輸電導線覆冰生長及影響因素數(shù)值分析模型

王劍

摘 要：文章通過創(chuàng)建輸電導線覆冰生長數(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線覆冰預測的準確性和精度。因此，文章針對輸電導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。

關鍵詞：輸電導線；覆冰；數(shù)值模型

1.前言

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

2.輸電導線覆冰生長計算模型與流程

2.1輸電導線覆冰生長計算模型。輸電導線覆冰生長過程涉及眾多學科，主要包括結構力學、傳熱學以及流體力學等，想要創(chuàng)建科學的輸電導線覆冰生長模型難度相對較大，覆冰導線表面局部單元（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，表示進入到單元內(nèi)的過冷卻水質(zhì)量；a3，k表示凍結系數(shù)；mes，k表示單元內(nèi)蒸發(fā)和升華導致的質(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輸電導線覆冰生長計算流程。輸電導線覆冰生長過程包括四個部分，即空氣場求解、凍結系數(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.輸電導線覆冰生長模型

3.1覆冰過程溢流水。當局部區(qū)域內(nèi)液滴沒有完全凍結，并且存在溢流水，則表明輸電導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，液滴會快速的凍結成冰，僅僅只有少量的過冷卻第頁會發(fā)生反彈。當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表示傳遞至結冰單元的導線焦耳熱；Qim，k表示碰撞到結冰表面的液滴導致的能量變化；Qice，k表示液滴凍結過程釋放的熱量；Qfo，k表示單元流出的溢流水導致的能量變化；Qfi，k表示單元流入的溢流水導致的能量變化；Qes，k表示單元蒸發(fā)與升華過程導致的熱量損失；Qcq，k表示單元表面熱輻射和空氣換熱導致的能量損失。

因為過冷卻水滴碰撞導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致的能量變化。導線符合電流在傳輸?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)導線具有非常高的導熱率，為了方便計算，可以假設導線本體各位置的溫度恒定。覆冰過程是一個準熱平衡的過程，加熱輸電導線覆冰時冰層以及導線的溫度恒定，并且導線的熱量通過冰層全部傳遞至覆冰表面，液滴凍結成冰時會釋放眾多熱量，然后和避免溫度逐漸達成一致。

4.算例分析

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

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

在沒有覆冰時，兩個算例導線表面的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，輸電導線迎風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，迎風側駐點位置為最大值。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，但是迎風側的空氣中液態(tài)水含量降低和液滴的動量增加，導線更容易和液滴發(fā)生碰撞。算例1的溫度相對較低，導線和過冷卻液滴發(fā)生碰撞后快速結冰，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，再加上負荷電流產(chǎn)生的熱量，導線和液滴發(fā)生碰撞后并不會快速的結冰，會產(chǎn)生一定的溢流水，覆冰呈雨凇狀。

5.結束語

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

參考文獻：

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