CN110763966A - 一种沙尘天气模拟实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沙尘天气模拟实验系统，属于沙尘天气模拟实验技术领域。包括支撑框架，风沙发生装置，风速调节装置，沙尘荷电发生装置和空气离子滤除装置；风沙发生装置包括风道，变频电机，扇叶和螺旋喂料器；风速调节装置包括用于测量风道内风速的风速传感器，PID调节器和变频器；沙尘荷电发生装置包括多个正极环形电极和多个负极环形电极，各正极环形电机与可调高压电源正极连接，各负极环形电极与可调高压电源的负极连接；空气离子滤除装置包括正极板电极和负极板电极，正极板电极与可调高压电源的正极连接，负极板电极与可调高压电源的负极连接。它能够准确定量模拟风沙天气关键参数，具有模拟参数可调，模拟场景准确等特点。
Description
技术领域
本发明涉及沙尘天气模拟实验技术领域。
背景技术
我国有大量的输变电工程途经沙漠地区，国内外都曾报道过因输变电工程造成的停电事故。沙尘暴中沙尘颗粒之间以及沙尘颗粒与地床面之间的摩擦使沙粒带上了电荷。过境沙尘造成了空气的介电常数增大、电阻率减小、形成强烈的风沙电场，这些都将可能影响输电线路外绝缘的放电特性，进而影响到电力系统的安全可靠运行。因此，需要开展模拟风沙天气下的外绝缘电气特性的研究。此时，风沙天气关键参数的准确定量模拟便显得尤为关键。目前现有的模拟风沙天气的试验系统分为户外场模拟系统和风洞模拟系统两种。但现有的风沙模拟实验系统均无法定量模拟沙尘带电量这一决定外绝缘电气特性的关键参数，且存在沙尘扩散面积小、扩散不均匀、模拟风速较低等多种问题。因此非常需要设计一种能够准确定量模拟风沙天气关键参数的实验系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种沙尘天气模拟实验系统，它能够准确定量模拟风沙天气关键参数，具有模拟参数可调，模拟场景准确等特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种沙尘天气模拟实验系统，包括支撑框架，风沙发生装置，风速调节装置，沙尘荷电发生装置和空气离子滤除装置；
支撑框架，用于支撑固定风沙发生装置；
风沙发生装置包括风道，变频电机，扇叶和螺旋喂料器，风道的后端口为进风口，风道的前端口为出风口；扇叶设置在靠近后端口的风道内，变频电机驱动扇叶旋转，将空气由进风口吸入由出风口排出产生风力，螺旋喂料器用于将沙粒定量送入扇叶前端的风道内；
风速调节装置包括用于测量风道内风速的风速传感器，PID调节器和变频器，风速传感器的测量信号输出端与PID调节器的测量信号输入端连接，PID调节器的调节信号输出端与变频器的控制信号输入端连接，变频器的变频电压输出端与变频电机的电源输入端连接；
沙尘荷电发生装置包括多个正极环形电极和多个负极环形电极，各正极环形电极和各负极环形电极结构相同，包括环形导电体和由环形导电体支撑固定的导电网，各正极环形电极与可调高压电源的正极连接，各负极环形电极与可调高压电源的负极连接，各正极环形电极与各负极环形电极在使其轴心线处于同一条直线的位置上交替间隔排列并通过绝缘材质固定连接在一起，以形成强度可调的荷电空间电场，从而产生空间电晕，沙尘荷电发生装置位于风道的出风口的前端，以使出风口射出的气流经过荷电空间电场，产生空气离子，气流中的沙粒与空气离子碰撞进而带上电荷；
空气离子滤除装置包括正极板电极和负极板电极，正极板电极与可调高压电源的正极连接，负极板电极与可调高压电源的负极连接，正极板电极和负极板电极平行对称设置，从而在两个电极之间形成空气离子滤除电场，空气离子滤除装置位于沙尘荷电发生装置的前端，以使由沙尘荷电发生装置喷出的附有电荷的气流和沙粒经过空气离子滤除电场，从而使空气正负离子在空气离子滤除电场的作用下偏移至相应极板电极后被中和滤除，带有电荷的沙粒因惯性力的作用快速通过空气离子滤除电场，形成带有电荷的风沙电场。
本发明进一步改进在于：
靠近出风口的风道内设有导流叶片，用于使风道的风沙气流由出风口喷出后强制增大扩散面积。
支撑框架上设有工作平台和卷扬机，工作平台为人工操作平台，用于人工操作螺旋喂料器，卷扬机用于将实验用沙输运至螺旋喂料器的进料漏斗里。
