CN111983349A - 模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气工程中的融冰技术领域，公开一种模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法及系统，以采集各种自然气象条件对线路舞动影响，提高融冰消舞试验的准确性。本发明方法包括：部署试验平台，试验平台包括用于模拟自然条件中不同温度、湿度、风速及降雨量的人工气候室；在不通电流情况下，在人工气候室中对试验导线进行降雨覆冰，并在降雨覆冰过程中，保持风速与试验导线径向垂直，然后在覆冰厚度达到能舞动的目标值后停止降雨；保持风速、风向不变，设定融冰电流设定值并经升流变压器向试验导线供电，观测并记录融冰电流及相应温度传感器、舞动情况与融冰时间的关系；在覆冰全部熔化后，对人工气候室进行升温烘干处理。

Description

模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法及系统

技术领域

本发明涉及电气工程中的融冰技术领域，尤其涉及一种模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法及系统。

背景技术

目前，输电线路冬季因雨雪冰冻天气易出现覆冰，覆冰输电线路在大风作用下极易发生舞动。线路舞动激发的条件如果处于持续稳定状态，舞动区段舞动时间可以超过72小时，长时间、高强度的持续舞动是造成线路发生大范围严重受损的主要原因。舞动轻则造成线路跳闸，重则可能引起断线、倒塔等严重后果。2018年1月，湖北、安徽、湖南等地区发生大面积覆冰舞动现象，舞动灾害影响的线路中包含了±800kV复奉、锦苏和灵绍等在内的多条特高压线路和上百条500kV及以下的主网线路，发生倒塔、杆塔损伤、掉串、金具损伤、断线等近百处，线路跳闸数十次。

激发导线舞动的三要素为导线覆冰、风激励、线路结构与参数。现有防舞措施如加装防舞装置或进行防舞技术改造，主要通过抑制风激励，改变导线力学特性来治理舞动，而未考虑破坏覆冰激励来消除舞动。通过对舞动线路及时采取融冰措施，破坏线路舞动的覆冰激励条件，可以达到主动消除线路舞动的目的，避免电力设备损坏。由于线路舞动仅在冬季覆冰期发生，为了研究输电线路融冰消舞，需要搭建融冰消除舞动试验平台，开展融冰消舞试验方法研究，但现有试验方法(如CN107607807A公开号所公开专利)主要考虑覆冰厚度与融冰电流、时间的关系，无法充分体现线路舞动时各种自然气象条件对线路舞动影响，给融冰消舞试验带来不准确性，现有融冰消舞试验方法主要存在以下问题：问题1，覆冰线路舞动气象条件仅考虑温度、风速、覆冰厚度，而实际线路舞动时需要考虑温度、湿度、风速、降水量、降水颗粒大小和降水温度；问题2，融冰电流、融冰时间全部通过现场试验摸索得到，试验时间长、工作量大；问题3，试验流程过于简单，试验未考虑不同融冰电流、不同风速、不同覆冰厚度和不同环境温度间的影响。因此，针对输电线路覆冰舞动特点，迫切需要开展适用于输电线路融冰消舞试验方法研究。

发明内容

本发明目的在于公开一种模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法及系统，以采集各种自然气象条件对线路舞动影响，提高融冰消舞试验的准确性。

为达上述目的，本发明公开的模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法包括：

步骤S1、部署试验平台，所述试验平台包括用于模拟自然条件中不同温度、湿度、风速及降雨量的人工气候室；所述试验平台内部署有能连接升流变压器的至少一输电线路；各输电线路上部署有相应的温度传感器；

步骤S2、在不通电流情况下，在所述人工气候室中对试验导线进行降雨覆冰，并在降雨覆冰过程中，保持所述风速与试验导线径向垂直，然后在覆冰厚度达到能舞动的目标值后停止降雨；

步骤S3、保持风速、风向不变，设定融冰电流设定值并经所述升流变压器向试验导线供电，观测并记录融冰电流及相应温度传感器、舞动情况与融冰时间的关系；在覆冰全部熔化后，对所述人工气候室进行升温烘干处理。

