CN101281046A - 大气结构物覆冰参数测量方法及多导体积冰器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气结构物覆冰参数测量方法及多导体积冰器，特别是涉及一种多导体积冰器测量覆冰量，进而导出大气环境温度、有效风速、空气中的液态水含量、水滴中值体积直径、覆冰密度的方法。所述的多导体积冰器，它由旋转电机1、圆盘2、导体及重量测量装置3、支撑架4、旋转电机1a)防冰罩6构成。本发明提供的大气结构物覆冰参数测量方法及多导体积冰器，可广泛应用于大气覆冰气象环境的测量和覆冰灾害的预警预报。与现有技术相比，本发明具有结构简单、操作方面、稳定性能好、测量参数多、精度高等优点。

Description

大气结构物覆冰参数测量方法及多导体积冰器

技术领域

本发明涉及一种大气结构物覆冰参数测量方法及多导体积冰器，特别是涉及一种多导体积冰器测量覆冰量，进而导出大气环境温度、有效风速、空气中的液态水含量、水滴中值体积直径、覆冰密度的方法。

背景技术

我国独特的地形、地貌条件以及普遍存在的微地形、微气象特征决定了我国是覆冰严重的国家之一。据不完全统计，自上世纪50年代以来，我国发生过冰灾事故上千次。特别是2005年12月和2008年1月～2月，我国南方发生的罕见覆冰灾害，造成了重大经济损失。以电力系统遭受的覆冰灾害损失为例，全国范围受灾损坏停运的电力线路共35968条，变电站共1731座，给国家电网公司、南方电网公司造成了重大经济损失。同时，部分地区的大面积停电对经济运行和人民生活均带来了较大影响。

覆冰参数测量一直是国内外关注的重点。迄今，覆冰参数的测量仍然是基于气象参数的监测和导线覆冰后的张力变化监测，对于覆冰厚度的监测主要是依据可视视频图像资料。如中国发明专利200510041924.7公开的“测量架空送电线路导、地线覆冰厚度和重量的方法及系统”，它是根据测量绝缘子串中拉力变化情况和测量风速、风向，进而统计计算得出导、地线覆冰的厚度和重量。现有的覆冰参数测量方法和装置，它们存在以下不足：监测装置本身覆冰后冰风荷载的影响，使风速测量存在较大误差；湿度达到饱和条件时，监测覆冰厚度的可视视频的摄像头被冰覆盖，无法传送清晰图像；无法监测空气中的液态水含量、水滴中值体积直径。

发明内容

本发明的目的是提供一种大气结构物覆冰参数测量的方法及多导体积冰器，进而导出大气环境温度、有效风速、空气中的液态水含量、水滴中值体积直径、覆冰密度。

本发明可以通过以下技术方案来加以实现：所述的大气结构物覆冰参数测量方法及多导体积冰器，其特征在于：

所述的多导体积冰器，它由旋转电机1、圆盘2、导体及重量测量装置3、支撑架4、旋转电机1a)防冰罩6构成。其中：支撑架4与防冰罩6相连，旋转电机1固定在防冰罩6中并与圆盘2相连，距圆盘2圆心120mm～130mm处均匀分布5个以上的连接孔，用于连接旋转电机1a和导体及重量测量装置3，旋转电机1a固定在圆盘2上；所述的导体及重量测量装置3由导体16与重量测量装置17共同构成；所述的圆盘2由5个以上直径不等的导体及重量测量装置3和连接孔15构成，圆盘2的直径为300mm左右，厚度为5mm左右；所述的导体16的长度为100mm至300mm，其材料可由铝、铜、铁、有机玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，导体16的表面粗糙度不大于Ra3.2；所述的旋转电机1功率为60～120W，旋转速度为1～3转/分钟；所述的旋转电机1a功率为3～15W，旋转速度为1～3转/分钟；所述的重量测量装置3由压敏传感器及其信号传输处理单元构成。

所述的大气结构物覆冰参数测量方法，其测量方法包括以下步骤：

第一步，首先将多导体积冰器置于覆冰环境中，旋转电机1带动圆盘2旋转，旋转电机1a带动导体及重量测量装置3旋转，导体16表面在覆冰环境中逐渐积冰，导体16表面的积冰量随导体16的直径、覆冰时间和覆冰参数变化而变化；

第二步，利用重量测量装置17动态测量并记录导体16表面的积冰量；

第三步，建立导体积冰量的物理数学模型，即导体积冰量m与风速V₀、环境温度t₀、结冰时间t、覆冰密度ρ、空气中的液态水含量w、水滴中值体积直径a和导体直径d有非线性关系，其隐函数可表示为：

                m＝f(V₀，t₀，t，ρ，w，a，d)                             (1)

第四步，利用第二步测量的导体积冰量(导体5个以上)和公式(1)，得出非线性关系方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1=f(V_0,t_0,t,\mathrm{\ρ},w,a,d_1)\\ m_2=f(V_0,t_0,t,\mathrm{\ρ},w,a,d_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ m_N=f(V_0,t_0,t,\mathrm{\ρ},w,a,d_N)\end{array}\right.---\left(2\right)$

第五步，最后采用数值分析方法解方程组(2)，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_0=g_1(m_1,m_2,...,m_N)\\ t_0=g_2(m_1,m_2,...,m_N)\\ \mathrm{\ρ}=g_4(m_1,m_2,...,m_N)\\ w=g_5(m_1,m_2,...,m_N)\\ a=g_6(m_1,m_2,...,m_N)\end{array}\right.---\left(3\right)$

