CN106645276B - 一种覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置，包括控制器，控制器上分别连接有环境温度湿度采集模块、看门狗模块、电源模块、通信模块、EEPROM模块、信号采集电路，信号采集电路与多通道温度传感器连接，多通道温度传感器的多个端子等间距的连接在冰柱表面缠绕的铝丝上。本发明还公开了利用上述装置测量冰柱表面局部换热系数的方法。本发明一种覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置及测量方法，可以灵活、快速、精确的得到冰柱表面的换热系数。

Description

一种覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量方法

技术领域

本发明属于电气设备绝缘测试技术领域，具体涉及一种覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置，本发明还涉及利用该装置进行测量换热系数的方法。

背景技术

当环境温度较低，碰撞附着到导线上的液滴数量较高时，覆冰表面的未冻结水会在重力及风力的作用下滴落，在此过程中伴随着冰柱的形成。

输电线路覆冰冰柱的出现给电力系统的安全稳定运行造成严重威胁，常造成导线舞动、弧垂下降、短路放电、断线断股、金具损坏、不同期脱冰导线跳跃以及杆塔倒塌等事故，极易造成户外电力设备损坏；冰柱在温度、风力、机械振动作用下脱落，很可能造成下方人员、设备的严重损坏；冰柱在户外电力绝缘设备生长桥接，造成绝缘材料有效绝缘距离减小，容易引发电力系统闪络跳闸事故。

对高压输电线、通信线危害极大，严重危害电力系统的安全运行。且事故多发生在寒冬或初春季节，冰雪天气，影响抢修进度，恢复供电的时间将被延长，造成居民生活不便，有时甚至会造成巨大的经济损失。

输电线路覆冰积雪威胁着电力及通信网络的安全可靠运行，几十年来国内外一直不断的研究和探索抗击冰害对电网系统的影响，对于大气覆冰形成条件，不同类型覆冰机理以及防冰除冰措施做出了一系列深入的研究，并在线路设计阶段制定了一些设计标准和规范；目前，在分析实时监测融冰模型中，影响因素最大的就是对流换热系数；所以对于为了更有效地针对抗冰融冰采取有效措施，准确的测得对流换热系数就显得尤为重要。

对流换热系数体现的是流体和固体表面的换热能力，其精确计算有助于提高覆冰生长热平衡方程计算精度。它仅受结冰对象形状、部位以及流体物理特性影响，而与结冰对象的密度、导热率、比热容无关，而对于覆冰导线冰柱表面的对流换热，因为其特殊的几何外形而使得换热系数的测量显得更加的困难，目前尚无冰柱表面换热系数实时测试技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置，解决了现有实验无法测量冰柱这种特殊形貌的局部换热系数的问题。

本发明的另一个目的是提供利用上述装置进行测量换热系数的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置，包括控制器，控制器上分别连接有环境温度湿度采集模块、看门狗模块、电源模块、通信模块、EEPROM模块、信号采集电路，信号采集电路与多通道温度传感器连接，多通道温度传感器的多个端子等间距的连接在冰柱表面缠绕的铝丝上。

本发明的第一种技术方案的特点还在于：

控制器上还连接有环境风速风向采集模块。

控制器上还连接有液晶显示屏。

控制器上还连接有按键模块。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种测量覆冰导线冰柱表面局部换热系数的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：搭建人工气候室的覆冰条件，并对模拟导线进行覆冰；