本发明具有以下有益效果：

采用可模拟自然条件中不同温度、湿度、风速及降雨量的人工气候室，能实现覆冰舞动温度、湿度、风速、降水量、降水颗粒大小和降水温度等自然气象条件全模拟，提高了覆冰舞动试验准确性。并将融冰过程中停止降雨，有效避免融冰过程中又不断产生新的覆冰，进一步确保了融冰数据的准确性。

进一步的，本发明还可以根据当前试验环境的最小融冰电流、最大融冰电流和融冰时间综合确定所述融冰电流设定值，能有效减小了消舞融冰试验时间与工作量。

优选地，所述最小融冰电流记为I_min，计算公式具体为：

其中，R₀为0℃时导线电阻，Δt为导体温度与外界气温之差，R_TO为等效冰层传导热阻，R_T1为对流及辐射等效热阻；

所述最大融冰电流记为I_max，计算公式具体为：

(1)当风速v>2m/s时：

(2)当风速v≤2m/s时：

其中，R₉₀为导线温度为90℃时的电阻，t₂为外界温度，d为导线直径，v为风速，ε_i为辐射系数；

所述融冰时间记为T_r，计算公式具体为：

其中，I_r为融冰电流，R₀为0℃时的导线电阻，g_o为冰的比重，b为冰层厚度，D为导体覆冰后的外径，R_TO为等效冰层传导热阻，λ为导热系数，R_T1为对流及辐射等效热阻。

进一步的，本发明还包括：

步骤S4、改变试验导线的型号，重复上述步骤S2和步骤S3。

进一步的，本发明还包括：

步骤S5、改变风速大小，分别记录不同风速下试验导线的覆冰形状及覆冰重量，并重复上述步骤S2至步骤S4。

进一步的，本发明还包括：

步骤S6、改变覆冰厚度达到能舞动的目标值，重复上述步骤S2至步骤S5。

进一步的，本发明还包括：

步骤S7、改变环境温度，重复上述步骤S2至步骤S6。

藉此，可通过不同试验条件循环，实现了不同自然条件下覆冰舞动融冰消舞试验，比较客观真实模拟了舞动线路融冰消舞过程。

优选地，本发明还包括：

对所采集的试验数据进行拟合，以得出不同气象参数条件下不同型号导线温度变化曲线，融冰时间与融冰电流的关系曲线；从而为实际自然条件下的融冰消舞输出最优方案，在确保线路安全、使用寿命等前提下降低融冰消舞的成本。

为达上述目的，本发明还公开模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验系统，包括：

试验平台，所述试验平台包括用于模拟自然条件中不同温度、湿度、风速及降雨量的人工气候室；所述试验平台内部署有能连接升流变压器的至少一输电线路；各输电线路上部署有相应的温度传感器；

风速能调节的风机，输出风速与试验导线径向垂直。

与上述方法相对应的，本发明系统还包括用于根据当前试验环境的最小融冰电流、最大融冰电流和融冰时间综合确定融冰电流设定值的处理器；

所述处理器包括：

用于估算所述最小融冰电流的第一处理模块，所述最小融冰电流记为I_min，计算公式具体为：

其中，R₀为0℃时导线电阻，Δt为导体温度与外界气温之差，R_TO为等效冰层传导热阻，R_T1为对流及辐射等效热阻；

用于估算所述最大融冰电流的第二处理模块，最大融冰电流记为I_max，计算公式具体为：

(1)当风速v>2m/s时：

(2)当风速v≤2m/s时：

其中，R₉₀为导线温度为90℃时的电阻，t₂为外界温度，d为导线直径，v为风速，ε_i为辐射系数；

用于估算所述融冰时间的第三模块，融冰时间记为T_r，计算公式具体为：

其中，I_r为融冰电流，R₀为0℃时的导线电阻，g_o为冰的比重，b为冰层厚度，D为导体覆冰后的外径，R_TO为等效冰层传导热阻，λ为导热系数，R_T1为对流及辐射等效热阻。

同理，优选地，所述处理器还用于对所采集的试验数据进行拟合，以得出不同气象参数条件下不同型号导线温度变化曲线，融冰时间与融冰电流的关系曲线。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例公开的融冰消舞系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

