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        輸電導(dǎo)線覆冰生長及影響因素數(shù)值分析模型

        2016-10-14 20:20:48王劍
        科學(xué)與財富 2016年28期

        王劍

        摘 要:文章通過創(chuàng)建輸電導(dǎo)線覆冰生長數(shù)值模型,能夠了解覆冰形貌、質(zhì)量等隨著時間的變化,能夠有效的提高輸電導(dǎo)線覆冰預(yù)測的準(zhǔn)確性和精度。因此,文章針對輸電導(dǎo)線覆冰生長及影響因素數(shù)值分析模型的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

        關(guān)鍵詞:輸電導(dǎo)線;覆冰;數(shù)值模型

        1.前言

        對于電力系統(tǒng)而言,覆冰是非常嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,嚴(yán)重覆冰會導(dǎo)致出現(xiàn)絕緣子串閃絡(luò)跳閘、導(dǎo)線相間放電或者對地放線、金具損壞、導(dǎo)線舞動以及桿塔倒塌等重大事故,嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。文章根據(jù)輸電導(dǎo)線局部質(zhì)量平衡和熱量平衡,利用一維搜索和多級假設(shè)的方法,獲得輸電導(dǎo)線覆冰生長的各參數(shù),如溢流水、凍結(jié)系數(shù)等,能夠有效的提高輸電導(dǎo)線覆冰預(yù)測的準(zhǔn)確性和精度。

        2.輸電導(dǎo)線覆冰生長計算模型與流程

        2.1輸電導(dǎo)線覆冰生長計算模型。輸電導(dǎo)線覆冰生長過程涉及眾多學(xué)科,主要包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、傳熱學(xué)以及流體力學(xué)等,想要創(chuàng)建科學(xué)的輸電導(dǎo)線覆冰生長模型難度相對較大,覆冰導(dǎo)線表面局部單元(用k表示),隨著時間變化覆冰增量(用mk表示)的公式表示為:

        公式中Ik=mim,k+mfi,k-mes,k,表示進(jìn)入到單元內(nèi)的過冷卻水質(zhì)量;a3,k表示凍結(jié)系數(shù);mes,k表示單元內(nèi)蒸發(fā)和升華導(dǎo)致的質(zhì)量損失;mfi,k表示其他單元流入液態(tài)水的質(zhì)量;mim,k表示過冷卻液滴的碰撞質(zhì)量。

        2.2輸電導(dǎo)線覆冰生長計算流程。輸電導(dǎo)線覆冰生長過程包括四個部分,即空氣場求解、凍結(jié)系數(shù)計算、表面過冷卻液滴碰撞系數(shù)計算以及覆冰外形成。

        3.輸電導(dǎo)線覆冰生長模型

        3.1覆冰過程溢流水。當(dāng)局部區(qū)域內(nèi)液滴沒有完全凍結(jié),并且存在溢流水,則表明輸電導(dǎo)線的覆冰處于濕增長狀態(tài),所產(chǎn)生的覆冰為雨凇,表明0

        3.2結(jié)冰過程的質(zhì)量平衡方程。單元k的質(zhì)量守恒公式表示為:

        mim,k+mfi,k-mes,k-mfo,k-mice,k=0(公式2)

        公式中mice,k表示單元k最終結(jié)冰的質(zhì)量;mfo,k表示單元內(nèi)流出的液態(tài)水的質(zhì)量。覆冰過程中冰面和過冷卻液滴發(fā)生接觸后,液滴會快速的凍結(jié)成冰,僅僅只有少量的過冷卻第頁會發(fā)生反彈。當(dāng)冰層表面存在水層時,過冷卻液滴會粘附在表面或者在表面鋪開,并不會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

        3.3結(jié)冰過程的能量平衡方程。單元k覆冰生長過程的能量平衡公式表示為:

        Qcq,k+Qes,k+Qfo,k+Qice,k+Qim,k+Qfi,k+QJ,k=0 (公式3)

