CN111723987A - 一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，其技术特点是：分析输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数影响因素，计算输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数；计算输电线路复合绝缘子覆湿雪结合系数；分析输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数影响因素，计算输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数；根据接触系数、结合系数、固化系数预测输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度。本发明充分利用气温、湿度、风速及风速等微气象数据，能够对输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度进行预测，进而对输电线路复合绝缘子覆湿雪等级进行划分，为保证输电线路的正常运行提供了可靠的依据。

Description

一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法

技术领域

本发明属于架空输电线路技术领域，尤其是一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法。

背景技术

由于经济和工业的快速发展，各个地区电网建设速度不断加快，架空输电线路的整体规模也越来越庞大。例如，某地电力公司在运35kV及以上架空输电线路共计1102回，长度11802.59千米。该地区大部分输电线路均处于沿海重污秽地区等复杂环境及恶劣气候条件下，再加上我国北方地区极端天气的出现，极易导致线路覆冰、覆湿雪，引发断股、断线、跳串以及冰雪闪络等事故，而输电线路部分区段发生严重覆冰、覆湿雪现象往往是由其所经微地形、微气象区域导致的。随着地区电网的发展延伸，通过沿海重污秽地区等复杂环境及恶劣气候条件的输电线路日益增多，且地区电网已发生若干起架空输电线路复合绝缘子覆湿雪闪络故障，故沿海重污区输电线路覆湿雪闪络特性的研究已成为保证地区电力系统安全运行的迫切要求之一。

近年全球气候变化导致我国易覆冰雪区域北移，华北地区输电线路覆湿雪现象增加，国网防灾减灾中心开展了对输电线路覆冰预报预警工作。为进一步保证输电线路的安全运行，地区电网部门对部分线路进行了输电线路外绝缘防冰雪改造，改造采用具有加大伞裙的复合防冰雪绝缘子，并且保持悬垂串为双串设计。在一些极端或特殊气候地区采用了防冰雪复合绝缘子，利用该“加大伞+大伞+小伞”伞型的绝缘子，降低了相邻伞裙的覆冰雪量(冰雪桥接度)以隔断闪络过程中的电弧，改善线路抗冰雪设计、防止风偏、防掉串能力。但国内尚无针对华北地区(特别是2015年以来北京、天津、冀北、河北南部等地区)覆湿雪闪络的特殊故障开展预测技术研究，华北沿海重污地区输电线路覆湿雪特征、局部地区典型微地形、微气象与区域气象参数等多种因素关系尚无综合考虑。地域及地理环境的复杂多变引起气候条件相差甚远，对架空输电线路安全稳定运行造成极大考验。特殊地理环境产生的特殊气候条件与周边的环境有明显关系，如山峰、丘陵、盆地、水系等，这些特殊地理环境会影响输电线路正常运行，恶劣条件甚至严重损坏输电线路，造成巨大的经济损失。

为了保证输电线路的正常运行，如何利用微气象数据对输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度进行准确预测是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、准确可靠且直观形象的输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，包括以下步骤：

步骤1、分析输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数影响因素，计算输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数；

步骤2、计算输电线路复合绝缘子覆湿雪结合系数；

步骤3、分析输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数影响因素，计算输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数；

步骤4、根据接触系数、结合系数、固化系数预测输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度。

而且，在步骤4后还包括根据覆湿雪厚度对输电线路复合绝缘子覆湿雪进行等级划分的步骤。

而且，所述步骤1计算输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数的方法为：将绝缘子覆湿雪之后近似为圆柱型或者是半圆柱型，然后按下式计算α₁：

其中，α₁为输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数，v是外界环境的风速；w是液态水含量；a为湿雪直径，取1.75mm。

