CN101806850A - 一种气候环境模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气候环境模拟试验方法，其包括以下操作：设置一环境模拟舱，在环境模拟舱中设置通有特高压电的试品，在试品周围设置热雾系统、淋雨系统、覆冰系统、造风系统和融冰系统，在环境模拟舱外设置温度调节系统、压强调节系统、测控系统和水源；模拟热雾环境时，控制热雾系统向环境模拟舱内输入蒸汽的速率；模拟淋雨环境时，使雨滴与试品表面碰撞时的角度成45°；模拟覆冰环境时，控制环境模拟舱中的温度，使水滴均附着在试品表面；模拟刮风环境时，控制造风系统的风速；模拟融冰环境时，控制试品附近的温度上升速率。本发明易于模拟各种不同的气候环境，可以用于电力、交通、航空等等领域的试验研究和产品性能测试等。

Description

一种气候环境模拟试验方法

技术领域

本发明涉及一种试验方法，特别是关于一种气候环境模拟试验方法。

背景技术

最近几年，随着国内的电力需求不断增大，特高压输电已经成为提升我国电网输送能力的重要手段。特高压线路中的绝缘子串由于暴露在户外，其表面上会沉积有一层由可溶性盐类和不溶性的灰组成的污秽层，而绝缘子串两端带有高电压，污秽会使绝缘子串表面的绝缘性能下降，尤其是在大雾、雨天或冰冻天，绝缘子串表面还可能出现较大的泄漏电流，也就是常说的闪烁现象。更为严重的是，绝缘子串表面的闪烁现象有可能会造成相间短路或相地短路，从而导致大规模停电等重大安全事故。我国与国外特高压输电工程最大的不同点是我国地域辽阔，地理、气象环境复杂。并且，随着我国经济高速发展，工业污染日益严重。因此不同地区污秽情况有很大差别，再加上高海拔和覆冰的问题，特高压外绝缘问题必将成为特高压输电建设的关键性控制因素之一。因此，提高复杂气象环境下，尤其是高海拔地区绝缘子串的电气强度，是提高特高压输电线路运行安全的重要保障。

为了研究特高压工程用线路悬式绝缘子串、支柱绝缘子以及套管的外绝缘特性，国内外不仅对特高压输电线路的运行状况进行了长期的调查分析，还通过环境模拟试验设备从试验的角度对绝缘设备的污闪电压、冰闪电压与气压、气候因素之间的关系进行了长期的研究，分析了影响污秽绝缘子串闪络特性的因素。然而，目前国内外的环境模拟试验设备主要是针对单一气象条件进行设计的，并且国内外没有大型模拟高海拔试验室，高海拔对闪络特性影响也开展较少，对高海拔对绝缘子污闪和冰闪影响只能在小型的气候室做一些短串试验或机理性研究。国内外尽管有一些综合环境模拟试验装置，但这些装置对复杂气象环境的模拟也不够全面。例如现有技术所公开的一种多功能人工气候室系统，虽然可以人工模拟起雾、覆冰等气象环境，但缺少独立的融冰系统和模拟高海拔系统，其融冰过程仅依靠试验室的温度控制系统来实现融冰，不仅能耗大、成本高，且不易控制融冰速度。另外，目前国内研制的用于电气试验的人工气候罐体积较小，无法满足对超高压、特高压绝缘子和大型绝缘子串闪络特性的研究。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种成本低、易于模拟各种不同的气候环境，以便于研究影响污秽绝缘子串闪络特性因素的气候环境模拟试验方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种气候环境模拟试验方法，其包括以下操作：设置一环境模拟舱，在环境模拟舱中设置通有特高压电的试品，在试品周围设置热雾系统、淋雨系统、覆冰系统、造风系统和融冰系统，在环境模拟舱外设置温度调节系统、压强调节系统、测控系统和水源；模拟热雾环境时，测控系统启动热雾系统，并调制热雾系统与水源之间管道上的电磁阀，控制热雾系统以(0.05±0.01)kg/h的速率向环境模拟舱内输入蒸汽；模拟淋雨环境时，测控系统启动淋雨系统，并调制淋雨系统与水源之间管道上的电磁阀，使雨滴与试品表面碰撞时的角度成45°；模拟覆冰环境时，测控系统首先启动、调制温度调节系统，使环境模拟舱中的温度控制在-20℃～-5℃；测控系统再启动覆冰系统，并调制覆冰系统中的预冷水系统与水源之间管道上的电磁阀，使水滴均附着在试品表面，喷水时间为4小时；模拟刮风环境时，测控系统启动造风系统，并控制造风系统以0～12m/s的风速，由罐壁向罐体中心吹风；模拟融冰环境时，测控系统启动融冰系统，并控制融冰系统的加热速率，使试品附近温度以dT/dt＞10K/h上升至低于0℃，再以dT/dt＜1K/h通过0℃，时间为2～3小时。