步骤2：计算步骤1的冰柱的换热系数；

步骤3：将步骤2得到的换热系数存储在EEPROM模块并通过通讯模块发送到监控中心；

重复执行步骤1-步骤3，直至把各种温度、湿度、风速、风向条件组合的冰柱换热系数均计算得到，将所有得到的温度、湿度、风速、风向及对应的冰柱换热系数生成一张表。

本发明的第二种技术方案的特点还在于：

步骤1中人工气候室中适宜输电线路覆冰生长的风速为1～10m/s，环境温度为-20～0℃，环境湿度为30％～45％；

对模拟导线进行覆冰：用硬质合金管模拟导线，在搭建的人工气候室内，在模拟导线上覆冰，模拟导线表面出现若干根冰柱。

步骤2具体为：

步骤2.1：在冰柱的每个测量单元上缠绕铝丝，然后将多通道温度传感器的多个端子与铝丝连接；

步骤2.2：将多通道温度传感器与铝丝连接好之后，等待一段时间到稳定状态，即直至冰柱表面与多通道温度传感器的端子处于同一温度状态，计算冰柱表面的一个测量单元的温度T_S，环境温度为T，测量单元的直径为D_i，其中，测量单元的序号i＝1,2,3...；

步骤2.3：建立关于冰柱表面温度的方程，根据传热的基本原理分析，热平衡过程表示为：

Q_J＝Q_c+Q_E+Q_S (1)

其中，Q_J为冰柱表面吸收的热量：

Q_J＝C_mΔT＝C_m(T_S2-T_S1) (2)

C_m为冰的比热容；T_S1为稳定状态下，t1时刻冰柱表面的温度；T_S2为稳定状态下，t2时刻冰柱表面的温度；

Q_c为冰柱表面对流换热热量损失表示为：

Q_c＝πD_ih(Ts-T) (3)

D_i为测量单元的直径；h为换热系数；T_S为冰柱表面的一个测量单元的温度；T为环境温度；

Q_S为辐射散热表示为：

Q_S＝4σεT³(Ts-T) (4)

铝丝的黑度ε＝0.4；玻尔兹曼常数σ＝5.67*10-⁸W/m²K⁴；

Q_E为冰柱蒸发潜热损失表示为：

Q_E＝hL_V[P_TS-P_T]/(C_aP) (5)

空气压力P取大气压为P＝1.01*10⁵pa；P_TS为冰柱温度为T_S时的空气饱和蒸汽压力值；P_T为冰柱温度为T时的空气饱和蒸汽压力值；C_a为空气比热容； L_V为冰柱温度为T_S是冰柱表面的汽化潜热；

将上述公式联系整理得：

冰柱的测量单元为冰柱上每1～1.5cm作为一个测量单元。

冰柱表面的一个测量单元的温度T_S为多通道温度传感器的多个端子读取的温度的平均值。

本发明的有益效果是：本发明一种覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置及测量方法，可以灵活、快速、精确的得到冰柱表面的换热系数。

附图说明

图1是本发明覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置的结构示意图；

图2是本发明覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置与导线覆冰的连接示意图；

图3是本发明覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置中铝丝缠绕冰柱表面示意图。

图中，1.控制器，2.环境温度湿度采集模块，3.看门狗模块，4.电源模块，5.通信模块，6.EEPROM模块，7.信号采集电路，8.多通道温度传感器，9.环境风速风向采集模块，10.液晶显示屏，11.按键模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置，结构如图1所示，包括控制器1，控制器1采用stm32单片机微处理器，控制器1上分别连接有环境温度湿度采集模块2、看门狗模块3、电源模块4、通信模块5(通信模块5可以采用Zigbee通信模块)、EEPROM模块6、信号采集电路7、环境风速风向采集模块9、液晶显示屏10、按键模块11，信号采集电路7与多通道温度传感器8连接，如图2所示，多通道温度传感器8的多个端子等间距的连接在冰柱表面缠绕的铝丝上。

本发明一种测量覆冰导线冰柱表面局部换热系数的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：搭建人工气候室的覆冰条件，并对模拟导线进行覆冰

考虑到真实的钢芯铝绞线为铝丝螺旋绞合而成，整体扭转刚度较低，外力旋转时表面冰壳容易碎裂脱落，影响冰柱表面形貌，在实验室条件下难以形成特定形状的覆冰结构，为此本发明中采用模拟导线代替。如图2所示，导线采用直径为D＝50mm的硬质合金管来替代，在人工气候室内制造适宜输电线路覆冰生长的条件，风速为1～10m/s，环境温度为-20～0℃，环境湿度为30％～45％，及各种风向，使得模拟导线表面出现多根冰柱；在冰柱上以水平方向为基准，均匀缠绕铝丝；