本实施例公开一种模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法，具体包括：

1、参考下述经验公式1～公式3，计算得到不同型号导线的最小融冰电流、最大融冰电流、融冰电流取值范围及相应的融冰时间，环境气象参数风速和温度各取表1所示的数值进行计算与试验。

公式1：最小融冰电流I_min

上式中，各符号所表征的含义及单位分列如下：

I_min——导线最小融冰电流，A；

R₀——0℃时导线电阻，Ω/m；

Δt——导体温度与外界气温之差，℃；

R_TO——等效冰层传导热阻，℃·cm/W；

R_T1——对流及辐射等效热阻，℃·cm/W。

公式2：最大融冰电流I_max

(1)当风速v>2m/s时：

(2)当风速v≤2m/s时：

上式中，各符号所表征的含义及单位分列如下：

R₉₀——导线温度为90℃时的电阻，Ω；

I_max——导线融冰最大允许电流，A；

t₂——外界温度，℃；

d——导线直径，cm；

v——风速，m/s；

ε_i——辐射系数。

公式3：融冰时间T_r

上式中，各符号所表征的含义及单位分列如下：

I_r——融冰电流，A；

R₀——0℃时的导线电阻，Ω/m；

T_r——融冰时间，h；

Δt——导体温度与外界气温之差，℃；

g_o——冰的比重，g/mm³；

b——冰层厚度，即覆冰每边冰厚，cm；

D——导体覆冰后的外径，cm；

R_TO——等效冰层传导热阻，℃·cm/W；

d——导线直径，cm；

λ——导热系数，W/(cm·℃)；

对雨淞：λ＝2.27×10^-2；

对雾淞：λ＝0.12×10^-2；

R_T1——对流及辐射等效热阻，℃·cm/W；

对雨淞：

对雾淞：

v——风速，m/s；

表1导线融冰试验气象参数取值

2、按照图1搭建好试验平台，装好温度传感器，连接好试验回路，检查接线正确。在图1中，标号1为外界220V交流电压的调压器，标号2为升流变压器，标号3为人工气候室的试验区域，标号4为试验线路，标号5表示风速方向，标号6表示温度传感器。

3、先不通电流，人工气候室操作给试验导线覆冰，环境温度设置为-1℃，覆冰过程中保持风速与导线径向垂直，使其覆冰厚度达到1mm左右，然后停止降雨；保持风速、风向不变，接通调压器电源，给导线通电流至设定值；每隔2分钟记录一次导线温度，观察导线融冰情况并拍照记录，记下导线覆冰全部融化需要的时间；试验完成后，关闭电源，开启气候室升温并将其烘干。

4、重复步骤3，改变融冰电流的大小，分别对LGJ-400/50、LGJ-500/65和LGJ-630/45三种型号的导线进行融冰试验，在相同气象条件下每种导线需至少进行2次融冰试验(即通过2次求平均来减少误差)。在该步骤中，即融冰电流设定值根据当前试验环境的如上述公式1至公式3所分别公开的最小融冰电流、最大融冰电流和融冰时间综合确定一个最佳的融冰电流设定值。

5、依次改变风速为0m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s、12m/s，重复步3、4，记录不同风速下导线覆冰形状，覆冰重量。

6、依次提高覆冰厚度至3mm、5mm、8mm，重复步骤3、4、5，记录不同覆冰厚度下，融冰电流与融冰时间的关系。

7、将环境温度设置为-3℃，重复步骤3、4、5、6并记录数据。然后分析试验数据，拟合出不同气象参数条件下不同型号导线温度变化曲线，融冰时间与融冰电流的关系曲线并分析其规律和原因。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法，其特征在于，包括：

步骤S1、部署试验平台，所述试验平台包括用于模拟自然条件中不同温度、湿度、风速及降雨量的人工气候室；所述试验平台内部署有能连接升流变压器的至少一输电线路；各输电线路上部署有相应的温度传感器；

步骤S2、在不通电流情况下，在所述人工气候室中对试验导线进行降雨覆冰，并在降雨覆冰过程中，保持所述风速与试验导线径向垂直，然后在覆冰厚度达到能舞动的目标值后停止降雨；