模拟淋雨环境时，测控系统同时启动并控制造风系统，以模拟刮风淋雨环境。

模拟覆冰环境时，测控系统同时启动并控制造风系统，以模拟刮风覆冰环境。

模拟融冰环境时，测控系统同时启动并控制造风系统，以模拟刮风融冰环境。

模拟刮风淋雨环境时，测控系统同时启动并控制压强调节系统中的真空泵，使环境模拟舱内的气压为101～41.2kPa，以模拟低压下的刮风淋雨环境。

模拟刮风覆冰环境时，测控系统同时启动并控制压强调节系统中的真空泵，使环境模拟舱内的气压为101～41.2kPa，以模拟低压下的刮风覆冰环境。

模拟刮风融冰环境时，测控系统同时启动并控制压强调节系统中的真空泵，使环境模拟舱内的气压为101～41.2kPa，以模拟低压下的刮风融冰环境。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明在环境模拟舱中设置通有特高压电的试品，在试品周围设置热雾系统、淋雨系统、覆冰系统、造风系统和融冰系统，在环境模拟舱外设置温度调节系统、压强调节系统、测控系统和水源，因此可以根据试验需要，来选择各种不同的功能设备，用于模拟多种单一的气候环境，比如：热雾环境、淋雨环境、覆冰环境、刮风环境和融冰环境。2、由于本发明在一个环境模拟舱中可以模拟多种不同的气候环境，因此可以有效地降低试验成本。3、由于本发明还可以同时使用多种功能设备，高效地模拟多种复杂的气候环境，比如：模拟刮风淋雨环境、刮风覆冰环境、刮风融冰环境、低压下的刮风淋雨环境、低压下的刮风覆冰环境、低压下的刮风融冰环境。本发明成本低、易于模拟各种不同的气候环境，可以用于电力、交通、航空等等领域的试验研究和产品性能测试等。

附图说明

图1是本发明的系统方框图

图2是本发明的系统中水处理系统方框图

图3是本发明方法的系统中特高压电源系统方框图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法进行详细的描述。

如图1所示，为实现本发明方法，首先需要设置一个环境模拟舱1，在环境模拟舱1中设置通有特高压电的试品2、热雾系统3、淋雨系统4、覆冰系统5、造风系统6、融冰系统7和温度调节系统8，在环境模拟舱1外设置压强调节系统9、测控系统10和水源11。

环境模拟舱1为密封的环境模拟试验场所，环境模拟舱1需要满足：

温升速率ΔT/t＜1K/h，其中：T为绝对温度，t为时间；

压强变化速率ΔP/t＜0.1KPa/h，其中：P为气压，t为时间。

环境模拟舱1还需要满足结构强度、刚度及稳定性要求，例如：在外压为0.0625MPa，同时叠加风载荷(风速10m/s)和地震载荷(8度地震烈度)情况下，环境模拟舱1能够满足使用要求。

试品2可以是耐高压的绝缘子串、绝缘套管或支柱绝缘子，绝缘子串、绝缘套管可以悬置在环境模拟舱1的顶部，支柱绝缘子可以布置在环境模拟舱1的地板上。

热雾系统3设置在环境模拟舱1的顶部，通过管道连接环境模拟舱1外的水源11，且该管道上设置有电磁阀。

淋雨系统4包括多个方向可调的喷头，各喷头通过管道与水源11连接，管道上设置有电磁阀10。

覆冰系统5中设置有一预冷水系统、若干喷水覆冰设备和电加热设备。各喷水覆冰设备设置在环境模拟舱1壁面上，且各喷水覆冰设备的喷水口均朝向试品2，各喷水覆冰设备均通过管道连接预冷水系统，预冷水系统通过管道连接水源11，管道上设置有电磁阀。电加热设备设置在喷水覆冰设备的喷水口上，可以防止喷水覆冰设备的喷水口处的水冻结。