步骤2：计算步骤1的冰柱的换热系数

因为冰柱本身形貌特点，它整体看来类似于楔形，但就其中某一微元来看，可以认为其是一段圆柱体；所以，选择每1-1.5cm作为一局部换热系数测量单元。

步骤2.1：如图3所示，在冰柱的每个测量单元上缠绕铝丝，然后将多通道温度传感器8的多个端子与铝丝连接；

步骤2.2：将多通道温度传感器8与铝丝连接好之后，等待一段时间到稳定状态，即直至冰柱表面与多通道温度传感器8的端子处于同一温度状态，控制器1通过信号采集电路7采集多通道温度传感器8的各个端子读取的温度值，计算冰柱表面的一个测量单元的温度T_S(T_S为多通道温度传感器8的多个端子读取的温度值的平均值)，环境温度为T，测量单元的直径为D_i(测量单元的直径可以取测量单元的下底面的直径，也可以取测量单元的中间的直径，还可以取测量单元的上表面的直径，计算时只要统一即可)，其中，测量单元的序号i＝1,2,3...；控制器1在固定周期通过环境温度湿度采集模块 2和环境风速风向采集模块9采集稳定条件下的环境温湿度、环境风速风向；采集到的环境温湿度、环境风速风向在液晶显示屏10上显示，并通过通信模块5传送至监控中心的电脑终端上；还可以通过按键模块11来调节环境温湿度、环境风速风向。

步骤2.3：建立关于冰柱表面温度的方程，根据传热的基本原理分析，热平衡过程表示为：

Q_J＝Q_c+Q_E+Q_S (1)

其中，Q_J为冰柱表面吸收的热量：

Q_J＝C_mΔT＝C_m(T_S2-T_S1) (2)

C_m为冰的比热容；T_S1为稳定状态下，t1时刻冰柱表面的温度；T_S2为稳定状态下，t2时刻冰柱表面的温度；

Q_c为冰柱表面对流换热热量损失表示为：

Q_c＝πD_ih(Ts-T) (3)

D_i为测量单元的直径；h为换热系数；T_S为冰柱表面的一个测量单元的温度；T为环境温度；

Q_S为辐射散热表示为：

Q_S＝4σεT³(Ts-T) (4)

铝丝的黑度ε＝0.4；玻尔兹曼常数σ＝5.67*10-⁸W/m²K⁴；

Q_E为冰柱蒸发潜热损失表示为：

Q_E＝hL_V[P_TS-P_T]/(C_aP) (5)

空气压力P取大气压为P＝1.01*10⁵pa；P_TS为冰柱温度为T_S时的空气饱和蒸汽压力值；P_T为冰柱温度为T时的空气饱和蒸汽压力值；C_a为空气比热容，在实验室条件下变化不大，所以取值为0.9956kJ/Kg*K；L_V为冰柱温度为T_S是冰柱表面的汽化潜热，取值为2260kJ/Kg；

将上述公式联系整理得：

步骤3：控制器1在固定的周期内将采集到的数据及步骤2得到的换热系数存储在EEPROM模块6并通过通讯模块5发送到监控中心的电脑终端进行下一步的分析，同时在电脑终端对采集的数据及换热系数进行存储、显示；

重复执行步骤1-步骤3，直至把各种温度、湿度、风速、风向条件组合的冰柱换热系数均计算得到，将所有得到的温度、湿度、风速、风向及对应的冰柱换热系数生成一张表。

当要得到某一个导线上冰柱的换热系数时，只需采集当时环境中的温度、湿度、风速、风向，并将采集到的数据带入本发明得到的换热系数表中即可，即冰柱这种特殊形貌的局部换热系数的测量简单、准确、快速。

