CN104807493B - 基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法，采用如下的试验平台：包括位于人工气候室内的雾化喷淋系统和气候室外的覆冰水系统、覆冰气系统，所述雾化喷淋系统包括由若干个雾化喷头组成的覆冰水雾化喷头组，所述覆冰水系统与每个雾化喷头的进水口相连，所述覆冰气系统与每个雾化喷头的进气口相连；在将人工气候室降温到目标值后，开始覆冰试验。通过调节覆冰水和覆冰气的压力，改变从覆冰喷头喷出的水（雾）滴颗粒数量和粒径，即可实现在试品表面形成雨凇、雾凇、混合凇和湿雪多种覆冰类型；可在一次试验中实现覆冰类型的连续性，增加了人工气候室覆冰试验结果与自然环境下的实际情况之间的等效性。
Description
技术领域
本发明属于电气工程技术领域，尤其涉及一种基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法。
背景技术
输变电设备覆冰是危害电力系统安全运行的主要问题之一。近年来，国内外覆冰致倒塔、断线和绝缘子闪络跳闸事故频繁发生，给人民生产和生活的正常供电带来严重影响。为了研究输变电设备的覆冰机理和融冰特性，国内外高校和科研机构相继建立了各自的大型人工模拟气候实验室，并开展了大量的输电导线和绝缘子覆冰、融冰与冰闪试验。在进行以上试验时，为了增加人工气候室覆冰、融冰试验结果与自然环境下的实际情况之间的等效性，必须在试品上形成与自然环境条件下相同的覆冰类型。
受自然环境下复杂多变的气象条件影响，实际输变电设备的覆冰类型千差万别，按覆冰的表观特性进行分类，自然环境下的主要覆冰类型有：雨凇、雾凇、混合凇和湿雪。在冬季覆冰季节，经过若干个覆冰周期后，输变电设备外绝缘表面的实际覆冰形态往往是以上多种覆冰类型的混合。目前，国内外的人工气候室为了在覆冰试验时在试品表面形成以上多种覆冰类型，主要采用以下两种方法：一种方法是通过降低气候室环境温度来实现的（自然观测和气候室试验表明：在覆冰水粒径为50-100μm时，形成雨凇的环境温度为-4~0℃，混合凇的温度为-8~ -4℃，雾凇的温度为-10~-8℃，湿雪的温度≤ -10℃），由于形成雾凇和湿雪时所需的环境温度极低，该方法存在制冷设备功率消耗大、经济性差的缺陷；另一种方法是通过更换不同喷口直径的喷头来实现雨凇、雾凇和湿雪（例如国网电力科学研究院的人工气候实验室在形成雨凇时可采用管壁液压式喷头，形成雾淞、积雪等时采用空气动力式喷头），由于需要更换喷头，该方法在覆冰试验时存在诸多不便，且在一次试验中不能实现覆冰类型的连续性。因此，急需提出一种在不改变气候室环境温度和不更换喷头的条件下，也能在人工气候室形成多种覆冰类型的方法。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提出一种新的人工气候室多种覆冰类型形成方法，利用该方法在进行覆冰试验时，可在不改变人工气候室环境温度和不更换喷头的条件下，达到在试品表面形成雨凇、雾凇、混合凇、湿雪等多种覆冰类型。
本发明的技术方案为：一种基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法，采用如下的试验平台：包括位于人工气候室内的雾化喷淋系统和气候室外的覆冰水系统、覆冰气系统，所述雾化喷淋系统包括由若干个雾化喷头组成的覆冰水雾化喷头组，所述覆冰水系统与每个雾化喷头的进水口相连，所述覆冰气系统与每个雾化喷头的进气口相连；在将人工气候室降温到目标值后，开始覆冰试验：
调节覆冰水系统使覆冰水压为0.3~0.4Mpa，同时调节覆冰气系统使覆冰气压比水压大0.1MPa以上，即达到雾凇覆冰的条件；
调节覆冰水系统使覆冰水压为0.5~0.6Mpa；同时调节覆冰气系统使覆冰气压比水压小0.1MPa以上，即达到雨凇覆冰的条件；
调节覆冰水系统使覆冰水压为0.4~0.5Mpa；同时调节覆冰气系统使覆冰气压与覆冰水压之差在0.02MPa以内，即达到混合凇覆冰的条件；
调节覆冰水系统使覆冰水压为0.25~0.35Mpa；同时调节覆冰气系统使覆冰气压比水压大 0.02~0.05MPa，即达到湿雪覆冰的条件。