造风系统6为设置在环境模拟舱1壁面上的多个风扇或鼓风机，风向为单一风向，由罐壁指向罐体中心的试品2，

融冰系统7采用非接触式辐照装置对环境模拟舱1内的试品2进行加热，这样可以更为真实地模拟试验所需的融冰环境。

温度调节系统8包括制冷器、空间加热器和融霜加热器，制冷器的压缩机设置在环境模拟舱1的外面，通过管路与环境模拟舱1内制冷器的蒸发器连通，空间加热器和融霜加热器可以设置在环境模拟舱1内的各种加热装置。

压强调节系统9包括设置在环境模拟舱1外的一真空泵和一补气设备，真空泵和补气设备分别通过管道连通环境模拟舱1。

测控系统10主要由中央控制台和上述各环境模拟系统在现场设置的独立的电控制柜组成。比如在环境模拟舱1内设置温度传感器、气压传感器和水压传感器等。中央控制台可以对各环境模拟系统试验参数进行设定，也将收集到的各传感器测量得到的试验状态参数进行实时显示、记录和打印，还可以根据预先设定的试验参数对各系统的设备进行启停控制和紧急关机等操作。各环境模拟系统的电控制柜根据中央控制台的指令对各自设备的运行进行进一步的控制、显示等操作。

如图2所示，水源11可以是自来水，也可以是一水处理系统。水处理系统中包括一软化水系统12和一去离子水系统13，软化水系统12的进水口连接到自来水，软化水系统12的出水口分别连接去离子水系统13和热雾系统3的进水口，去离子水系统13的出水口分别连接淋雨系统4和覆冰系统5。

软化水系统12包括通过管路依次连接的砂滤121、活性碳122和再生树脂123。软化水的产生过程是：自来水经砂滤121滤掉大颗粒杂质后，再经过活性碳122吸附掉水中的一部分小颗粒不溶性杂质和一部分可溶性杂质，去除水中的色素、异味、生化有机物、降低水中的余氯值及农药污染和其它污染物，最后经过再生树脂123去除钙镁离子。经过三级过滤产生软化水，供给热雾系统3使用。再生树脂123使用一段时间之后要用饱和的氯化钠124溶液进行再生。

去离子水系统13包括一级反渗透系统131、二级反渗透系统132和三个水质监测器133、134、135。从软化水系统12进入的软化水依次经过一级反渗透系统131、二级反渗透系统132进行去离子处理后，进入第一个水质监测器133进行检测，若电导率小于设定值，则输送给淋雨系统4和/或覆冰系统5；反之，则返回一级反渗透系统131的进口，循环进行去离子处理。从一级反渗透系统131和二级反渗透系统132排出的废水分别通过第二和第三水质监测器134、135进行检测，若电导率大于设定值，便直接排放；若小于设定值，则返回一级反渗透系统131的进口，循环进行去离子处理。上述三个水质监测器133、134、135可以分别根据要求进行电导率值的设定。

如图3所示，试品2上的特高压电可以由一特高压电源系统14提供。特高压电源系统14可以包括电源15、交流模块16、直流模块17、调压器18和转换开关19，其中，交流模块16包括交流开关161和变压器162，直流模块17包括直流开关171、可控硅整流调压模块172、变压器173和倍压整流模块174。电源15可以是一10kV单相交流电源，电源15提供的交流电经调压器18调压后，再转换开关19来选择交流模块16或直流模块17。当转换到交流模块16时，特高压电源系统14给试品2提供试验用交流电，此时，调压器18输出的交流电经交流开关161，再经变压器162升压至0～800kV，并进行输出；当转换到直流模块17时，特高压电源系统14给试品2提供直流电，此时，调压器18输出的交流电经直流开关171后，再经可控硅整流调压模块172调整输出波形(以控制输出电压有效值)后，经变压器173升压，最后经过倍压整流模块174将交流电升压并整流为直流电压输出，输出的直流电的电压设定为0～±1000kV。

还可以在特高压电源系统14中设置一前级开关20和一后级开关21，且将前级开关20串接在电源15与交流模块16和直流模块17之间，将后级开关21串接在调压器18与转换开关19之间。由于前级开关20和后级开关21具有过流保护和速断保护作用，采用直流输出时，可控硅整流调压模块172可以立即封锁触发脉冲，同时断开前级开关20，即断开主回路，可以保护变压器173和其它模块不受损坏。采用交流输出时，利用前级开关20和后级开关21具有的过流保护和速断保护作用，可以对主回路进行双重保护。

