黃 健
國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,福建 福州 350000
輸電線路導(dǎo)線覆冰機理及雨凇覆冰模型分析
黃 健
國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,福建 福州 350000
隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,為了滿足人們和大型企業(yè)的用電需求,國家架設(shè)了許多輸電線路,在輸電線路導(dǎo)線越來越多的今天,由于自然環(huán)境的影響,會嚴重影響輸電線路導(dǎo)線的正常工作,對此,人們需要一些應(yīng)對措施來消除自然災(zāi)害對輸電線路導(dǎo)線的影響。本文對輸電線路導(dǎo)線覆冰機理及雨凇覆冰模型進行分析探討。
輸電線路導(dǎo)線;覆冰機理;雨凇覆冰模型
目前,大多數(shù)的輸電線路導(dǎo)線是裸露在外部環(huán)境中的,在冬季濕冷的氣候環(huán)境中,輸電線路導(dǎo)線的表面非常容易發(fā)生覆冰現(xiàn)象,覆冰使輸電線路導(dǎo)線全部被冰所包裹,容易發(fā)生導(dǎo)線隨風舞動和輸電線路過荷等現(xiàn)象的發(fā)生,嚴重影響電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行。
我國對于覆冰的研究來源于對航空飛機覆冰的研究,目前,大多數(shù)的線路覆冰現(xiàn)象是冰冷的雨滴在空氣流動的帶動下,以層流的方式經(jīng)過輸電線路導(dǎo)線時,這些雨滴會被導(dǎo)線所吸引捕獲,從而形成了輸電線路導(dǎo)線覆冰的情況,在輸電線路導(dǎo)線形成覆冰現(xiàn)象的初期,由于導(dǎo)線的形狀和有效氣流所帶動雨滴的范圍,一般情況下,導(dǎo)線覆冰的形狀是有規(guī)則的圓形截面,隨著雨滴的增多,導(dǎo)線上積冰的厚度也越來越多,而與此同時,有效氣流的范圍也越來越少,當積冰到達一定厚度的時候,導(dǎo)線附近不再具有有效的空氣流動,這時候,雨滴不會在導(dǎo)線上形成積冰,所以說,導(dǎo)線的覆冰現(xiàn)象取決于導(dǎo)線的半徑和其有效氣流的范圍,當積冰的厚度達到極限的時候,會停止積冰,不會一直增長下去。在天氣寒冷、雨水較多的冬季,輸電線路導(dǎo)線由于嚴重的覆冰現(xiàn)象,導(dǎo)致導(dǎo)線被相當厚度的冰所覆蓋,這些積冰在氣流的帶動下,會造成輸電線路導(dǎo)線的覆冰舞動,給我國的電力系統(tǒng)帶來嚴重危害[1]。
由于自然環(huán)境條件的不同,在輸電線路上所形成的覆冰類型也不相同,其類型主要包括以下兩個方面:
2.1 首先是雨凇覆冰。雨凇覆冰是在冬季的等氣候寒冷的環(huán)境下,輸電線路導(dǎo)線的溫度低于零攝氏度,在這樣的情況下,冰冷的雨滴如果降落在輸電線路導(dǎo)線上,就容易形成雨凇覆冰,這種覆冰現(xiàn)象一般是在凍雨時期發(fā)生在低海拔地區(qū),一般持續(xù)較短的時間,雨凇覆冰形成的條件是要環(huán)境溫度接近冰點,并且伴隨有較大級別的風力,這種覆冰現(xiàn)象一般具有以下特點:冰在導(dǎo)線上的粘合力較強,并且導(dǎo)線積冰的密度很大。形成雨凇覆冰現(xiàn)象的環(huán)境條件較為特殊,所以,輸電線路導(dǎo)線為純粹雨凇覆冰現(xiàn)象的情況一般較少。
2.2 軟霧凇。軟霧凇的形成條件和特性與雨凇覆冰相比完全不同,軟霧凇是在由低層云中的過冷水滴,在風力較小和溫度極低的情況下形成,一般霧凇的結(jié)構(gòu)特點儀表松散,一般為出白色不規(guī)則狀,對于輸電線路導(dǎo)線的附著力相當小,所以這種霧凇對輸電線路導(dǎo)線的影響并不大[2]。