优选覆冰水雾化喷头组固定在气候室两侧，试品通过可升降和旋转的电动葫芦悬挂于人工气候室顶端。
所述覆冰水系统包括依次连接的原水箱、可调压力水泵、水压表和覆冰水阀；所述覆冰气系统包括依次连接的空气压缩机、储气罐、气压调节阀、气压表和覆冰气阀，以及连接于覆冰水阀和覆冰气阀之间的排空气阀。
人工气候室降温到-5~ -7℃，开始覆冰试验。
优选覆冰水雾化喷头数量为 6~ 18。
若覆冰密度小于0.4g.cm-3且覆冰松软清脆，为雾凇覆冰；若覆冰密度大于0.8g.cm-3且覆冰透明密实，为雨凇覆冰；若覆冰密度位于0.6~ 0.8g.cm-3且覆冰呈奶色半透明状，为混合凇覆冰；若覆冰密度位于0.4~ 0.7g.cm-3且覆冰呈乳白色颗粒状，为湿雪覆冰。
本发明的有益效果是：
（1）通过调节覆冰水和覆冰气的压力，改变从覆冰喷头喷出的水（雾）滴颗粒数量和粒径，即可实现在试品表面形成雨凇、雾凇、混合凇和湿雪多种覆冰类型；
（2）可以有效降低雾凇和湿雪覆冰试验时系统制冷设备的功率消耗，提高覆冰试验的效率和经济性；
（3）可在一次试验中实现覆冰类型的连续性，增加了人工气候室覆冰试验结果与自然环境下的实际情况之间的等效性；
（4）为保证试验结果直接应用于重冰区输变电设备抗冰设计和融冰工作提供试验基础；
（5）本发明方法操作简单，容易实现。
具体实施方式
下面通过一个具体实施例对本发明进行更进一步的说明。本发明基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法包括如下步骤：
（1）、在人工气候实验室搭建试验平台。该试验平台主要由位于人工气候室内的雾化喷淋系统和气候室外的覆冰水系统、覆冰气系统组成。雾化喷淋系统包括覆冰水雾化喷头组和试品，覆冰水雾化喷头组由若干个雾化喷头组成，通过支架固定在气候室两侧，试品通过可升降和旋转的电动葫芦悬挂于人工气候室顶端；覆冰水系统包括原水箱、可调压力水泵、水压表和覆冰水阀，以上各设备依次连接后与覆冰水雾化喷头组每个雾化喷头的进水口相连；覆冰气系统包括空气压缩机、储气罐、气压调节阀、气压表、覆冰气阀、排空气阀，以上各设备（除排空气阀）依次连接后与覆冰水雾化喷头组每个雾化喷头的进气口相连，排空气阀连接于覆冰水阀和覆冰气阀之间。
（2）、设置人工气候室环境温度（-5~ -7℃），开启人工气候室制冷系统给气候室降温至目标值，准备开始覆冰试验。
（3）、打开覆冰水阀和覆冰气阀，选择需要使用的覆冰水雾化喷头数量，接通可调压力水泵和空气压缩机的工作电源。
（4）、调节可调压力水泵的频率和气压调节阀的开度，改变覆冰水和覆冰气的压力数值及两者大小关系（也即改变从覆冰水雾化喷头组每个喷头喷出的水滴（雾滴）浓度和粒径大小），开始覆冰试验。
（5.1）、当需要对试品进行雾凇覆冰试验时，调节可调压力水泵的频率使覆冰水压为0.3~0.4Mpa；同时调节气压调节阀开度使覆冰气压比水压大0.1MPa以上。此时，覆冰水被雾化的程度很高，从喷头喷出的雾滴粒径只有几个至十几个微米，在低温环境下快速冷却并释放潜热，当雾滴到达试品表面并与其碰撞时迅速冻结，形成雾凇覆冰。从试品表面敲下一小块覆冰，测量其密度并观察覆冰色泽，若覆冰密度小于0.4g.cm-3且覆冰松软清脆，表明雾凇覆冰试验成功。
（5.2）、当需要对试品进行雨凇覆冰试验时，调节可调压力水泵的频率使覆冰水压为0.5~0.6Mpa；同时调节气压调节阀开度使覆冰气压比水压小0.1MPa以上。此时，覆冰水雾化的程度较低，水滴粒径达上百微米，进入气候人工模拟室低温环境被冷却，当到达试品表面时并未完全冻结，从而形成雨凇覆冰。从试品表面敲下一小块覆冰，测量其密度并观察覆冰色泽，若覆冰密度大于0.8g.cm-3且覆冰透明密实，表明雨凇覆冰试验成功。
（5.3）、当需要对试品进行混合凇覆冰试验时，调节可调压力水泵的频率使覆冰水压为0.4~0.5Mpa；同时调节气压调节阀开度使覆冰气压与覆冰水压之差在0.02MPa以内。此时，覆冰水压和气压相近，覆冰水滴（雾滴）粒径介于雾凇和雨凇之间，在试品表面形成混合凇覆冰。从试品表面敲下一小块覆冰，测量其密度并观察覆冰色泽，若覆冰密度位于0.6~0.8g.cm-3且覆冰呈奶色半透明状，表明混合凇覆冰试验成功。