        公式中QJ,k表示傳遞至結(jié)冰單元的導(dǎo)線焦耳熱;Qim,k表示碰撞到結(jié)冰表面的液滴導(dǎo)致的能量變化;Qice,k表示液滴凍結(jié)過程釋放的熱量;Qfo,k表示單元流出的溢流水導(dǎo)致的能量變化;Qfi,k表示單元流入的溢流水導(dǎo)致的能量變化;Qes,k表示單元蒸發(fā)與升華過程導(dǎo)致的熱量損失;Qcq,k表示單元表面熱輻射和空氣換熱導(dǎo)致的能量損失。

        因為過冷卻水滴碰撞導(dǎo)致的能量變化主要包括:液滴噴樁后速遞降低為零的動能變化,過冷卻液滴附著后溫度上升至參考溫度后導(dǎo)致的能量變化。導(dǎo)線符合電流在傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生一定的熱量,通過冰層將該部分熱量傳遞至覆冰表面,因為鋁質(zhì)導(dǎo)線具有非常高的導(dǎo)熱率,為了方便計算,可以假設(shè)導(dǎo)線本體各位置的溫度恒定。覆冰過程是一個準(zhǔn)熱平衡的過程,加熱輸電導(dǎo)線覆冰時冰層以及導(dǎo)線的溫度恒定,并且導(dǎo)線的熱量通過冰層全部傳遞至覆冰表面,液滴凍結(jié)成冰時會釋放眾多熱量,然后和避免溫度逐漸達(dá)成一致。

        4.算例分析

        算例1:以LGJ210/25導(dǎo)線為例,該導(dǎo)線的性能參數(shù)表示為:直流電阻率0.14Ω/km(20℃),直徑為20.00mm,假設(shè)該輸電導(dǎo)線覆冰時的風(fēng)速為5.0m/s,環(huán)境溫度為零下15℃,大氣壓強(qiáng)為1.01325×105kPa,導(dǎo)線電流為0A,空氣中液態(tài)水含量1.2g/m3。

        算例2:依然為LGJ210/25導(dǎo)線,覆冰時風(fēng)速為10m/s,環(huán)境溫度為零下4℃,導(dǎo)線電流為150A。

        在沒有覆冰時,兩個算例導(dǎo)線表面的a1,k和液態(tài)水含量分布狀況如圖2所示。對于算例1:在阻尼作用影響下,輸電導(dǎo)線迎風(fēng)面各個位置的液滴分布差異非常小,a1,k沿著y軸表現(xiàn)為拋物線形狀,迎風(fēng)側(cè)駐點位置為最大值。對于算例2,氣流的分離點相對于算例1后移,過冷卻液滴產(chǎn)生碰撞的面積增大,但是迎風(fēng)側(cè)的空氣中液態(tài)水含量降低和液滴的動量增加,導(dǎo)線更容易和液滴發(fā)生碰撞。算例1的溫度相對較低,導(dǎo)線和過冷卻液滴發(fā)生碰撞后快速結(jié)冰,并不會產(chǎn)生溢流水,覆冰呈霧凇狀;算例2的環(huán)境溫度相對較高,再加上負(fù)荷電流產(chǎn)生的熱量,導(dǎo)線和液滴發(fā)生碰撞后并不會快速的結(jié)冰,會產(chǎn)生一定的溢流水,覆冰呈雨凇狀。

        5.結(jié)束語

        綜上所述,文章創(chuàng)建了以質(zhì)量平衡和熱量平衡為基礎(chǔ)的輸電導(dǎo)線覆冰生長數(shù)值模型,涉及的參數(shù)包括導(dǎo)線溫度、負(fù)荷電流、溢流水等,在覆冰時隨著風(fēng)俗的提高、局部碰撞系數(shù)的增加,覆冰區(qū)域和覆冰量會增加,并且隨著導(dǎo)線電流和環(huán)境溫度的增加,會增加輸電導(dǎo)線冰層的溢流水,覆冰由霧凇向雨凇轉(zhuǎn)變。

        參考文獻(xiàn):

        [1]朱永燦,黃新波,賈建援等.輸電導(dǎo)線覆冰生長及影響因素數(shù)值分析模型[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2015,49(7):122-124.

        [2]王璋奇,齊立忠,楊文剛等.集中質(zhì)量法模擬覆冰在架空線脫冰動張力實驗中的適用性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2014,34(12):1982-1988.

        [3]蔣興良,范松海,胡建林等.輸電線路直流短路融冰的臨界電流分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2010,30(1):111-116.

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