支撑框架设有高度可调节装置。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明通过风速调节装置可以模拟沙漠地区不同沙尘天气环境下的各种风速；沙尘荷电发生装置包括多个正极环形电极和多个负极环形电极，各正极环形电极和各负极环形电极结构相同，包括环形导电体和由环形导电体支撑固定的导电网，各正极环形电极与可调高压电源的正极连接，各负极环形电极与可调高压电源的负极连接，各正极环形电极与各负极环形电极在使其轴心线处于同一条直线的位置上交替间隔排列并通过绝缘材质固定连接在一起，可通过调节正极环形电极和负极环形电极的电压及电极对数可对电场强度、荷电空间的电晕强度以及沙粒的荷电时间进行调节，进而控制沙粒的荷电量大小,可以保证沙粒的荷质比在0-300nC/kg连续可调；通过调整空气离子滤除装置正极板电极和负极板电极的电势差控制平行平板间的电场大小，并利用沙粒的惯性，滤除空气离子；利用增加有一定斜度的导流叶片，对出口气流进行强制扩散，达到增大离散相水平扩散的目的；通过改变变频器的频率调节螺旋喂料器电机的转速进而调整实验时的单位时间给沙量，以控制模拟沙尘天气的沙尘浓度。
它能够准确定量模拟风沙天气关键参数，具有模拟参数可调，模拟场景准确等特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中风道内部结构视图；
图3是图1中沙尘荷电发生装置的结构示意图；
图4是图3中正极环形电极和负极环形电极的结构示意图；
图5是风速调节装置控制图。
在附图中：1.支撑框架；A.沙尘荷电发生装置；2.风道；3.变频电机；4.扇叶；5.螺旋喂料器；6.风道后端口；7.正极环形电极；8.负极环形电极；9.环形导电体；10.导电网；11.绝缘材质；12.正极板电极；13.负极板电极；14.导流叶片；15.工作平台；16.卷扬机；17.螺旋喂料器的进料漏斗。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。
一种沙尘天气模拟实验系统，包括支撑框架1，风沙发生装置A，风速调节装置，沙尘荷电发生装置A和空气离子滤除装置；
支撑框架1，用于支撑固定风沙发生装置；
风沙发生装置包括风道2，变频电机3，扇叶4和螺旋喂料器5，风道2的后端口6为进风口，风道2的前端口为出风口；扇叶4设置在靠近后端口6的风道2内，变频电机3驱动扇叶4旋转，将空气由进风口6吸入由出风口排出产生风力，螺旋喂料器5用于将沙粒定量送入扇叶4前端的风道2内；
风速调节装置包括用于测量风道内风速的风速传感器【型号：QS-FS电流输出型】，PID调节器【选用S7-300系列PLC，型号：6ES7322-1HH01-0AA0】和变频器【型号：JTE330-K0550G3】，风速传感器的测量信号输出端与PID调节器的测量信号输入端连接，PID调节器的调节信号输出端与变频器的控制信号输入端连接，变频器的变频电压输出端与变频电机【选择50kW电动机】的电源输入端连接；
沙尘荷电发生装置A包括多个正极环形电极7和多个负极环形电极8，各正极环形电极7和各负极环形电极8结构相同，包括环形导电体9和由环形导电体9支撑固定的导电网10，各正极环形电极7与可调高压电源的正极连接，各负极环形电极8与可调高压电源的负极连接，各正极环形电极7与各负极环形电极8在使其轴心线处于同一条直线的位置上交替间隔排列并通过绝缘材质11固定连接在一起，以形成强度可调的荷电空间电场，从而产生空间电晕，沙尘荷电发生装置A位于风道2的出风口的前端，以使出风口射出的气流经过荷电空间电场，产生空气离子，气流中的沙粒与空气离子碰撞进而带上电荷；通过调节可调高压电源大小，使沙粒荷质比在0-300nC/kg的范围内连续可调；
沙尘颗粒的场致荷电理论公式如下：
其中：qs为沙粒电荷量，m为沙粒质量，E0为沙粒荷电位置的电场强度，ρ为颗粒密度，d为颗粒直径，εr为颗粒相对介电常数，ε0为真空介电常数，τ为颗粒的荷电时间常数，τ＝4ε0E0/i，t为颗粒的荷电时间，i为离子流密度。由公式可知，沙尘的荷电量与沙尘颗粒参数、沙尘荷电时间t和沙尘荷电处的电场强度E0有关。为得到较高的沙尘荷电量，则需要充足的荷电时间t和较大的电场强度E0。目前现有的沙粒荷电装置为室内采用的单层荷电网结构。由于模拟风沙实验的风速较高，需要延长电晕网与接地网间的距离以保证沙尘的荷电时间t，但这将造成电晕网与接地网间电场强度E0降低。与此同时，沙粒在从接地网向电晕网运动的过程中，空气离子的迁移方向与风速的方向相反。此时，只有通过提高空间电场以加快空气离子的迁移率，保证空气离子克服风速与沙粒相向运动，才能使沙粒在该段运动的过程中与空气离子有效碰撞。为了解决电场强度E0与荷电时间t难以同时提高的矛盾，本发明设计了多层荷电网结构，它由接地网、电晕网的交替重复排列组成。电晕网和接地网的网线均由直径为0.2mm的钢丝线构成，钢丝线的总面积小于荷电装置总面积的万分之一，因此可以忽略实验过程中与接地网相碰撞的沙粒的电荷损失。实验时，电晕网连接高压，接地网接地，多层荷电装置间形成了很强的空间电场，从而发生电晕并产生大量的空气离子。沙尘颗粒在被吹动的过程中与空间中的空气离子碰撞便形成了带电沙粒。多层荷电装置可以保证沙粒的荷质比在0-300nC/kg连续可调，达到了国内外学者在真实沙尘暴条件下测得的沙尘荷质比量值，满足了外绝缘实验要求。
