CN104729562B - 输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法，具体实施步骤如下：1)在人工模拟气候环境中布置模拟输电导线，模拟输电导线连接电压电流调节装置；2)设置模拟气候环境参数，通过电压电流调节装置同时向模拟输电导线施加电压和电流，并在不同的模拟气候环境参数下测量覆冰开始后固定时长的覆冰厚度，得到覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系；3)建立同时带电压和电流的覆冰厚度增长模型，覆冰厚度增长模型包含输电导线的覆冰厚度与自然气候环境参数之间关系的覆冰特性。本发明能够模拟自然环境下同时带电压和电流的真实覆冰特性，具有试验操作简便、试验结果准确且应用范围广的优点。

Description

输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法

技术领域

本发明涉及电气工程试验技术领域，尤其涉及一种输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法。

背景技术

架空输电线路覆冰会严重威胁电力系统的安全运行，中国湖北武汉自1954年记录到覆冰致倒塔断线事故以来，覆冰事故频繁发生，而2008年在多个省份发生的雨雪冰冻灾害，更是造成输电线路倒塔70多万基，使得工厂、医院和居民区大面积停电，电网企业直接经济损失达250多亿元，对人们的生产和生活都产生了非常大的影响。

为了模拟实际输电导线的覆冰增长机理和特性以预防覆冰事故的发生，众多高校和科研机构在人工模拟气候实验室或户外自然覆冰观测站，对多种型号输电导线覆冰试验方法进行了大量的理论研究和实践探索；但目前的输电导线覆冰试验方法，通常只在导线上施加高电压，或只在导线上施加大电流，或者既不施加高电压、也不施加大电流(即对输电导线进行不带电覆冰试验)。

对于自然环境下运行的输电线路，输电导线上既存在高电压信号，又存在大电流信号，例如中国交流500kV输电线路，每相输电导线对地电压为289kV，流过输电导线的电流有几百甚至上千安培。而且现场经验表明：导线运行电压会引起空气中水滴的极化和冰树枝的生长，从而加速覆冰增长；流过导线的电流因焦耳热效应可使覆冰水滴的冻结率减小，对覆冰形态也有重大影响。因此，利用只带电压、只带电流或不带电覆冰试验方法进行输电导线覆冰试验时，会存在与实际输电线路真实覆冰特性有较大差异的缺陷，试验结果并不能直接应用于实际输电线路抗冰设计和融冰工作。综上所述，目前还急需要提供一种能够模拟自然环境下高电压和大电流输电导线的真实覆冰特性的试验方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能够模拟自然环境下同时带电压和电流输电导线真实覆冰特性，且试验操作简便、试验结果准确、应用范围广的输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法，具体实施步骤如下：

1)在人工模拟气候环境中布置模拟输电导线，将所述模拟输电导线连接电压电流调节装置；

2)设置模拟气候环境参数，通过所述电压电流调节装置同时向模拟输电导线施加电压和电流，并在不同模拟气候环境参数下获取覆冰开始后固定时长的覆冰厚度，得到覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系；

3)根据所述覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系建立同时带电压和电流的覆冰厚度增长模型，所述覆冰厚度增长模型包含输电导线的覆冰厚度与自然气候环境参数之间关系的覆冰特性。

优选地，所述步骤2)的详细步骤如下：

2.1)设置模拟气候环境中的各项环境参数，并选择其中一项环境参数作为当前环境参数；

2.2)启动所述电压电流调节装置同时向模拟输电导线施加固定大小的电压和电流；从覆冰开始后固定时长，断开所述电压电流调节装置，获取当前模拟气候环境参数下模拟输电导线的覆冰厚度；

2.3)调整当前环境参数的值，保持其余环境参数不变，返回执行步骤2.2)，直至完成预设次数的试验；当完成预设次数的试验后，根据获取的多个覆冰厚度得到覆冰厚度与当前环境参数之间的关系；

2.4)选择另一项环境参数作为当前环境参数，返回执行步骤2.2)，直至完成所有环境参数的试验，得到覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系。

优选地，所述步骤2.2)中获取当前模拟气候环境参数下模拟输电导线的覆冰厚度的具体实施步骤为：在当前模拟气候环境参数下，对模拟输电导线的长径和短径进行多次测量，分别得到长径和短径的平均值并按式(1)计算得到覆冰厚度；