而且，所述步骤2中输电线路复合绝缘子覆湿雪结合系数α₂取值为1。

而且，所述步骤3按下式计算输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数α₃：

其中，α₁、α₂、α₃分别为接触系数、结合系数、固化系数；L_f是雪的溶解热，v是外界环境的风速；w是绝缘子区域内的液态水含量；c_w是液态水的比热；T_a是外界的温度,T_s雪的表面的温度，h为对流换热的系数，e(T)为温度是T的时候覆湿雪绝缘子表面的水或者雪的饱和的水汽压，ε是雪表面的发射率，σ_R是Stefan-Boltzman常量，θ为风向角度。

而且，雪的溶解热L_f在0℃时取值为：332.2×1000J/kg；雪表面的发射率ε取值为：0.89，Stefan-Boltzman常量σ_R取值为：5.567×10^﹣8W/(m²·K⁴)。

而且，所述步骤4按下式计算输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度：

其中，α₁、α₂、α₃分别为接触系数、结合系数、固化系数，v是外界环境的风速；w是绝缘子区域内的液态水含量；ρ_i是自然积雪湿雪的密度；A_s和A_p分别是绝缘子在平行于风向的平面上的投影面积和在边界入口处的投影面积。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明充分利用气温、湿度、风速及风速等微气象数据，通过计算输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数、输电线路复合绝缘子覆湿雪结合系数和输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数，对输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度进行预测，进而对输电线路复合绝缘子覆湿雪等级进行划分，为保证输电线路的正常运行提供了可靠的依据。

2、本发明可以根据温度、湿度、风速、风向建立与覆湿雪厚度的曲线，能够形象直观地为监控人员提供预测结果。

附图说明

图1是本发明的绝缘子覆湿雪能量守恒图；

图2是500kV盘北线23#11月30日覆雪过程示意图；

图3是500kV盘北线23#11月28﹣30日气温、相对湿度、风速、风向与覆湿雪厚度的曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，包括以下步骤：

步骤1、分析输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数影响因素，并计算输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数α₁

覆湿雪接触系数主要受环境风速影响，一般在0﹣30m/s风速范围之内，外界风速越大，随着空气气流向绝缘子表面运动的湿雪颗粒的惯性就随之增大，当空气湿雪颗粒运动到接近绝缘子表面的时候，空气气流对于湿雪颗粒的粘滞力在垂直来流速度方向上的分量相对于湿雪颗粒惯性所产生的作用就越小，因此水滴的接触系数将会增大。

同时，接触系数还受到了空气湿雪颗粒的直径以及在覆湿雪过程中生长的湿雪的影响：在绝缘子覆湿雪过程中，湿雪颗粒的直径越大，湿雪颗粒运动到接近绝缘子表面的时候惯性就越大，产生的作用大于空气的粘滞力，容易与气流进行分离，使得接触系数增大，而相对的小湿雪颗粒在气流作用的条件之下容易跟随空气气流一起绕过绝缘子，与绝缘子表面接触的概率减小，接触系数减小。在湿增长模型之中，覆湿雪会在绝缘子表面生长湿雪，当绝缘子的迎风侧存在湿雪后，湿雪对于空气气流存在阻挡作用，导致空气中与绝缘子接触的湿雪颗粒的数量将会减小，从而导致接触系数的减小，同时湿雪的存在一定程度之上改变了绝缘子的外部的形状，湿雪的厚度在一定范围内越厚，接触系数越小。

基于上述分析，在本发明的覆湿雪预测系统的模型之中，绝缘子覆湿雪之后近似为圆柱型或者是半圆柱型，因此采用关于覆湿雪绝缘子接触系数公式，具体公式为：

其中v是外界环境的风速；w是液态水含量；a为湿雪直径，取1.75mm。

步骤2、计算输电线路复合绝缘子覆湿雪结合系数α₂

在关于覆湿雪实验的模型中，均将雪层表面存在的水膜考虑在内，当雪面存在水膜时，与绝缘子表面接触的湿雪颗粒会迅速的溶解在表面的水膜之中，接触湿雪颗粒不会破裂甚至反弹，因此，在本发明中，将绝缘子的结合系数α₂取为1。

步骤3、分析输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数影响因素，并计算输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数α₃

