CN108108533A - 输电导线覆冰重量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种输电线路覆冰重量的计算方法，包括如下步骤：S1.以导线横截面作为研究对象，并将导线横截面的边界划分为n个表面微元；S2.采集输电线路环境覆冰参数；S3.根据所采集的覆冰环境参数计算时间步长内第i个表面微元的覆冰重量m_ice(i)，并根据如下公式计算输电导线的覆冰重量M：其中，L为导线的长度，T为覆冰总时间；通过上述方法，能够对输电导线的覆冰状况进行实时监测，并准确计算覆冰的重量、覆冰厚度与覆冰形态，从而利于做出相应防护冰措施，进而保证整个电网系统的稳定运行，避免由于覆冰给社会带来生产生活损失，而且整个计算过程具有效率高和精度高的特点。

Description

输电导线覆冰重量的计算方法

技术领域

本发明涉及一种方法，尤其涉及一种输电导线覆冰重量的计算方法。

背景技术

输电线路覆冰严重危害电网的安全运行。随着我国电网建设的不断加速， 线路覆冰带来的影响也将进一步增大。近十年来，我国多次发生输电线路覆冰 事故。2005年及2008年，以湖南为首的南方省份遭受了严重的冰雪灾害，覆 冰厚度超过80mm,造成大量的杆塔倒塌事故，线路停运直接导致人民的生产生 活遭受影响，并且给国家经济带来了损失。2011年1月，贵州大部分地区、广 西桂北地区、广东粤北地区和云南滇东北地区输电线路相继发生覆冰事故，造 成1414条10kV以上线路、70座35kV及以上变电站停运。

大气覆冰呈现随机性，微地形、微气象的区域更容易产生覆冰。但对于输 电线路而言，如何准确预测覆冰情况，将有利于线路防护措施的施行。目前对 于覆冰程度的监测主要依靠监测主要是依据可视视频图像资料；比如中国发明 专利200510041924.7提出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；然而，在自然环境下，由 于风摆作用，监测装置对力的测量存在较大误差，从而难以获得准确的结果； 又比如采用视频监测，当覆冰较为严重时，可视视频的摄像头被冰覆盖，无法 传送清晰图像。

因此，需要提出一种新的方法，能够对输电导线的覆冰状况进行实时监测， 并准确确定覆冰的重量以及覆冰厚度，从而利于做出相应处理措施，进而保证 整个电网系统的稳定运行，避免由于覆冰给社会带来的生产生活损失，而且整 个计算过程具有效率高和精度高的特点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种输电导线覆冰重量的计算方法，能够 对输电导线的覆冰状况进行实时监测，并准确计算覆冰的重量以及覆冰厚度， 从而利于做出相应处理措施，进而保证整个电网系统的稳定运行，避免由于覆 冰给社会带来的生产生活损失，而且整个计算过程具有效率高和精度高的特点。

