情況如下:

在氣候室外部環(huán)境溫度為15℃，室內(nèi)溫度為12.4℃時(shí)，啟動(dòng)制冷機(jī)組，經(jīng)過7 h 40 min，室內(nèi)溫度降至－17.36℃；降溫過程中，存在二個(gè)線性段，拐點(diǎn)在－12.5℃，降溫曲線如圖2所示；關(guān)閉制冷機(jī)組后，經(jīng)過7 h 20 min，溫度由－17.36℃降低至0℃，如圖3所示，平均升溫速率為2.4℃/ h，基本呈線性，溫度越低段，速度約高于2.4℃/h，在2.4～3.0℃/h見波動(dòng)，溫度從－7℃見到0℃耗時(shí)約3.5h，平均升溫速率為2.0℃/h，滿足特高壓人工覆冰氣候室的平均溫升速率不超過3.0℃/h的要求。

圖2 制冷速度測試結(jié)果

圖3 維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能測試結(jié)果

3.2 覆冰試驗(yàn)情況

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述計(jì)算及設(shè)備選型的可靠性，對特高壓人工覆冰氣候室進(jìn)行了覆冰測試。自然界的覆冰(雪)主要包含雨凇、霧凇、混合淞和雪四種形態(tài)，人工環(huán)境下可以模擬的形態(tài)有雨凇、混合淞和雪，對以上3種形態(tài)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

特高壓人工覆冰氣候室內(nèi)特高壓復(fù)合絕緣子串覆雪如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)，氣候室內(nèi)溫度保持為－2.8℃，覆冰水水溫預(yù)冷卻至2.7℃，形態(tài)為雪，覆雪時(shí)間為5 h，2臺制冷機(jī)組和16臺室內(nèi)制冷風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行，絕緣子上平均覆雪厚度為14 mm。制冷機(jī)組的能級調(diào)試輸出在覆冰的降溫制冷過程中顯示在75%～100%之間，從而使氣候室內(nèi)的氣溫盡快達(dá)到預(yù)定溫度，在覆冰噴淋階段的輸出為50%～75%之間，維持氣候室內(nèi)的氣溫。整個(gè)試驗(yàn)過程中，冷凍水出水溫度最低值為－20℃。

圖4 特高壓復(fù)合絕緣子串覆雪效果圖

特高壓人工覆冰氣候室內(nèi)特高壓復(fù)合絕緣子串覆混合淞如圖5所示，試驗(yàn)時(shí)，氣候室內(nèi)溫度保持為－2.5℃，覆冰水水溫預(yù)冷卻至4℃，覆冰時(shí)間為4 h 20 min，形態(tài)為混合淞(接近于霧凇)，2臺制冷機(jī)組和16臺室內(nèi)制冷風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行，絕緣子上平均冰厚為40 mm。制冷機(jī)組的能級調(diào)試輸出在覆冰的降溫制冷過程中顯示在75%～100%之間，在覆冰噴淋階段的輸出為50%～75%之間。整個(gè)試驗(yàn)過程中，冷凍水出水溫度最低值為－20℃。

圖5 特高壓復(fù)合絕緣子串覆混合淞效果圖

特高壓人工覆冰氣候室內(nèi)特高壓絕緣子串覆雨淞如圖6所示，試驗(yàn)時(shí)，氣候室內(nèi)溫度保持為－2℃，覆冰水水溫預(yù)冷卻至10℃，覆冰時(shí)間為4 h，形態(tài)為雨凇，2臺制冷機(jī)組和16臺室內(nèi)制冷風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行，絕緣子上平均冰厚為28 mm。制冷機(jī)組的能級調(diào)試輸出在覆冰的降溫制冷過程中顯示在75%～100%之間，在覆冰噴淋階段的輸出為50%～75%之間。整個(gè)試驗(yàn)過程中，冷凍水出水溫度最低值為－20℃。

圖6 特高壓復(fù)合絕緣子串覆雨淞效果圖

從覆冰試驗(yàn)的情況來看，特高壓人工覆冰氣候室可以模擬雨凇、混合淞和雪3種形態(tài)的覆冰，說明制冷機(jī)組的制冷效能能夠滿足人工覆冰制冷量的需求；制冷機(jī)組在降溫制冷過程中能級調(diào)試輸出為75%～100%，在覆冰噴淋過程中為50%～75%，說明制冷機(jī)組的制冷能力適當(dāng)具有一定裕度，這與制冷參數(shù)的計(jì)算和機(jī)組選型結(jié)論是一致的。

4 結(jié)論

1)通過計(jì)算特高壓人工覆冰氣候室的傳熱功率與氣候室內(nèi)部熱量的釋放功率大小，核算了維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層厚度，并通過特高壓人工覆冰氣候試驗(yàn)室的保溫效率測試，驗(yàn)證了維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法是正確的；

2)根據(jù)覆冰試驗(yàn)過程中不同試驗(yàn)階段對制冷量需求的計(jì)算，核算出制冷機(jī)組需要的最大制冷量，并通過制冷機(jī)組制冷速度測試和不同形態(tài)的覆冰試驗(yàn)，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果是正確的。

〔1〕蔣興良，舒立春，孫才新.電力系統(tǒng)污穢與覆冰絕緣〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔2〕蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防護(hù)〔M〕.北京:中國電力出版社，2001.

〔3〕張文亮，于永清，宿志一，等.湖南電網(wǎng)2008年冰雪災(zāi)害調(diào)查分析〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(8):1-5.

〔4〕王少華.輸電線路典型覆冰事故及防治技術(shù)分析〔J〕.高壓電器，2010，46(10):85-89.

〔5〕黃斌，徐珊珊，蘇文宇.輸電線路覆冰研究綜述〔J〕:電瓷避雷器，2012，1:27-32.

〔6〕蔣興良，申強(qiáng).環(huán)境參數(shù)對導(dǎo)線覆冰厚度影響的試驗(yàn)分析〔J〕.高電壓技術(shù)，2010，36(5):1 096-1 100.

〔7〕韓軍科，楊靖波，李清華，等.超/特高壓交流同塔多回輸電線路不平衡張力分析〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(12): 33-37.

〔8〕HuJianlin，SunCaixin，JiangXingliang，etal.Flashover performanceofpre-contaminatedandice-coveredcomposite insulators to be used in 1 000 kV UHV AC transmission lines〔J〕. IEEE Transactions on Electrical Insulation，2007，14(6): 1 347-1 356.

〔9〕Farzaneh m，Baker T.Insulator icing test methods and procedures: a position paper prepared by the IEEE task force on insulator icing test methods〔J〕.IEEE Trans on Power Delivery，2003，18(4): 1 503-1 515.

〔10〕姚濤，胡毅，鄔雄，等.超特高壓輸變電設(shè)備的覆冰試驗(yàn)技術(shù)〔J〕.高電壓技術(shù)，2009，35(3):574-578.

Parameters calculation and equipment selection analysis of artificial icing climate laboratories

SUN Lipeng1，JIANG Zhenglong2，LU Jie3，ZHAO Shihua1，YANG Liu3
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，Changsha 410000，China；3.State Grid Electric Power Corporation Yueyang Power Supply Company，Yueyang，414000，China)

The maintenance structure and the refrigeration equipment are the main equipments of artificial icing，accurate selection of its parameters is the key to the success development of icing test.This paper presents the calculation methods of parameters of the maintenance structure and refrigeration equipment，measures the refrigeration parameters of the actual UHV artificial icing climate chamber，and verifies the correctness of the parameter selection.

UHV；icing；artificial climate；Refrigeration

TM752.5

A

1008-0198(2016)05-0021-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.005

2016-02-25