通过分析可以得出：影响覆湿雪过程中的表面固化系数的因数有接触因数、风速、外界环境的温度、大气压强、液态含水量等。

(1)风速v的影响

当其他因素不变的时候，通过改变风速v以分析对于α₃的影响，固化系数随着风速的增大而减小，其影响主要表现在：

风速增大的情况之下，空气中的液态水的动能有所增加，接触系数也随之增大，因此绝缘子表面接触水滴的总体的动能增大，由动能转化为的绝缘子的热量随之增大，使得绝缘子的温度有所上升，固化系数下降；风速增大的情况下，空气与绝缘子的摩擦热增加，使得绝缘子的温度有所上升；同时风速增大的情况下，绝缘子与外界环境的对流加快，绝缘子表面的温度有所下降。风速对于固化系数的影响包含相反的过程，但是综合作用之下为风速越大，固化因数越小。

(2)环境温度的影响

当风速处于一定值时，固化系数随着外界环境的升高从1以极快的速度下降到很小的值，主要原因在于：绝缘子表面的温度会随着外界环境的温度的上升有所上升，因此与绝缘子接触的液态水滴固化的速度很慢，所以固化系数会下降。

(3)湿度(液态水含量)的影响

在外界环境温度以及风速不变的情况之下，固化系数α₃随着空气中湿度的增加而逐渐下降，其主要原因在于：随着空气中的湿度的增加，在单位时间单位区域内与绝缘子表面进行接触的液态水滴的数量逐渐增加，以动能形式转换为热量的总体数值呈现上升的趋势，同时水滴固化过程中释放的潜热也在增加，从而使得绝缘子表面的温度上升，从而固化系数逐渐下降。

基于上述分析，计算输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数α₃

根据覆湿雪过程中的接触系数和结合系数以及规定的绝缘子的区域来确定绝缘子结合的液态水含量，但是并不是所有结合的湿雪颗粒都可以成为覆湿雪，本步骤参考绝缘子湿增长模型对于固化系数的计算公式进行推导。

根据能量守恒基本定律，如图1所示，绝缘子表面覆湿雪过程中的热力学平衡方程为：

q_f+q_v+q_k+q_a+q_n＝q_c+q_e+q_l+q_s+q_r (2)

式中：q_f为湿雪颗粒的液态水在0℃时相变为雪(冰)所释放的热量；q_v为空气气流摩擦产生的热量；q_k是空气中的湿雪颗粒与绝缘子表面接触因动能而产生的热量；q_a是0℃的雪(冰)冰继续冷却到外界环境温度所释放的热量；q_n为吸收日光短波辐射的热量；q_c是气流流经覆湿雪表面时对流换热损失；q_e是湿雪液态水蒸发或者湿雪直接升华所导致的潜热损失；q_l是湿雪雪粒从固化状态升高到0℃时候相变为液态水所吸收的热量；q_s是覆湿雪表面辐射所导致的热量损失；q_r是流失的液态水所吸收带走的能量。

在热力学的范畴之内，湿雪中液态水的相变可以概括为以下四个阶段：预冷却、再升温、在冷冻、过冷却四个阶段。在第一个阶段内，水由液态水变为过冷却水，这时水还没有固化成雪发生相变；在第二个阶段内，过冷却阶段的水释放潜热使水的温度上升到0℃；在第三个阶段，水发生相变，0℃的水转变成0℃的雪；在最后的一个阶段内，已经发生相变的水过冷却直至达到外界环境的温度。在这四个阶段内都存在着以热量为形式的能量的变化。

湿雪颗粒与绝缘子表面进行接触之后，从0℃的湿雪颗粒中液态水变成0℃冰雪的过程中释放的能量为：

q_f＝α₁α₂α₃vwL_f (3)

式中：α₁、α₂、α₃分别为接触系数、结合系数、固化系数；L_f是雪的溶解热，在0℃时取332.2×1000J/kg(区别于覆冰，冰的溶解热，在0℃时取336.2×1000J/kg)。