步骤S3、保持风速、风向不变，设定融冰电流设定值并经所述升流变压器向试验导线供电，观测并记录融冰电流及相应温度传感器、舞动情况与融冰时间的关系；在覆冰全部熔化后，对所述人工气候室进行升温烘干处理。

2.根据权利要求1所述的模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法，其特征在于，所述融冰电流设定值根据当前试验环境的最小融冰电流、最大融冰电流和融冰时间综合确定；

所述最小融冰电流记为I_min，计算公式具体为：

其中，R₀为0℃时导线电阻，Δt为导体温度与外界气温之差，R_TO为等效冰层传导热阻，R_T1为对流及辐射等效热阻；

所述最大融冰电流记为I_max，计算公式具体为：

(1)当风速v>2m/s时：

(2)当风速v≤2m/s时：

其中，R₉₀为导线温度为90℃时的电阻，t₂为外界温度，d为导线直径，v为风速，ε_i为辐射系数；

所述融冰时间记为T_r，计算公式具体为：

其中，I_r为融冰电流，R₀为0℃时的导线电阻，g_o为冰的比重，b为冰层厚度，D为导体覆冰后的外径，R_TO为等效冰层传导热阻，λ为导热系数，R_T1为对流及辐射等效热阻。

3.根据权利要求2所述的模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法，其特征在于，还包括：

步骤S4、改变试验导线的型号，重复上述步骤S2和步骤S3。

4.根据权利要求3所述的模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法，其特征在于，还包括：

步骤S5、改变风速大小，分别记录不同风速下试验导线的覆冰形状及覆冰重量，并重复上述步骤S2至步骤S4。

5.根据权利要求4所述的模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法，其特征在于，还包括：

步骤S6、改变覆冰厚度达到能舞动的目标值，重复上述步骤S2至步骤S5。

6.根据权利要求5所述的模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法，其特征在于，还包括：

步骤S7、改变环境温度，重复上述步骤S2至步骤S6。

7.根据权利要求1至6任一所述的模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验方法，其特征在于，还包括：

对所采集的试验数据进行拟合，以得出不同气象参数条件下不同型号导线温度变化曲线，融冰时间与融冰电流的关系曲线。

8.一种模拟自然环境的输电线路融冰消舞试验系统，其特征在于，包括：

试验平台，所述试验平台包括用于模拟自然条件中不同温度、湿度、风速及降雨量的人工气候室；所述试验平台内部署有能连接升流变压器的至少一输电线路；各输电线路上部署有相应的温度传感器；

风速能调节的风机，输出风速与试验导线径向垂直。

9.根据权利要求8所述的输电线路融冰消舞试验系统，其特征在于，还包括用于根据当前试验环境的最小融冰电流、最大融冰电流和融冰时间综合确定融冰电流设定值的处理器；

所述处理器包括：

用于估算所述最小融冰电流的第一处理模块，所述最小融冰电流记为I_min，计算公式具体为：

其中，R₀为0℃时导线电阻，Δt为导体温度与外界气温之差，R_TO为等效冰层传导热阻，R_T1为对流及辐射等效热阻；

用于估算所述最大融冰电流的第二处理模块，最大融冰电流记为I_max，计算公式具体为：

(1)当风速v>2m/s时：

(2)当风速v≤2m/s时：

其中，R₉₀为导线温度为90℃时的电阻，t₂为外界温度，d为导线直径，v为风速，ε_i为辐射系数；

用于估算所述融冰时间的第三模块，融冰时间记为T_r，计算公式具体为：

其中，I_r为融冰电流，R₀为0℃时的导线电阻，g_o为冰的比重，b为冰层厚度，D为导体覆冰后的外径，R_TO为等效冰层传导热阻，λ为导热系数，R_T1为对流及辐射等效热阻。

10.根据权利要求8或9所述的输电线路融冰消舞试验系统，其特征在于，所述处理器还用于对所采集的试验数据进行拟合，以得出不同气象参数条件下不同型号导线温度变化曲线，融冰时间与融冰电流的关系曲线。

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