空气离子滤除装置包括正极板电极12和负极板电极13，正极板电极12与可调高压电源的正极连接，负极板电极13与可调高压电源的负极连接，正极板电极12和负极板电极13平行对称设置，从而在两个电极之间形成空气离子滤除电场，空气离子滤除装置位于沙尘荷电发生装置A的前端，以使由沙尘荷电发生装置A喷出的附有电荷的气流和沙粒经过空气离子滤除电场，从而使空气正负离子在空气离子滤除电场的作用下偏移至相应极板电极后被中和滤除，带有电荷的沙粒因惯性力的作用快速通过空气离子滤除电场，形成带有电荷的风沙电场。
靠近出风口的风道2内设有导流叶片14，用于使风道2的风沙气流由出风口喷出后强制增大扩散面积。
支撑框架1上设有工作平台15和卷扬机16，工作平台15为人工操作平台，用于人工操作螺旋喂料器5，卷扬机16用于将实验用沙输运至螺旋喂料器5的进料漏斗17里。
支撑框架1设有高度可调节装置。
Claims (4)
1.一种沙尘天气模拟实验系统，其特征在于：包括支撑框架(1)，风沙发生装置，风速调节装置，沙尘荷电发生装置(A)和空气离子滤除装置；
所述支撑框架(1)，用于支撑固定风沙发生装置；
所述风沙发生装置包括风道(2)，变频电机(3)，扇叶(4)和螺旋喂料器(5)，所述风道(2)的后端口(6)为进风口，所述风道(2)的前端口为出风口；所述扇叶(4)设置在靠近所述后端口(6)的风道(2)内，所述变频电机(3)驱动扇叶(4)旋转，将空气由进风口(6)吸入由出风口排出产生风力，所述螺旋喂料器(5)用于将沙粒定量送入所述扇叶(4)前端的风道(2)内；
所述风速调节装置包括用于测量风道内风速的风速传感器，PID调节器和变频器，所述风速传感器的测量信号输出端与所述PID调节器的测量信号输入端连接，所述PID调节器的调节信号输出端与变频器的控制信号输入端连接，所述变频器的变频电压输出端与所述变频电机的电源输入端连接；
所述沙尘荷电发生装置(A)包括多个正极环形电极(7)和多个负极环形电极(8)，各所述正极环形电极(7)和各所述负极环形电极(8)结构相同，包括环形导电体(9)和由所述环形导电体(9)支撑固定的导电网(10)，各所述正极环形电极(7)与可调高压电源的正极连接，各所述负极环形电极(8)与可调高压电源的负极连接，各所述正极环形电极(7)与各所述负极环形电极(8)在使其轴心线处于同一条直线的位置上交替间隔排列并通过绝缘材质(11)固定连接在一起，以形成强度可调的荷电空间电场，从而产生空间电晕，所述沙尘荷电发生装置(A)位于所述风道(2)的出风口的前端，以使所述出风口射出的气流经过所述荷电空间电场；
所述空气离子滤除装置包括正极板电极(12)和负极板电极(13)，所述正极板电极(12)与可调高压电源的正极连接，所述负极板电极(13)与可调高压电源的负极连接，所述正极板电极(12)和所述负极板电极(13)平行对称设置，从而在两个所述电极之间形成空气离子滤除电场，所述空气离子滤除装置位于所述沙尘荷电发生装置(A)的前端，以使由所述沙尘荷电发生装置(A)喷出的附有电荷的气流和沙粒经过所述空气离子滤除电场，从而使空气(正负)离子在空气离子滤除电场的作用下偏移至相应极板电极后被中和滤除，带有电荷的沙粒因惯性力的作用快速通过空气离子滤除电场，形成带有电荷的风沙电场。
2.根据权利要求1所述的一种沙尘天气模拟实验系统，其特征在于：靠近所述出风口的风道(2)内设有导流叶片(14)，用于使风道(2)的风沙气流由出风口喷出后强制增大扩散面积。
3.根据权利要求1或2所述的一种沙尘天气模拟实验系统，其特征在于：所述支撑框架(1)上设有工作平台(15)和卷扬机(16)，所述工作平台(15)为人工操作平台，用于人工操作所述螺旋喂料器(5)，所述卷扬机(16)用于将实验用沙输运至所述螺旋喂料器(5)的进料漏斗(17)里。
4.根据权利要求3所述的一种沙尘天气模拟实验系统，其特征在于：所述支撑框架(1)设有高度可调节装置。
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