空气中的湿雪颗粒在绝缘子表面固化的过程中，湿雪中液态水的温度从过冷却状态的T_a以极快的速度上升到了0℃，在这个温度的变化过程中，湿雪颗粒所吸收的能量为：

q_l＝α₁α₂α₃vwc_w(-T_a) (4)

式中：v是外界环境的风速；w是绝缘子区域内的液态水含量；c_w是液态水的比热；T_a是外界的温度。

0℃的湿雪固化到绝缘子表面达到稳定的温度T_s所释放的能量：

q_a＝α₁α₂α₃vwc_s(-T_s) (5)

式中：c_s是湿雪固态时的比热。对于公式中的相关参数，由于本文采用湿增长的方式，雪层表面存在一层水膜，水膜的温度处于0℃，所以雪的表面的温度T_s一直维持在0℃。

空气中对于绝缘子的加热是通过空气对于雪的表面的摩擦产生，由于在覆湿雪过程中的风速不是很大，所以此项可以近似为0；同时湿雪天气一般日光短波辐射极弱，也可近似为0，即：

q_v＝q_n＝0 (6)

湿雪颗粒接触绝缘子表面的动能加热为过冷却的湿雪粒接触绝缘子表面时假设自身的动能完全转化为绝缘子的热能：

在气流经过绝缘子表面时，由于温度的不同会导致对流热量的损失：

q_c＝h(T_s-T_a) (8)

式中：h为对流换热的系数，单位J/(m²·K)。

由于在覆湿雪情况之下绝缘子表面不是绝对的光滑，因此采用了覆湿雪表面为0.5mm的数值。

湿雪液态水进行蒸发或者雪进行升华产生潜热损失为：

q_e＝χ[e(T_s)-e(T_a)] (9)

式中：e(T)为温度是T的时候覆湿雪绝缘子表面的水或者雪的饱和的水汽压(kPa)，计算如下：

式中：χ＝0.622hL_e/(c_ap_a)是蒸发或者升华的系数，单位J/(m²·kPa)，在式子中L_e＝2.51×10⁶J/kg是温度为T时液态水的蒸发或者雪的升华的潜热，c_a以雪的比热近似，p_a为利用多状态方程推导的大气压强精确计算公式。

绝缘子覆湿雪的时候，过冷却湿雪颗粒先吸收热量使得自身温度上升到0℃的时候发生相变，而绝缘子覆湿雪的表面始终存在一层水膜，水膜中的一部分水滴发生固化，而另一部分不会发生固化，将从雪层表面吸收一部分的能量离开绝缘子表面，这部分损失的能量不可忽略，对于覆湿雪有着很大的影响，这部分的能量损失为：

q_s＝α₁α₂(1-α₃)vwc_w(-T_a) (11)

绝缘子覆湿雪长波辐射损失的能量：

q_r＝4εσ_R(T_a+273.15)³(T_s-T_a) (12)

式中：ε是雪表面的发射率，一般取值为0.89(区别于覆冰，冰表面的发射率一般为0.95)；σ_R是Stefan-Boltzman常量，取值是5.567×10^﹣8W/(m²·K⁴)。

考虑覆湿雪过程中风向角度不同，将公式36修正如下：

A_p(q_f+q_v+q_k+q_a+q_n)＝A_s(q_c+q_e+q_r)+A_p(q_l+q_s) (13)

将上述公式37﹣47带入热平衡方程(47)中得：

式中：A_s和A_p分别是绝缘子在平行于风向的平面上的投影面积和在边界入口处的投影面积，在本文中以圆形来示意绝缘子的俯视图，假设风迎风侧以最大的范围接近绝缘子，即迎风侧的边界为俯视图中圆形的上下边界。

A_s＝A_pcosθ (15)

式中：θ为风向角度。

因此，推算出固化系数是：

在湿增长的过程中，由于接触到绝缘子的湿雪颗粒液态水不会被全部固化，因此固化系数的取值范围为0＜α₃＜1。不同于覆冰，覆湿雪过程中T_s＝0，接触系数如上述公式第二行。