本发明提供的一种输电导线覆冰重量的计算方法，包括如下步骤：

S1.导线横截面作为研究对象，并将导线横截面的边界划分为n个表面微 元；

S2.采集输电线路环境覆冰参数；

S3.根据所采集的覆冰环境参数计算时间步长内第i个表面微元的覆冰重 量m_ice(i)，并根据如下公式计算输电导线的覆冰重量M：

其中，L为导线的长度，T为覆冰总时间。

进一步，步骤S3中，根据如下方程组计算第时间步长内i个导线表面微元 的覆冰重量m_ice(i)：

其中，m_w为碰撞到 导线表面微元表面的水滴质量，m_ex为碰撞到导线表面微元表面的水滴的蒸发 水量，m_rb(i-1)为上一个导线表面微元未冻结水滴流入当前导线的质量，m_rb(i+1)为当前导线表面微元未冻结水滴流入下一个导线表面微元的质量； Q_s为当前导线表面微元水滴冻结释放的潜热；Q_v为水滴碰撞当前导线表面 微元所产生的能量；Q_hot为水滴撞击当前导线表面微元表面时摩擦产生的能量；Q_ex为当前导线表面微元的水滴蒸发或者冻结后升华所吸收的能量，Q_h为导线表面微元表面水滴因空气对流所损失的能量；Q_rbi+1、Q_rbi分别为从第 i个单元体内传递热量和传递到第i+1个单元体的能量，LWC为空气中液态水的 含量，A_i为导线表面微元长度，V_∞为无穷远处的来流速度，α₁为当前导线 表面微元的局部碰撞率；α₂为当前导线表面微元的收集系数，α₃为当前导线 表面微元的冻结系数；其中：

水滴冻结释放的潜热Q_s为：

Q_s＝m_ice[c_i(T_f-T_s)+L_f]

水滴碰撞产生的能量Q_v为：

水滴撞击导线表面摩擦产生的能量Q_hot表示为：

水滴蒸发或升华吸收能量Q_ex为：

Q_ex＝A_iE[e(T_s)-e(T_f)]

空气对流散失的热量Q_h为：

Q_h＝h_cA_i(T_s-T_f)

式中，h_c为水滴和冰表面的对流换热系数；r为空气加热恢复系数；E为冰 层蒸发或升华系数；c_i为冰的比热容；T_f为水膜表面温度，即273.115K；T_s为 环境温度。

进一步，根据如下方法计算局部碰撞率α₁：

S301.将导线覆冰周围的空气流场划分为势流区和近壁区；

S302.确定空气中水滴撞向导线的运动轨迹：

a.计算近壁区内流场速度分别在x方向和y方向的分速度U_x和U_y

δ为边界层厚度；λ边界层速度梯度相关系数，U_e为空气在边界层的 速度；U_h距离壁面h高度的速度，θ为速度与x轴的夹角；

b.计算势流区气流速度：

式中，为求解域中场点Q的势函数；q为物体边界Γ势函数的法向导 数，V_∞为无穷远处的来流速度，n_x为边界Γ上的单位法向量在_x轴方向上的 分量，为拉普拉斯算子的基本解，为源点速度势，为待求场 点速度势，势流区内流场速度分别在x方向和y方向的分速度U_x和U_y

S303.根据步骤S302中计算结果，并根据如下公式确定水滴的轨迹：

其中，K为空气-水滴的交换系数，τ为 计算域空间步长，通过该公式计算求得v_x和v_y，即确定出空气中水滴的轨迹； 其中，v_x和v_y分别为空气中水滴的速度在x方向和y方向的分量；

S304.根据如下公式计算碰撞系数α₁：

其中，dy为相邻两条轨迹在未受偏转时的距离；ds为相邻 两条轨迹的水滴在导线表面微元表面的碰撞点之间的导线表面微元表面弧长。

进一步，根据如下公式确定空气-水滴的交换系数K：

其中，μ_a为空气粘性系数；ρ_w为水滴密度； MVD为水滴中值直径；C_D为阻力系数；Re为相对雷诺数。

进一步，根据如下公式确定边界层厚度δ：δ＝8.5θ；其中，θ为边 界层动量厚度；

当近壁区为层流时的边界层动量厚度为：

当近壁区为湍流时边界层动量厚度为：

其中，υ为空气粘性系数，s为 层流向湍流发生变化的表面距离。

近壁区的流动由层流到湍流过渡通过粗糙度雷诺数Re_k值进行判断：

当Re_k≥600时，为湍流；当Re_k＜600时，为层流。

进一步，还包括步骤S4:计算导线表面微元的覆冰厚度d：

其中，ρ_ice为导线表面微元的覆冰密度，A_i为导 线表面微元长度，Δt为覆冰的时间步长；

根据计算得到的导线表面微元的覆冰厚度更新导线表面微元的外部轮廓特 征，作为下一次覆冰重量计算的初始导线表面微元的轮廓。

本发明的有益效果：通过本发明，能够对输电导线的覆冰状况进行实时监 测，并准确计算覆冰的重量以及覆冰厚度，从而利于做出相应处理措施，进而 保证整个电网系统的稳定运行，避免由于覆冰给社会带来的生产生活损失，而 且整个计算过程具有效率高和精度高的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的势流区和近壁区示意图。