（5.4）、当需要对试品进行湿雪覆冰试验时，调节可调压力水泵的频率使覆冰水压为0.25~0.35Mpa；同时调节气压调节阀开度使覆冰气压比水压大0.02~0.05MPa。气压比水压稍大，水滴在未到试品表面时即被冻结成冰晶粒子，然后停留在试品表面，此时便形成湿雪。从试品表面敲下一小块覆冰，测量其密度并观察覆冰色泽，若覆冰密度位于0.4~0.7g.cm-3且覆冰呈乳白色颗粒状，表明湿雪覆冰试验成功。
（6）、当试品表面的覆冰类型和厚度达到要求时，关闭覆冰水阀和覆冰气阀，开启排空气阀将覆冰水管内的残留水全部排出。
（7）断开可调压力水泵和空气压缩机的工作电源，试验结束。
上述覆冰水雾化喷头组可以采用市售SU12型虹吸式雾化喷头，工作压力0.05-0.9MPa，最大喷射距离10m，所喷水滴中值体积粒径10-200μm。
上述一种基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法，经实际应用后证明可靠可行，能够在人工气候室环境温度不变的前提下，通过调节覆冰水和覆冰气的压力，方便的在试品表面形成雨凇、雾凇、混合凇、湿雪覆冰类型，完全达到预期要求。利用该方法对试品进行覆冰试验，将试验结果直接应用于重冰区输变电设备抗冰设计和融冰工作，证明效果良好。
Claims (6)
1.一种基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法，其特征在于：
采用如下的试验平台：包括位于人工气候室内的雾化喷淋系统和气候室外的覆冰水系统、覆冰气系统，所述雾化喷淋系统包括由若干个雾化喷头组成的覆冰水雾化喷头组，所述覆冰水系统与每个雾化喷头的进水口相连，所述覆冰气系统与每个雾化喷头的进气口相连；
在将人工气候室降温到目标值后，开始覆冰试验：
调节覆冰水系统使覆冰水压为0.3~0.4Mpa，同时调节覆冰气系统使覆冰气压比水压大0.1MPa以上，即达到雾凇覆冰的条件；
调节覆冰水系统使覆冰水压为0.5~0.6Mpa；同时调节覆冰气系统使覆冰气压比水压小0.1MPa以上，即达到雨凇覆冰的条件；
调节覆冰水系统使覆冰水压为0.4~0.5Mpa；同时调节覆冰气系统使覆冰气压与覆冰水压之差在0.02MPa以内，即达到混合凇覆冰的条件；调节覆冰水系统使覆冰水压为0.25~0.35Mpa；同时调节覆冰气系统使覆冰气压比水压大 0.02~0.05MPa，即达到湿雪覆冰的条件。
2.根据权利要求1所述的基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法，其特征在于覆冰水雾化喷头组固定在气候室两侧，试品通过可升降和旋转的电动葫芦悬挂于人工气候室顶端。
3.根据权利要求1所述的基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法，其特征在于所述覆冰水系统包括依次连接的原水箱、可调压力水泵、水压表和覆冰水阀；所述覆冰气系统包括依次连接的空气压缩机、储气罐、气压调节阀、气压表和覆冰气阀，以及连接于覆冰水阀和覆冰气阀之间的排空气阀。
4.根据权利要求1~3之一所述的基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法，其特征在于人工气候室降温到-5~ -7℃，开始覆冰试验。
5.根据权利要求1~3之一所述的基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法，其特征在于覆冰水雾化喷头数量为 6~ 18。
6.根据权利要求1~3之一所述的基于水气压力调节的人工气候室多种覆冰类型形成方法，其特征在于若覆冰密度小于0.4g.cm-3且覆冰松软清脆，为雾凇覆冰；若覆冰密度大于0.8g.cm-3且覆冰透明密实，为雨凇覆冰；若覆冰密度位于0.6~ 0.8g.cm-3且覆冰呈奶色半透明状，为混合凇覆冰；若覆冰密度位于0.4~ 0.7g.cm-3且覆冰呈乳白色颗粒状，为湿雪覆冰。
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