$B_0={(\frac{\mathrm{\ρ}}{3.6}(\mathrm{ab}-{4r}^2)+r^2)}^{0.5}-r---\left(1\right)$

式(1)中，B₀为覆冰厚度计算值，ρ为覆冰密度，r为模拟输电导线的半径，a为测量得到的长径平均值，b为测量得到的短径平均值。

优选地，所述步骤2.3)中根据测得的多个覆冰厚度得到覆冰厚度与当前环境参数之间的关系时，具体是指根据测得的多个覆冰厚度通过曲线拟合得到覆冰厚度与所有环境参数之间的关系。

优选地，所述模拟气候环境参数具体包括环境温度、湿度、风速以及降雨量。

优选地，所述步骤3)根据覆冰厚度与所述环境温度、环境湿度、风速以及降雨量之间的关系按照式(2)建立覆冰厚度的增长模型；

B＝k₁f(t)+k₂f(RH)+k₃f(v)+k₄f(h)(2)

式(2)中，B为覆冰厚度模型计算值，f(t)为覆冰厚度与环境温度t之间的函数关系，f(RH)为覆冰厚度与环境湿度RH之间的函数关系，f(v)为覆冰厚度与风速v之间的函数关系，f(h)为覆冰厚度与降雨量h之间的函数关系，k₁、k₂、k₃、k₄分别为对应环境温度、环境湿度、风速以及降雨量的权值，且，k₁、k₂、k₃、k₄的和为1。

优选地，所述步骤1)的详细步骤如下：在人工模拟气候环境中布置模拟输电导线，所述模拟输电导线设置为环形；将电压电流调节装置中用于调节电压的第一调压器、隔离变压器以及用于输出大电流的升流变压器依次串联后连接至所述模拟输电导线的两接线端，将电压电流调节装置中第二调压器通过用于输出大电压的升压变压器连接至所述模拟输电导线的中端。

优选地，所述升流变压器和隔离变压器通过支柱绝缘子支撑，使所述第一调压器能够隔离所述模拟输电导线的高电压。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明通过在人工模拟气候环境下对模拟输电导线同时施加电压和电流，有效的模拟了自然环境下的真实覆冰特性，从而减小覆冰试验结果与自然环境下输电导线实际覆冰特性之间的误差；并通过测量不同模拟气候环境参数下的覆冰厚度，得到覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系，从而建立准确的输电导线同时带电压和电流覆冰增长模型，因而试验结果能够直接应用于输电线路覆冰机理研究、抗冰设计和融冰工作中；

2)本发明通过电压电流调节装置同时向模拟输电导线施加电压和电流，并通过调整环境参数来改变模拟气候环境，实现不同模拟气候环境下的覆冰试验，试验操作简便且稳定可靠；进一步的，电压电流调节装置中升流变压器和隔离变压器通过支柱绝缘子支撑，用以隔离模拟输电导线的高电压，有效保证覆冰试验时第一调压器操作人员的安全。

附图说明

图1是本实施例输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法的实现流程示意图。

图2是本实施例中采用的电压电流调节装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法的具体实施步骤如下：

1)在人工模拟气候环境中，布置模拟输电导线并将模拟输电导线连接电压电流调节装置；

2)设置模拟气候环境参数，通过电压电流调节装置同时向模拟输电导线施加电压和电流，并在不同模拟气候环境参数下获取覆冰开始后固定时长的覆冰厚度，得到覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系；

3)根据覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系建立输电导线同时带电压和电流的覆冰厚度增长模型，覆冰厚度增长模型包含输电导线的覆冰厚度与自然气候环境参数之间关系的覆冰特性。

本实施例中，通过人工模拟气候实验室提供模拟气候环境，在人工模拟气候实验室中搭建覆冰试验平台，覆冰试验平台由模拟输电导线以及用于同时施加电压和电流的电压电流调节装置构成。本实施例中采用的电压电流调节装置如图2所示，具体由第一调压器、隔离变压器、升流变压器、第二调压器以及升压变压器构成，第一调压器对接入的电源电压进行调节，通过升流变压器后输出所需的大电流至模拟输电导线；第二调压器对接入的电源电压进行调节，通过升压变压器后输出所需的高电压至模拟输电导线。通过电压电流调节装置同时向模拟输电导线施加电压和电流，有效的模拟了自然环境下输电导线真实的覆冰特性，从而减小覆冰试验结果与实际覆冰特性之间的误差。