图3为本发明的水滴轨迹示意图。

图4为本发明的覆冰表面的质量守恒模型图。

图5为本发明的覆冰表面能量守恒模型图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的做出进一步详细说明：

本发明提供的一种输电导线覆冰重量的计算方法，包括如下步骤：

S1.以导线横截面作为研究对象，并将导线横截面的边界划分为n个表面 微元；

S2.采集输电线路环境覆冰参数；

S3.根据所采集的覆冰环境参数计算时间步长内第i个表面微元的覆冰重 量m_ice(i)，并根据如下公式计算输电导线的覆冰重量M：

其中，L为导线的长度，T为覆冰总时间； 通过上述方法，能够对输电导线的覆冰状况进行实时监测，并准确计算覆冰的 重量以及覆冰厚度，从而利于做出相应处理措施，进而保证整个电网系统的稳 定运行，避免由于覆冰给社会带来的生产生活损失，而且整个计算过程具有高 效率和高精度的特点；需要说明的是：将总覆冰时间T分成若干个时间步长 dt,M则为所有时间步长dt内覆冰质量的总和。

本实施例中，步骤S3中，根据如下方程组计算时间步长内第i个导线表面 微元的覆冰重量m_ice(i)：

该方程根据图4和图 5中所示的能量守恒和质量守建立；其中，m_w为碰撞到导线表面微元表面的 水滴质量，m_ex为碰撞到导线表面微元表面的水滴的蒸发水量，m_rb(i-1)为 上一个导线表面微元未冻结水滴流入当前导线的质量，m_rb(i+1)为当前导线 表面微元未冻结水滴流入下一个导线表面微元的质量；Q_s为当前导线表面微 元水滴冻结释放的潜热；Q_v为水滴碰撞当前导线表面微元所产生的能量； Q_hot为水滴撞击当前导线表面微元表面时摩擦产生的能量；Q_ex为当前导线 表面微元的水滴蒸发或者冻结后升华所吸收的能量，Q_h为导线表面微元表面 水滴因空气对流所损失的能量；Q_rbi+1、Q_rbi分别为从第i个单元体内传递热 量和传递到第i+1个单元体的能量，LWC为空气中液态水的含量，A_i为导线表 面微元长度，V_∞为无穷远处的来流速度，α₁为当前导线表面微元的局部碰撞 率；α₂为当前导线表面微元的收集系数，一般取为1；α₃为当前导线表面微 元的冻结系数；其中：

水滴冻结释放的潜热Q_s为：

Q_s＝m_ice[c_i(T_f-T_s)+L_f]

水滴碰撞产生的能量Q_v为：

水滴撞击导线表面摩擦产生的能量Q_hot表示为：

水滴蒸发或升华吸收能量Q_ex为：

Q_ex＝A_iE[e(T_s)-e(T_f)]

空气对流散失的热量Q_h为：

Q_h＝h_cA_i(T_s-T_f)

式中，h_c为水滴和冰表面的对流换热系数；r为空气加热恢复系数；E为冰 层蒸发或升华系数；c_i为冰的比热容；T_f为水膜表面温度，即273.115K；T_s为 环境温度；

其中:根据如下方法计算局部碰撞率α₁：

S301.将导线覆冰周围的空气流场划分为势流区和近壁区；如图2所示，

S302.确定空气中水滴撞向导线的运动轨迹：

a.计算近壁区内流场速度分别在x方向和y方向的分速度U_x和U_y

δ为边界层厚度；λ边界层速度梯度相关系数，U_e为空气在边界层的 速度；U_h距离壁面h高度的速度，θ为速度与x轴的夹角；

b.计算势流区气流速度：

式中，为求解域中场点Q的势函数；q为物体边界Γ势函数的法向导 数，V_∞为无穷远处的来流速度，n_x为边界Γ上的单位法向量在_x轴方向上的 分量，为拉普拉斯算子的基本解，为源点速度势，为待求场 点速度势，势流区内流场速度分别在x方向和y方向的分速度U_x和U_y；