为了避免环境模拟舱1的舱壁导电，可以在特高压电源系统14中设置一绝缘模块22，并使绝缘模块22串接在交流模块16和直流模块17与试品2之间，使交流模块16或直流模块17输出的特高压的交或直流电经绝缘模块22后，再引入到环境模拟舱1中的试品2上。

在输出特高压直流电时，还可以在特高压电源系统14中设置一泄漏电流测量模块23，且使泄漏电流测量模块23串接在可控硅整流调压模块172与试品2之间。由于进行污秽或覆冰试验过程中，试品2两端带有高电压，而污秽试验和覆冰试验都会使试品2表面的绝缘强度下降，使试品2表面出现较大的泄漏电流，并且直流电会出现明显的跌落现象，为了保证直流电的稳定，直流模块17采用电流、电压双闭环控制，即电压信号经泄漏电流测量模块23采集的泄漏电流信号反馈至可控硅整流调压模块172，通过调节可控硅整流调压模块172上的晶闸管导通角来调节输出的直流电压。

还可以在特高压电源系统14中设置一高压接地模块24，并将高压接地模块24同时连接交流模块16、直流模块17和泄漏电流测量模块23，这样主电源回路的接地系统为一点接地，从而可以保护设备。

在环境模拟舱1内设置一与测控系统电连接的监控系统25，用于监视记录环境模拟舱1内的试验进行状况，并对整个试验室内试验全过程进行摄像。

如图1所示，在环境模拟舱1上还设置一安全阀26和冷却循环水系统27。安全阀26与测控系统10电连接，一旦发生由环境模拟舱1内、外压差引起的意外便自动开启，保证环境模拟舱1的安全。在各系统操作试验过程中产生的热量均通过冷却循环水系统27进行水冷却，保证各功能系统的正常工作。冷却循环水系统27还可以与水处理系统连接，使用水处理系统产生的软化水作为冷却水。

本发明进行气候环境模拟试验时，包括以下操作：

1、进行模拟热雾环境时，测控系统10启动热雾系统3，并调制热雾系统3与水源11之间管道上的电磁阀，使热雾系统3以(0.05±0.01)kg/h的速率向环境模拟舱1内输入蒸汽。

2、进行模拟淋雨环境时，测控系统10启动淋雨系统4，并调制淋雨系统4与水源11之间管道上的电磁阀，使淋雨系统4喷出的雨滴与试品2表面碰撞时的角度成45°，持续淋雨至试验结束。

3、进行模拟覆冰环境时，测控系统10首先启动、调制温度调节系统8，使环境模拟舱1中的温度控制在-20℃～-5℃；测控系统10再启动覆冰系统5，并调制覆冰系统5中的预冷水系统与水源11之间管道上的电磁阀，使覆冰系统5中的喷水覆冰设备按照设定的喷水压力和喷/停频率向试品2喷水，喷水压力可调，喷/停频率可调，以没有大量覆冰用水水滴从试品2表面流下为准。喷水时间为整个覆冰试验过程，一般为4小时。

4、进行模拟刮风环境时，测控系统10启动造风系统6，并控制造风系统6按照设定的风向和风速进行工作，风速为0～12m/s可调，造风时间根据试验要求可调，可以持续吹风，也可以根据控制曲线进行吹风。

5、进行模拟融冰环境时，测控系统10启动融冰系统7，并控制融冰系统7按照设定的加热速率进行工作，使试品2附近温度从低温以较快速率，即dT/dt＞10K/h上升至低于0℃，再以较慢加热速率，即dT/dt＜1K/h通过0℃。加热时间从开始加热至试验结束，一般为2～3小时。

6、进行模拟刮风淋雨环境时，测控系统10同时启动并控制淋雨系统4和造风系统6，测控系统10对淋雨系统4和造风系统6的具体控制方法如上所述，在此不再赘述。

7、进行模拟刮风覆冰环境时，测控系统10首先启动并控制温度调节系统8，然后同时启动并控制覆冰系统5和造风系统6，测控系统10对温度调节系统8、覆冰系统5和造风系统6的具体控制方法如上所述，在此不再赘述。

8、进行模拟刮风融冰环境时，测控系统10同时启动并控制融冰系统7和造风系统6，测控系统10对融冰系统7和造风系统6的具体控制方法如上所述，在此不再赘述。

9、进行模拟低压下的刮风淋雨环境时，测控系统10启动并控制压强调节系统9中的真空泵，使环境模拟舱1内的气压为101～41.2kPa；同时启动并控制淋雨系统4和造风系统6，测控系统10对压强调节系统9中的真空泵、淋雨系统4和造风系统6的具体控制方法如上所述，在此不再赘述。

