王劍

摘 要：文章通過(guò)創(chuàng)建輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)數(shù)值模型，能夠了解覆冰形貌、質(zhì)量等隨著時(shí)間的變化，能夠有效的提高輸電導(dǎo)線覆冰預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和精度。因此，文章針對(duì)輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)及影響因素?cái)?shù)值分析模型的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：輸電導(dǎo)線；覆冰；數(shù)值模型

1.前言

對(duì)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(huì)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(duì)地放線、金具損壞、導(dǎo)線舞動(dòng)以及桿塔倒塌等重大事故，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運(yùn)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(jí)假設(shè)的方法，獲得輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)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(cè)的準(zhǔn)確性和精度。

2.輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)計(jì)算模型與流程

2.1輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)計(jì)算模型。輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)過(guò)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?jiǎng)?chuàng)建科學(xué)的輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)模型難度相對(duì)較大，覆冰導(dǎo)線表面局部單元（用k表示），隨著時(shí)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(guò)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(guò)冷卻液滴的碰撞質(zhì)量。

2.2輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)計(jì)算流程。輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)過(guò)程包括四個(gè)部分，即空氣場(chǎng)求解、凍結(jié)系數(shù)計(jì)算、表面過(guò)冷卻液滴碰撞系數(shù)計(jì)算以及覆冰外形成。

3.輸電導(dǎo)線覆冰生長(zhǎng)模型

3.1覆冰過(guò)程溢流水。當(dāng)局部區(qū)域內(nèi)液滴沒(méi)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(zhǎng)狀態(tài)，所產(chǎn)生的覆冰為雨凇，表明0

3.2結(jié)冰過(guò)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(guò)程中冰面和過(guò)冷卻液滴發(fā)生接觸后，液滴會(huì)快速的凍結(jié)成冰，僅僅只有少量的過(guò)冷卻第頁(yè)會(huì)發(fā)生反彈。當(dāng)冰層表面存在水層時(shí)，過(guò)冷卻液滴會(huì)粘附在表面或者在表面鋪開(kāi)，并不會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

3.3結(jié)冰過(guò)程的能量平衡方程。單元k覆冰生長(zhǎng)過(guò)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(guò)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(guò)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?yàn)檫^(guò)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(dòng)能變化，過(guò)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^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，通過(guò)冰層將該部分熱量傳遞至覆冰表面，因?yàn)殇X質(zhì)導(dǎo)線具有非常高的導(dǎo)熱率，為了方便計(jì)算，可以假設(shè)導(dǎo)線本體各位置的溫度恒定。覆冰過(guò)程是一個(gè)準(zhǔn)熱平衡的過(guò)程，加熱輸電導(dǎo)線覆冰時(shí)冰層以及導(dǎo)線的溫度恒定，并且導(dǎo)線的熱量通過(guò)冰層全部傳遞至覆冰表面，液滴凍結(jié)成冰時(shí)會(huì)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(shí)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L(zhǎng)GJ210/25導(dǎo)線，覆冰時(shí)風(fēng)速為10m/s，環(huán)境溫度為零下4℃，導(dǎo)線電流為150A。

在沒(méi)有覆冰時(shí)，兩個(gè)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(duì)于算例1：在阻尼作用影響下，輸電導(dǎo)線迎風(fēng)面各個(gè)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(diǎn)位置為最大值。對(duì)于算例2，氣流的分離點(diǎn)相對(duì)于算例1后移，過(guò)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(dòng)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(duì)較低，導(dǎo)線和過(guò)冷卻液滴發(fā)生碰撞后快速結(jié)冰，并不會(huì)產(chǎn)生溢流水，覆冰呈霧凇狀；算例2的環(huán)境溫度相對(duì)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(huì)快速的結(jié)冰，會(huì)產(chǎn)生一定的溢流水，覆冰呈雨凇狀。

5.結(jié)束語(yǔ)

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(zhǎng)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(shí)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(huì)增加，并且隨著導(dǎo)線電流和環(huán)境溫度的增加，會(huì)增加輸電導(dǎo)線冰層的溢流水，覆冰由霧凇向雨凇轉(zhuǎn)變。

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