輸電線路導(dǎo)線模型是為了計算在覆冰的環(huán)境氣候下,導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量與時間之間的變化關(guān)系,若果在導(dǎo)線有效氣流范圍內(nèi)捕捉到的水滴被完全凍結(jié),這樣的情況為霧凇覆冰,若果導(dǎo)線上的水滴并沒有被完全凍結(jié),這種情況為雨凇覆冰。在之前的介紹中,詳細地介紹了雨凇覆冰和霧凇覆冰對輸電線路導(dǎo)線的影響程度,因為雨凇覆冰對輸電線路導(dǎo)線的危害較大,在這里對雨凇覆冰的模型進行分析。在導(dǎo)線覆冰模型中,一般包括覆冰強度、碰撞系數(shù)、凍結(jié)系數(shù)、收集系數(shù)、和輸電線路導(dǎo)線覆冰情況幾個方面。
3.1 雨凇覆冰的覆冰強度是在單位時間內(nèi),單位面積上的導(dǎo)線覆冰質(zhì)量,在計算公式中,覆冰強度一般用I來表示,其具體的計算公式如下:
其中β為導(dǎo)線局部的碰撞系數(shù),V和W分別為風速和水滴的含量,n為有效覆冰系數(shù)。
局部覆冰:
3.2 其次是導(dǎo)線局部碰撞系數(shù),碰撞系數(shù)也被稱為碰撞恢復(fù)系數(shù),在導(dǎo)線覆冰上的物理定義為雨滴與導(dǎo)線碰撞而被吸附的雨滴質(zhì)量和碰撞后過冷雨滴在導(dǎo)線上的水滴總質(zhì)量之間的比值,這個比值一般在0到1之間,在這里的具體計算公式為:
局部碰撞系數(shù):
3.3 然后還有凍結(jié)系數(shù),凍結(jié)系數(shù)是指在單位時間中被凍結(jié)在導(dǎo)線上的雨滴質(zhì)量與導(dǎo)線在有效氣流中所捕獲的雨滴質(zhì)量之比,影響這個數(shù)值的因素有很多,這些因素包括環(huán)境溫度、風度、雨滴的質(zhì)量和導(dǎo)線內(nèi)電流強度等,這些因素影響雨滴在導(dǎo)線上的凍結(jié)量,從而影響整個凍結(jié)系數(shù),由于各個參數(shù)的不確定性,所以其計算公式十分復(fù)雜。
3.4 收集系數(shù)。收集系數(shù)是指導(dǎo)線在有效氣流下捕獲的水滴質(zhì)量與風速和水滴直徑之間的關(guān)系。在雨凇覆冰的情況下,一般其中的常數(shù)取1.64.
3.5 最后是導(dǎo)線的覆冰形狀.輸電線路導(dǎo)線的覆冰情況是導(dǎo)線舞動的重要參數(shù),其形狀一般包括以下幾個方面:首先是有規(guī)則的或者近似圓截面形狀的覆冰,這種覆冰情況一般為雨凇覆冰,因為雨凇覆冰的積冰附著力比較強,所以呈現(xiàn)出一種均勻的理想化覆冰情況;另外一種情況是非規(guī)則截面的覆冰情況,這種覆冰情況一般呈現(xiàn)出冰柱或者翼形覆冰的形狀,這種覆冰情況的分析要考慮導(dǎo)線的半徑、氣候的溫度、風速和氣流角度等因素的影響。
輸電線路導(dǎo)線是國家電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要組成部分,給人們的生活和企業(yè)生產(chǎn)提供了巨大的幫助,在氣候溫度較為寒冷濕潤的時候,輸電線路導(dǎo)線容易發(fā)生覆冰現(xiàn)象。輸電線路導(dǎo)線覆冰與空氣濕度、溫度、風度、水滴的質(zhì)量和導(dǎo)線的直徑等多方面有關(guān)系,其中包含了雨多方面的學(xué)問,所以覆冰機理是十分復(fù)雜的,人們要注意這些因素對導(dǎo)線覆冰的情況,防止因?qū)Ь€覆冰而造成導(dǎo)線舞動,而對電力系統(tǒng)造成嚴重的破壞。
[1]劉春城,劉佼.輸電線路導(dǎo)線覆冰機理及雨凇覆冰模型[J].高電壓技術(shù),2011,37(1):241-248.
[2]王健,王瑋,屈志堅等.電氣化鐵路接觸網(wǎng)雨凇覆冰厚度預(yù)測模型研究[J].電氣化鐵道,2014,(1):21-24.
[3]陳吉,蔣興良,郭鋼等.交直流電場對雨凇覆冰特性的影響研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(3):867-872.