10、进行模拟低压下的刮风覆冰环境时，测控系统10首先启动并控制温度调节系统8，然后同时启动并控制压强调节系统9中的真空泵、覆冰系统5和造风系统6，测控系统10对温度调节系统8、压强调节系统9中的真空泵、覆冰系统5和造风系统6的具体控制方法如上所述，在此不再赘述。

11、进行模拟低压下的刮风融冰环境时，测控系统10同时启动并控制压强调节系统9中的真空泵、融冰系统7和造风系统6，测控系统10对融冰系统7和造风系统6的具体控制方法如上所述，在此不再赘述。

上述的温度调节系统8的控制过程是：若环境模拟舱1内温度达到设定温度，制冷器停止制冷，若环境模拟舱1内温度低于设定温度，空间加热器打开，对环境模拟舱1内空气开始加热；若环境模拟舱1内温度高于设定温度，空间加热器停止，制冷器对环境模拟舱1内空气开始制冷。为了保证制冷器的正常工作，当制冷器工作时间超过设定时间时，融霜加热器自动打开，对制冷器进行除霜。制冷时间与环境温度和目标温度有关，通常由常温制冷至-20℃，时间小于8小时。

上述的压强调节系统9的控制过程是：当环境模拟舱1内压强高于设定压强，真空设备开始抽真空；当环境模拟舱1内压强达到设定压强，真空设备停止工作；当环境模拟舱1内压强低于设定压强，补气调节设备打开，对环境模拟舱1内进行补气。

Claims (7)

1.一种气候环境模拟试验方法，其包括以下操作：

设置一环境模拟舱，在环境模拟舱中设置通有特高压电的试品，在试品周围设置热雾系统、淋雨系统、覆冰系统、造风系统和融冰系统，在环境模拟舱外设置温度调节系统、压强调节系统、测控系统和水源；

模拟热雾环境时，测控系统启动热雾系统，并调制热雾系统与水源之间管道上的电磁阀，控制热雾系统以(0.05±0.01)kg/h的速率向环境模拟舱内输入蒸汽；

模拟淋雨环境时，测控系统启动淋雨系统，并调制淋雨系统与水源之间管道上的电磁阀，使雨滴与试品表面碰撞时的角度成45°；

模拟覆冰环境时，测控系统首先启动、调制温度调节系统，使环境模拟舱中的温度控制在-20℃～-5℃；测控系统再启动覆冰系统，并调制覆冰系统中的预冷水系统与水源之间管道上的电磁阀，使水滴均附着在试品表面，喷水时间为4小时；

模拟刮风环境时，测控系统启动造风系统，并控制造风系统以0～12m/s的风速，由罐壁向罐体中心吹风；

模拟融冰环境时，测控系统启动融冰系统，并控制融冰系统的加热速率，使试品附近温度以dT/dt＞10K/h上升至低于0℃，再以dT/dt＜1K/h通过0℃，时间为2～3小时。

2.如权利要求1所述的一种气候环境模拟试验方法，其特征在于：模拟淋雨环境时，测控系统同时启动并控制造风系统，以模拟刮风淋雨环境。

3.如权利要求1所述的一种气候环境模拟试验方法，其特征在于：模拟覆冰环境时，测控系统同时启动并控制造风系统，以模拟刮风覆冰环境。

4.如权利要求1所述的一种气候环境模拟试验方法，其特征在于：模拟融冰环境时，测控系统同时启动并控制造风系统，以模拟刮风融冰环境。

5.如权利要求2所述的一种气候环境模拟试验方法，其特征在于：模拟刮风淋雨环境时，测控系统同时启动并控制压强调节系统中的真空泵，使环境模拟舱内的气压为101～41.2kPa，以模拟低压下的刮风淋雨环境。

6.如权利要求3所述的一种气候环境模拟试验方法，其特征在于：模拟刮风覆冰环境时，测控系统同时启动并控制压强调节系统中的真空泵，使环境模拟舱内的气压为101～41.2kPa，以模拟低压下的刮风覆冰环境。

7.如权利要求4所述的一种气候环境模拟试验方法，其特征在于：模拟刮风融冰环境时，测控系统同时启动并控制压强调节系统中的真空泵，使环境模拟舱内的气压为101～41.2kPa，以模拟低压下的刮风融冰环境。

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