本实施例中，步骤1)的详细步骤如下：在人工模拟气候环境中布置模拟输电导线，模拟输电导线设置为环形；将电压电流调节装置中用于调节电压的第一调压器、隔离变压器以及用于输出大电流的升流变压器依次串联后连接至模拟输电导线的两接线端，将电压电流调节装置中第二调压器通过用于输出大电压的升压变压器连接至模拟输电导线的中端。

本实施例中，升流变压器和隔离变压器通过支柱绝缘子支撑，用以隔离模拟输电导线的高电压，确保向模拟输电导线同时施加大电流和高电压时第一调压器操作人员的安全。

本实施例中，步骤2)的详细步骤如下：

2.1)设置模拟气候环境中的各项环境参数，并选择其中一项环境参数作为当前环境参数；

2.2)启动电压电流调节装置同时向模拟输电导线施加固定大小的电压和电流；从覆冰开始后固定时长，断开电压电流调节装置，获取当前模拟气候环境参数下模拟输电导线的覆冰厚度；

2.3)调整当前环境参数的值，保持其余环境参数不变，返回执行步骤2.2)，直至完成预设次数的试验；当完成预设次数的试验后，根据获取的多个覆冰厚度得到覆冰厚度与当前环境参数之间的关系；

2.4)选择另一项环境参数作为当前环境参数，返回执行步骤2.2)，直至完成所有环境参数的试验，得到覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系。

本实施例中，步骤2.2)中测量当前模拟气候环境参数下模拟输电导线的覆冰厚度的具体实施步骤为：在当前模拟气候环境参数下，对模拟输电导线的长径和短径进行多次测量，分别得到长径和短径的平均值并按式(1)计算得到覆冰厚度；

$B_0={(\frac{\mathrm{\ρ}}{3.6}(\mathrm{ab}-{4r}^2)+r^2)}^{0.5}-r---\left(1\right)$

式(1)中，B₀为覆冰厚度计算值(mm)，ρ为覆冰密度(g/cm3)，r为模拟输电导线的半径(mm)，a为测量得到的长径平均值(mm)，b为测量得到的短径平均值(mm)。

本实施例中，步骤2.3)中根据获取的多个覆冰厚度得到覆冰厚度与当前环境参数之间的关系时，具体是指根据获取的多个覆冰厚度通过曲线拟合得到覆冰厚度与所有环境参数之间的关系。

本实施例中，模拟气候环境参数具体包括环境温度、湿度、风速以及降雨量，在不同环境温度、环境湿度、风速以及降雨量下获取的多个覆冰厚度，通过曲线拟合得到覆冰厚度与环境温度、环境湿度、风速以及降雨量之间的函数关系。

本实施例中，步骤3)根据覆冰厚度与环境温度、环境湿度、风速以及降雨量之间的关系按照式(2)建立覆冰厚度的增长模型；

B＝k₁f(t)+k₂f(RH)+k₃f(v)+k₄f(h)(2)

式(2)中，B为覆冰厚度模型计算值，f(t)为覆冰厚度与环境温度t之间的函数关系，f(RH)为覆冰厚度与环境湿度RH之间的函数关系，f(v)为覆冰厚度与风速v之间的函数关系，f(h)为覆冰厚度与降雨量h之间的函数关系，k₁、k₂、k₃、k₄分别为对应环境温度、环境湿度、风速以及降雨量的权值，且k₁、k₂、k₃、k₄的和为1；k₁、k₂、k₃、k₄的取值可根据层次分析法并结合经验数据进行设置。

本实施例在同时向输电导线施加电压和电流的基础上，通过在不同气候环境中获取的覆冰厚度，得到覆冰厚度与气候环境中各环境参数的关系；再按照各环境参数对覆冰厚度增长的影响程度综合得到准确的覆冰厚度增长模型，由覆冰厚度增长模型表征输电导线的覆冰厚度增长与自然气候环境参数之间的关系，即为自然环境下输电导线的覆冰特性，从而能够有效模拟自然环境下实际运行的输电导线的真实覆冰特性，所得到的覆冰厚度增长模型能够直接计算给定的自然环境下的覆冰厚度，以及应用于输电线路覆冰机理研究、抗冰设计和融冰工作中。