附图说明

图1为本发明提供的多导体积冰器结构示意图。在图1中，1为功率60～120W的旋转电机，2为圆盘，3为导体及重量测量装置，4为支撑架，1a为功率3～10W的旋转电机，6为防冰罩。

图2为本发明提供的圆盘2的结构示意图。在图2中，7为直径小于5mm的导体及重量测量装置，8为直径大于40mm导体及重量测量装置，9为直径10mm左右导体及重量测量装置，10为直径35mm左右导体及重量测量装置，11为直径15mm左右导体及重量测量装置，12为直径30mm左右导体及重量测量装置，13为直径20mm左右导体及重量测量装置，14为直径25mm左右导体及重量测量装置，15为连接孔。

图3为本发明提供的导体及重量测量装置3结构示意图。在图3.中，16为导体，17为重量测量装置。

具体实施方式

以下结合附图1、2、3，对本发明的技术方案作进一步描述：

本发明提供的多导体积冰器，其特征在于：所述的圆盘2由直径不大于5mm的导体及重量测量装置7、直径不小于40mm导体及重量测量装置8、直径10mm左右导体及重量测量装置9、直径35mm左右导体及重量测量装置10、直径15mm左右导体及重量测量装置11、直径30mm左右导体及重量测量装置12、直径20mm左右导体及重量测量装置13、直径25mm左右导体及重量测量装置14和连接孔15共同构成，圆盘2的直径为300mm，厚度为5mm；所述的导体16长度为100mm，其直径分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm和40mm，导体16的材料由铝材料制成，导体16的表面粗糙度为Ra3.2；所述的旋转电机1功率为90W，旋转速度为3转/分钟；所述的旋转电机1a功率为4W，旋转速度为3转/分钟；所述的重量测量装置3由压敏传感器及其信号传输处理单元构成。

根据本发明提供的大气结构物覆冰参数测量方法及多导体积冰器，在大型多功能人工气候室模拟覆冰环境进行了多次覆冰参数测量的验证研究，试验结果表明，利用本发明提供的积冰器测量并导出的大气环境温度、有效风速、覆冰密度等数据与实际值的误差小于5％，导出的空气中液态水含量、水滴中值体积直径等数据与实际值的误差小于10％。

本发明提供的大气结构物覆冰参数测量方法及多导体积冰器，可广泛应用于大气覆冰气象环境的测量和覆冰灾害的预警预报。与现有技术相比，本发明具有结构简单、操作方面、稳定性能好、测量参数多、精度高、易于推广应用等优点。

Claims (7)

1、一种大气结构物覆冰参数测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)首先将多导体积冰器置于覆冰环境中，旋转电机1带动圆盘2旋转，旋转电机1a带动导体及重量测量装置3旋转，导体16表面在覆冰环境中逐渐积冰，导体16表面的积冰量随导体16的直径、覆冰时间和覆冰参数变化而变化；

2)利用重量测量装置17动态测量并记录导体16表面的积冰量；

3)建立导体积冰量的物理数学模型，即导体积冰量m与风速V0、环境温度t0、结冰时间t、覆冰密度ρ、空气中的液态水含量w、水滴中值体积直径a和导体直径d有非线性关系，其隐函数可表示为：

         m＝f(V₀，t₀，t，ρ，w，a，d)                        (1)

4)利用第二步测量的导体积冰量(导体5个以上)和公式(1)，得出非线性关系方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1=f(V_0,t_0,t,\mathrm{\ρ},w,a,d_1)\\ m_2=f(V_0,t_0,t,\mathrm{\ρ},w,a,d_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ m_N=f(V_0,t_0,t,\mathrm{\ρ},w,a,d_N)\end{array}\right.---\left(2\right)$

5)最后采用数值分析方法解方程组(2)，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_0=g_1(m_1,m_2,...,m_N)\\ t_0=g_2(m_1,m_2,...,m_N)\\ \mathrm{\ρ}=g_4(m_1,m_2,...,m_N)\\ w=g_5(m_1,m_2,...,m_N)\\ a=g_6(m_1,m_2,...,m_N)\end{array}\right.---\left(3\right)$

2、一种实现权利要求1所述的多导体积冰器，其特征在于：所述的多导体积冰器由旋转电机1、圆盘2、导体及重量测量装置3、支撑架4、旋转电机1a)防冰罩6构成，其中：支撑架4与防冰罩6相连，旋转电机1固定在防冰罩6中并与圆盘2相连，距圆盘2圆心120mm～130mm处均匀分布5个以上的连接孔，用于连接旋转电机1a和导体及重量测量装置3，旋转电机1a固定在圆盘2上。

3、根据权利要求2所述的多导体积冰器，其特征在于：所述的导体及重量测量装置3由导体16与重量测量装置17共同构成。

4、根据权利要求2所述的多导体积冰器，其特征在于：所述的圆盘2由5个以上直径不等的导体及重量测量装置3和连接孔15构成，圆盘2的直径为300mm左右，厚度为5mm左右。

5、根据权利要求2所述的多导体积冰器，其特征在于：所述的导体16的长度为100mm至300mm，其材料可由铝、铜、铁、有机玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，导体16的表面粗糙度不大于Ra3.2。

6、根据权利要求2所述的多导体积冰器，其特征在于：所述的旋转电机1功率为60～120W，旋转速度为1～3转/分钟。

7、根据权利要求2所述的多导体积冰器，其特征在于：所述的旋转电机1a功率为3～15W，旋转速度为1～3转/分钟；所述的重量测量装置3由压敏传感器及其信号传输处理单元构成。

Images