S303.根据步骤S302中计算结果，并根据如下公式确定水滴的轨迹：

其中，K为空气-水滴的交换系数，τ为 计算域空间步长，通过该公式计算求得v_x和v_y，即确定出空气中水滴的轨迹； 其中，v_x和v_y分别为空气中水滴的速度在x方向和y方向的分量；，其中，势 流区的轨迹即图3中的平行线段，而近壁区的轨迹则为图3中的弧形线段；

S304.根据如下公式计算碰撞系数α₁：

其中，d_y为相邻两条轨迹在未受偏转时的距离；d_s为相邻 两条轨迹的水滴在导线表面微元表面的碰撞点之间的导线表面微元表面弧长。

根据如下公式确定空气-水滴的交换系数K：

其中，μ_a为空气粘性系数；ρ_w为水滴密度； MVD为水滴中值直径；C_D为阻力系数；Re为相对雷诺数。

根据如下公式确定边界层厚度δ：δ＝8.5θ；其中，θ为边界层动量 厚度；

当近壁区为层流时的边界层动量厚度为：

当近壁区为湍流时边界层动量厚度为：

其中，υ为空气粘性系数，s为 层流向湍流发生变化的表面距离。近壁区的流动由层流到湍流过渡通过粗糙度 雷诺数Re_k值进行判断：

当Re_k≥600时，为湍流；当Re_k＜600时，为层流。

本实施例中，为了保证最终计算结果的准确性，还包括步骤S4:计算导线 表面微元的覆冰厚度d：

其中，ρ_ice为导线表面微元的覆冰密度，A_i为导 线表面微元的长度，Δt为覆冰的时间步长；

根据计算得到的导线表面微元的覆冰厚度更新导线表面微元的外部轮廓特 征，作为下一次覆冰重量计算的初始导线表面微元的轮廓，也就是说，当第一 次计算完成后，在下次计算式，导线表面已经覆盖了冰层，如果再按照导线原 来的形状进行计算，将导致计算结果误差大，而通过上述步骤，则使得整个计 算过程为一个动态更新的过程，即对导线表面微元的边界进行了重构，从而大 大降低了结果误差，有效提升计算的准确性，并且当覆冰时间t到达T后，则 结束整个计算过程。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的 宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于输电线路覆冰重量的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.以导线横截面作为研究对象，并将导线横截面的边界划分为n个表面微元；

S2.采集输电线路环境覆冰参数；

S3.根据所采集的覆冰环境参数计算时间步长内第i个表面微元的覆冰重量m_ice(i)，并根据如下公式计算输电导线的覆冰重量M：

其中，L为导线的长度，T为覆冰总时间。

2.根据权利要求1所述输电导线覆冰重量的计算方法，其特征在于：步骤S3中，根据如下方程组计算时间步长内第i个导线表面微元的覆冰重量m_ice(i)：

其中，m_w为碰撞到导线表面微元表面的水滴质量，m_ex为碰撞到导线表面微元表面的水滴的蒸发水量，mrb(i-1)为上一个导线表面微元未冻结水滴流入当前导线的质量，mrb(i+1)为当前导线表面微元未冻结水滴流入下一个导线表面微元的质量；Q_s为当前导线表面微元水滴冻结释放的潜热；Q_v为水滴碰撞当前导线表面微元所产生的能量；Q_hot为水滴撞击当前导线表面微元表面时摩擦产生的能量；Q_ex为当前导线表面微元的水滴蒸发或者冻结后升华所吸收的能量，Q_h为导线表面微元表面水滴因空气对流所损失的能量；Q_rbi+1、Q_rbi分别为从第i个单元体内传递热量和传递到第i+1个单元体的能量，LWC为空气中液态水的含量，A_i为导线表面微元长度，V_∞为无穷远处的来流速度，α₁为当前导线表面微元的局部碰撞率；α₂为当前导线表面微元的收集系数，α₃为当前导线表面微元的冻结系数；其中：