本实施例中，模拟气候环境具体包括环境温度、湿度、风速以及降雨量的环境参数时覆冰试验方法的具体步骤如下：

①设置人工模拟气候室的环境温度、湿度、风速和降雨量，布置包括模拟输电导线以及电压电流调节装置的试验平台，准备开始覆冰试验；

②接通步骤①中试验平台第一调压器和第二调压器的工作电源，调节第一调压器的输出电压，使经过升流变压器输出给模拟输电导线的大电流达到一固定大小的导线运行电流值；同时调节第二调压器的输出电压，使经过升压变压器施加给模拟输电导线的电压达到一固定大小的导线运行电压值，开始输电导线同时带电压和电流的覆冰试验；

③从覆冰开始若干小时后，将第一调压器和第二调压器输出电压归零，用游标卡尺测量模拟输电导线的长径和短径各3次，由3次测得的结果得到长径和短径的平均值，并利用公式(1)计算覆冰厚度；

④调整人工模拟气候室环境温度为另一数值，保持环境湿度、风速和降雨量不变，重复步骤②、③5次，得到在5个不同环境温度下的覆冰厚度B₀；由得到的5个覆冰厚度B₀₁拟合得到覆冰厚度与环境温度的关系曲线，记为：B₀₁＝f(t)，t为环境温度(℃)；

⑤调整人工模拟气候室环境湿度为另一数值，保持环境温度、风速和降雨量不变且与步骤①设置相同，重复步骤②、③5次，得到在5个不同环境湿度下的覆冰厚度B₀₂；由得到的5个覆冰厚度B₀₂拟合得到覆冰厚度与环境湿度的关系曲线，记为：B₀₂＝f(RH)，RH为环境湿度(％)；

⑥调整人工模拟气候室风速为另一数值，保持保持环境温度、环境湿度和降雨量不变且与步骤①设置相同，重复步骤②、③5次，得到在5个不同风速下的覆冰厚度B₀₃；由得到的5个覆冰厚度B₀₃拟合得到覆冰厚度与风速的关系曲线，记为：B₀₃＝f(v)，v为风速(m/s)；

⑦调整人工模拟气候室降雨量为另一数值，保持环境温度、环境湿度和风速不变且与步骤①设置相同，重复步骤②、③5次，得到在5个不同降雨量下的覆冰厚度；由得到的5个覆冰厚度B₀₄拟合得到覆冰厚度与降雨量的关系曲线，记为：B₀₄＝f(h)，h为降雨量(mm)；

⑧利用上述步骤④、⑤、⑥、⑦分别得到的覆冰厚度与环境温度、环境湿度、风速、降雨量的关系曲线，建立同时带运行电压和电流下模拟输电导线的覆冰厚度增长模型，覆冰厚度增长模型的表达式如式(2)所示。利用该覆冰厚度增长模型即可计算在给定的环境温度、湿度、风速和降雨量条件下，实际运行高电压大电流输电线路的覆冰厚度。

为验证本发明的有效性，对本发明上述覆冰试验方法进行了测试。以LGJ-300/40导线为例，采用本发明输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法得到导线覆冰厚度增长模型后，利用该模型计算自然环境条件下运行输电线路的覆冰厚度，与实际覆冰厚度的误差仅为4.6％。由测试结果可得本发明覆冰试验方法可行且可靠，完全能够达到预期的试验效果，能够符合同时带电压和电流覆冰试验的要求且试验效果良好。

本发明也可应用于野外环境中对多种不同型号的输电导线进行覆冰试验，仅需要参照人工模拟气候环境搭建好试验平台，在试验平台中采用与上述相同的方法即可完成输电导线同时带电压和电流的覆冰试验，因而试验环境灵活、应用范围广。在野外环境利用本发明覆冰试验方法时，具体可以通过以下步骤实现：在试验平台中每隔特定时常(如1小时)测量记录满足覆冰条件时的模拟输电导线覆冰厚度和对应的环境温度、湿度、风速和降雨量数值，然后从记录的数据中寻找某一环境参数变化而其他环境参数不变的覆冰厚度数据，并依据这些数据绘制覆冰厚度与变化环境参数的关系曲线并拟合其表达式，直至拟合完成覆冰厚度与所有环境参数关系的数值表达式，最后参照与人工模拟气候环境相同的方法即可得到野外环境下的覆冰厚度增长模型。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法，其特征在于具体实施步骤如下：