Claims (4)

1.一种测量覆冰导线冰柱表面局部换热系数的方法，其特征在于，采用覆冰导线冰柱表面局部换热系数的测量装置，结构为：

包括控制器(1)，控制器(1)上分别连接有环境温度湿度采集模块(2)、看门狗模块(3)、电源模块(4)、通信模块(5)、EEPROM模块(6)、信号采集电路(7)，信号采集电路(7)与多通道温度传感器(8)连接，多通道温度传感器(8)的多个端子等间距的连接在冰柱表面缠绕的铝丝上；控制器(1)上还连接有环境风速风向采集模块(9)；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：搭建人工气候室的覆冰条件，并对模拟导线进行覆冰；

步骤2：计算步骤1的冰柱的换热系数；

所述步骤2具体为：

步骤2.1：在冰柱的每个测量单元上缠绕铝丝，然后将多通道温度传感器(8)的多个端子与铝丝连接；

步骤2.2：将多通道温度传感器(8)与铝丝连接好之后，等待一段时间到稳定状态，即直至冰柱表面与多通道温度传感器(8)的端子处于同一温度状态，计算冰柱表面的一个测量单元的温度T_S，环境温度为T，测量单元的直径为D_i，其中，测量单元的序号i＝1,2,3...；

步骤2.3：建立关于冰柱表面温度的方程，根据传热的基本原理分析，热平衡过程表示为：

Q_J＝Q_c+Q_E+Q_S (1)

其中，Q_J为冰柱表面吸收的热量：

Q_J＝C_mΔT＝C_m(T_S2-T_S1) (2)

C_m为冰的比热容；T_S1为稳定状态下，t1时刻冰柱表面的温度；T_S2为稳定状态下，t2时刻冰柱表面的温度；

Q_c为冰柱表面对流换热热量损失表示为：

Q_c＝πD_ih(Ts-T) (3)

D_i为测量单元的直径；h为换热系数；T_S为冰柱表面的一个测量单元的温度；T为环境温度；

Q_S为辐射散热表示为：

Q_S＝4σεT³(Ts-T) (4)

铝丝的黑度ε＝0.4；玻尔兹曼常数σ＝5.67*10^-8W/m²K⁴；

Q_E为冰柱蒸发潜热损失表示为：

Q_E＝hL_V[P_TS-P_T]/(C_aP) (5)

空气压力P取大气压为P＝1.01*10⁵pa；P_TS为冰柱温度为T_S时的空气饱和蒸汽压力值；P_T为冰柱温度为T时的空气饱和蒸汽压力值；C_a为空气比热容；L_V为冰柱温度为T_S是冰柱表面的汽化潜热；

将上述公式联系整理得：

步骤3：将步骤2得到的换热系数存储在EEPROM模块(6)并通过通信模块(5)发送到监控中心；

重复执行步骤1-步骤3，直至把各种温度、湿度、风速、风向条件组合的冰柱换热系数均计算得到，将所有得到的温度、湿度、风速、风向及对应的冰柱换热系数生成一张表。

2.根据权利要求1所述的一种测量覆冰导线冰柱表面局部换热系数的方法，其特征在于，所述步骤1中人工气候室中适宜输电线路覆冰生长的风速为1～10m/s，环境温度为-20～0℃，环境湿度为30％～45％；

对模拟导线进行覆冰：用硬质合金管模拟导线，在搭建的人工气候室内，在模拟导线上覆冰，模拟导线表面出现若干根冰柱。

3.根据权利要求1所述的一种测量覆冰导线冰柱表面局部换热系数的方法，其特征在于，所述冰柱的测量单元为冰柱上每1～1.5cm作为一个测量单元。

4.根据权利要求1所述的一种测量覆冰导线冰柱表面局部换热系数的方法，其特征在于，所述冰柱表面的一个测量单元的温度T_S为多通道温度传感器(8)的多个端子读取的温度的平均值。