步骤4、预测输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度

在本实施例中，通过接触系数α₁、结合系数α₂、固化系数α₃来考量绝缘子表面的覆湿雪量，以下式来计算：

式中：ρ_i是自然积雪湿雪的密度0.3g/cm³；其他项的含义同上。

计算补充说明：在本文的覆湿雪厚度计算中，空气湿度饱和时水汽的含量为10.8g/m³，因此液态水含量以空气中的相对湿度和复合绝缘子FXBW﹣500/70的单个伞裙的规模来计算；在人工模拟覆湿雪实验中，覆湿雪的过程在1h左右达到稳定状态或者增加的趋势逐渐变缓慢直至不再增加，所以在预测系统中规定覆湿雪时间为60分钟。

步骤5、根据覆湿雪厚度，对输电线路复合绝缘子覆湿雪等级划分。

在本实施例中，以覆湿雪的厚度进行覆湿雪等级的划分，一般采用5mm为一等级的以圆柱形雨凇覆湿雪厚度的等值抗冰雪设计厚度，严重覆湿雪地区采用20mm和25mm以上的抗冰雪设计厚度，因此在本系统中采用如下的覆湿雪等级的划分方法。以计算得出的一定时间内得覆湿雪厚度将该区域内的冰雪情况划分为五个等级。

表1湿雪厚度冰雪情况划分

划分级别	覆湿雪厚度h	湿雪情况表述
			1级	h＜0mm	不覆湿雪
2级	0mm≤h＜5mm	轻度覆湿雪
			3级	5mm≤h＜10mm	中度覆湿雪
4级	10mm≤h＜15mm	重度覆湿雪
			5级	h≥15mm	严重覆湿雪

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、分析输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数影响因素，计算输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数；

步骤2、计算输电线路复合绝缘子覆湿雪结合系数；

步骤3、分析输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数影响因素，计算输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数；

步骤4、根据接触系数、结合系数、固化系数预测输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，其特征在于：在步骤4后还包括根据覆湿雪厚度对输电线路复合绝缘子覆湿雪进行等级划分的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，其特征在于：所述步骤1计算输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数的方法为：将绝缘子覆湿雪之后近似为圆柱型或者是半圆柱型，然后按下式计算α₁：

其中，α₁为输电线路复合绝缘子覆湿雪接触系数，v是外界环境的风速；w是液态水含量；a为湿雪直径，取1.75mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，其特征在于：所述步骤2中输电线路复合绝缘子覆湿雪结合系数α₂取值为1。

5.根据权利要求1或2所述的一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，其特征在于：所述步骤3按下式计算输电线路复合绝缘子覆湿雪固化系数α₃：

其中，α₁、α₂、α₃分别为接触系数、结合系数、固化系数；L_f是雪的溶解热，v是外界环境的风速；w是绝缘子区域内的液态水含量；c_w是液态水的比热；T_a是外界的温度，T_s雪的表面的温度，h为对流换热的系数，e(T)为温度是T的时候覆湿雪绝缘子表面的水或者雪的饱和的水汽压，ε是雪表面的发射率，σ_R是Stefan-Boltzman常量，θ为风向角度。

6.根据权利要求5所述的一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，其特征在于：雪的溶解热L_f在0℃时取值为：332.2×1000J/kg；雪表面的发射率ε取值为：0.89，Stefan-Boltzman常量σ_R取值为：5.567×10^﹣8W/(m²·K⁴)。

7.根据权利要求1或2所述的一种输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度预测方法，其特征在于：所述步骤4按下式计算输电线路复合绝缘子覆湿雪厚度：

其中，α₁、α₂、α₃分别为接触系数、结合系数、固化系数，v是外界环境的风速；w是绝缘子区域内的液态水含量；ρ_i是自然积雪湿雪的密度；A_s和A_p分别是绝缘子在平行于风向的平面上的投影面积和在边界入口处的投影面积。

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