1)在人工模拟气候环境中布置模拟输电导线，将所述模拟输电导线连接电压电流调节装置；

2)设置模拟气候环境参数，通过所述电压电流调节装置同时向模拟输电导线施加电压和电流，并在不同模拟气候环境参数下获取覆冰开始后固定时长的覆冰厚度，得到覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系；

3)根据所述覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系建立同时带电压和电流的覆冰厚度增长模型，所述覆冰厚度增长模型包含输电导线的覆冰厚度与自然气候环境参数之间关系的覆冰特性；

所述步骤2)的详细步骤如下：

2.1)设置模拟气候环境中的各项环境参数，并选择其中一项环境参数作为当前环境参数；

2.2)启动所述电压电流调节装置同时向模拟输电导线施加固定大小的电压和电流；从覆冰开始后固定时长，断开所述电压电流调节装置，获取当前模拟气候环境参数下模拟输电导线的覆冰厚度；

2.3)调整当前环境参数的值，保持其余环境参数不变，返回执行步骤2.2)，直至完成预设次数的试验；当完成预设次数的试验后，根据获取的多个覆冰厚度得到覆冰厚度与当前环境参数之间的关系；

2.4)选择另一项环境参数作为当前环境参数，返回执行步骤2.2)，直至完成所有环境参数的试验，得到覆冰厚度与不同模拟气候环境参数之间的关系；

所述步骤2.2)中获取当前模拟气候环境参数下模拟输电导线的覆冰厚度的具体实施步骤为：在当前模拟气候环境参数下，对模拟输电导线的长径和短径进行多次测量，分别得到长径和短径的平均值并按式(1)计算得到覆冰厚度；

$B_0={\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{3.6}\right(ab-4r^2)+r^2)}^{0.5}-r---\left(1\right)$

式(1)中，B₀为覆冰厚度计算值，ρ为覆冰密度，r为模拟输电导线的半径，a为测量得到的长径平均值，b为测量得到的短径平均值。

2.根据权利要求1所述的输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法，其特征在于：所述步骤2.3)中根据获取的多个覆冰厚度得到覆冰厚度与当前环境参数之间的关系时，具体是指根据获取的多个覆冰厚度通过曲线拟合得到覆冰厚度与所有环境参数之间的关系。

3.根据权利要求1或2所述的输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法，其特征在于：所述模拟气候环境参数具体包括环境温度、湿度、风速以及降雨量。

4.根据权利要求3所述的输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法，其特征在于：所述步骤3)根据覆冰厚度与所述环境温度、环境湿度、风速以及降雨量之间的关系按照式(2)建立覆冰厚度的增长模型；

B＝k₁f(t)+k₂f(RH)+k₃f(v)+k₄f(h)(2)

式(2)中，B为覆冰厚度模型计算值，f(t)为覆冰厚度与环境温度t之间的函数关系，f(RH)为覆冰厚度与环境湿度RH之间的函数关系，f(v)为覆冰厚度与风速v之间的函数关系，f(h)为覆冰厚度与降雨量h之间的函数关系，k₁、k₂、k₃、k₄分别为对应环境温度、环境湿度、风速以及降雨量的权值，且，k₁、k₂、k₃、k₄的和为1。

5.根据权利要求4所述的输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法，其特征在于，所述步骤1)的详细步骤如下：在人工模拟气候环境中布置模拟输电导线，所述模拟输电导线设置为环形；将电压电流调节装置中用于调节电压的第一调压器、隔离变压器以及用于输出大电流的升流变压器依次串联后连接至所述模拟输电导线的两接线端，将电压电流调节装置中第二调压器通过用于输出大电压的升压变压器连接至所述模拟输电导线的中端。

6.根据权利要求5所述的输电导线同时带电压和电流的覆冰试验方法，其特征在于：所述升流变压器和隔离变压器分别通过支柱绝缘子支撑，使所述第一调压器能够隔离所述模拟输电导线的高电压。