水滴冻结释放的潜热Q_s为：

Q_s＝m_ice[c_i(T_f-T_s)+L_f]

水滴碰撞产生的能量Q_v为：

水滴撞击导线表面摩擦产生的能量Q_hot表示为：

水滴蒸发或升华吸收能量Q_ex为：

Q_ex＝A_iE[e(T_s)-e(T_f)]

空气对流散失的热量Q_h为：

Q_h＝h_cA_i(T_s-T_f)

式中，h_c为水滴和冰表面的对流换热系数；r为空气加热恢复系数；E为冰层蒸发或升华系数；c_i为冰的比热容；T_f为水膜表面温度，即273.115K；T_s为环境温度。

3.根据权利要求2所述输电导线覆冰重量的计算方法，其特征在于：根据如下方法计算局部碰撞率α₁：

S301.将导线覆冰周围的空气流场划分为势流区和近壁区；

S302.确定空气中水滴撞向导线的运动轨迹：

a.计算近壁区内流场速度分别在x方向和y方向的分速度U_x和U_y

δ为边界层厚度；λ边界层速度梯度相关系数，U_e为空气在边界层的速度；U_h距离壁面h高度的速度，θ为速度与x轴的夹角；

b.计算势流区气流速度：

式中，为求解域中场点Q的势函数；q为物体边界Γ势函数的法向导数，V_∞为无穷远处的来流速度，n_x为边界Γ上的单位法向量在_x轴方向上的分量，为拉普拉斯算子的基本解，为源点速度势，为待求场点速度势，势流区内流场速度分别在x方向和y方向的分速度U_x和U_y

S303.根据步骤S302中计算结果，并根据如下公式确定水滴的轨迹：

其中，K为空气-水滴的交换系数，τ为计算域空间步长，通过该公式计算求得v_x和v_y，即确定出空气中水滴的轨迹；其中，v_x和v_y分别为空气中水滴的速度在x方向和y方向的分量；

S304.根据如下公式计算碰撞系数α₁：

其中，dy为相邻两条轨迹在未受偏转时的距离；ds为相邻两条轨迹的水滴在导线表面微元表面的碰撞点之间的导线表面微元表面弧长。

4.根据权利要求3所述输电导线覆冰重量的计算方法，其特征在于：根据如下公式确定空气-水滴的交换系数K：

其中，μ_a为空气粘性系数；ρ_w为水滴密度；MVD为水滴中值直径；C_D为阻力系数；Re为相对雷诺数。

5.根据权利要求3所述输电导线覆冰重量的计算方法，其特征在于：根据如下公式确定边界层厚度δ：δ＝8.5θ；其中，θ为边界层动量厚度；

当近壁区为层流时的边界层动量厚度为：

当近壁区为湍流时边界层动量厚度为：

其中，υ为空气粘性系数，s为层流向湍流发生变化的表面距离。

近壁区的流动由层流到湍流过渡通过粗糙度雷诺数Re_k值进行判断：

当Re_k≥600时，为湍流；当Re_k＜600时，为层流。

6.根据权利要求1所述输电导线覆冰重量的计算方法，其特征在于：还包括步骤S4:计算导线表面微元的覆冰厚度d：

其中，ρ_ice为导线表面微元的覆冰密度，A_i为导线表面微元长度，Δt为覆冰的时间步长；

根据计算得到的导线表面微元的覆冰厚度更新导线表面微元的外部轮廓特征，作为下一次覆冰重量计算的初始导线表面微元的轮廓。