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。     

采用超憎水性涂层缓解导线表面覆冰的实验研究

输电导线表面覆冰可能会导致断线、倒塔等安全事故,严重威胁着输电网络的安全可靠运行,本文探索防覆冰方法,通过化学刻蚀及涂覆低表面能物质的方法,在导线表面制备了超憎水涂层,并在覆冰模拟实验室里观察了超憎水涂层对导线表面覆冰的影响。试验现象表明,超憎水涂层可以增大导线表面的水滴接触角(CA),减小冰与导线之间的作用力,在一定程度上可以抑制和缓解铝导线表面覆冰的形成和增长,可用于导线防冰工作中。     

交流输电导线覆冰增长及临界防冰电流的试验研究

输电线路导线覆冰荷载和导线覆冰后舞动产生的荷载均可能引起倒塔或导线断线事故,从而严重威胁电力系统的安全运行。为此在大型多功能人工气候室开展不同型号导线在不同气象条件下覆冰增长和临界防冰电流试验研究,得到不同条件下导线覆冰增长随时间变化的关系曲线,分析影响其覆冰增长和临界防冰电流的因素。研究结果表明运行电流可延缓导线的覆冰增长;同等覆冰条件下,直径小的导线覆冰增长较快;环境温度和风速对导线覆冰增长均有明显影响,且环境温度将决定导线表面的覆冰类型;导线运行电流达到一定值可使其不覆冰且临界防冰电流值与气象参数有关。研究结果可为进一步揭示导线覆冰机理提供参考。     

输电导线粗糙覆冰表面对流换热特性

对流换热系数是覆冰热平衡中的关键参数,其精确计算对于提高热平衡方程计算精度有很大作用。以往对于覆冰导线的模拟过程中,大都将覆冰导线等效为光滑圆柱处理,但过冷却液滴的冻结会引起覆冰形状差异和覆冰表面粗糙高度的大幅增加,从而能对覆冰导线表面换热特性的计算精度带来很大影响。针对硬雾凇覆冰表面工况,建立了包含表面粗糙高度的覆冰输电导线有限元模型,并采用流体力学数值模拟计算方法分析了覆冰导线表面粗糙高度对其换热特性影响。结果表明:覆冰导线表面粗糙高度将改变边界层内流体流态,加剧流体扰动,换热效果显著增强;在雷诺数为40 000时,与以往光滑覆冰模型相比,粗糙覆冰模型平均对流换热系数分别增长为原来的1.333、1.452、1.667倍;在相同情况下,新月形覆冰结构湍流程度整体略低于圆形覆冰结构,平均对流换热系数也小于圆形覆冰结构。     

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。     

雨雾淞导线覆冰理论模型数值模拟研究

导线覆冰的理论模型及数值模拟是研究覆冰过程机理的必要手段。本文基于国际公认的导线覆冰理论模型框架,采用合理的覆冰过程物理参数化方法,构建了一套完整的数值计算方案,并利用其对雨雾淞导线覆冰过程进行了数值模拟研究,探讨了雨凇、雾淞及雨雾凇混合覆冰过程的机理及其演变特征。数值模拟结果表明:雾凇覆冰过程的增长曲线呈对数曲线变化特征,覆冰在开始阶段增长很快而随时间逐渐变慢;而雨淞覆冰则随时间持续增长,且覆冰质量增长比覆冰厚度增长更为明显;雨雾淞混合覆冰状态下覆冰的增长与单纯雨淞或雾凇覆冰的增长曲线均不同,由于干、湿覆冰机制的转换使覆冰增长过程呈现复杂的变化,而开始阶段无论是雨淞覆冰还是雾凇覆冰都可能表现出明显的湿增长特征。本文的研究结果揭示了雨雾凇导线覆冰过程的机理及其演变特征,具有一定的理论参考价值。     

输电线路导线覆冰扭转特性的数值模拟

输电线路导线覆冰是电力系统最严重的自然灾害之一,研究导线覆冰的数值计算方法,建立仿真平台,不仅可以科学地预测导线覆冰增长,并且能大量减少自然覆冰观测工作量。但是已有的数学模型和仿真计算方法都回避了导线覆冰扭转这一自然现象,从而不能有效模拟实际覆冰增长。该文基于导线覆冰形成机理,加入导线覆冰扭转因素,提出导线扭转的数学模型,借助C语言编写仿真模拟程序,实现导线覆冰动态增长的数值模拟过程。仿真结果表明,导线覆冰增长是一个伴随扭转的动态过程,距离杆塔距离、档距、风速、液态水滴直径大小均对扭转角度大小有影响。在重庆大学雪峰山自然覆冰试验基地,验证了该文所提出的数值模拟方法的科学性。     

导线覆冰增长规律的试验研究

为了解疏水性纳米复合涂料导线覆冰的影响,研究导线覆冰的增长规律,在小型人工覆冰实验室内,对涂覆不同疏水性纳米复合涂料的导线进行了覆冰试验研究。通过改变人工覆冰试验条件,得到大量样品导线覆冰增长的试验数据,对试验数据进行对比和回归分析,得到导线覆冰增长规律,并导出导线覆冰增长的经验公式。从风速、覆冰时间、覆冰密度等因素对导线覆冰增长规律的影响展开分析。结果表明:复合涂料虽不能阻止覆冰的增长,但能降低导线覆冰质量;导线涂覆新型涂料后覆冰密度降低,从雨淞转变为混合淞状态;导线覆冰质量增长与风速呈类似抛物线关系,随覆冰时间呈指数上升关系。     

雾凇覆冰对铝管起晕电压的影响

雾凇属于干增长覆冰,会在导线表面产生凹凸不平的冰树枝,因此会畸变导线表面的电场分布。为探求雾凇覆冰导线起晕电压值变化规律,利用低温低气压人工气候实验室对雾凇覆冰的光滑铝管进行了交流电晕的试验。试验中,利用紫外成像仪对覆冰导线的放电光子数进行测量,并基于光子数变化获得起晕电压值。同时,利用有限元法仿真计算覆冰导线的最大场强以验证试验的正确性。结果表明:雾凇对导线起晕电压的影响主要是由于冰树枝尖端对电场的畸变作用,从而降低导线的起晕电压值;覆冰后的导线起晕电压值会随着雾凇覆冰厚度的增加而上升,但上升会变慢;冰水电导率不同对雾凇形貌和覆冰导线的起晕电压值没有影响;根据起晕电压修正公式,可快速计算出雾凇覆冰后的导线起晕电压值。所获结论可供覆冰导线起晕电压的进一步研究参考。     

不同直径下导线覆冰增长特性

为研究导线覆冰湿增长与覆冰参数之间的关系,确定导线覆冰厚度的增长特性,在人工气候室内,对不同直径导线进行了覆冰试验研究。通过控制覆冰试验条件,得到大量不同直径导线覆冰厚度增长的试验数据,对试验数据进行对比分析,得到导线覆冰增长特性,并采用MATLAB覆冰预测仿真程序进行验证。分析了温度、风速、时间等因素对不同直径导线覆冰增长特性的影响。试验结果表明:不同直径导线覆冰厚度初始时刻增长较快,随着时间延长覆冰厚度呈现饱和趋势,且导线初始直径越小,增长量越大;在湿增长情况下,导线覆冰厚度与温度成反比;通过纵向对比试验数据和模型仿真发现,风速存在临界值使得导线达到最大覆冰增长速度,并且温度越低,临界风速值越大;存在导线覆冰最大直径。