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输电导线覆冰生长及影响因素数值分析模型

王剑

摘 要：文章通过创建输电导线覆冰生长数值模型，能够了解覆冰形貌、质量等随着时间的变化，能够有效的提高输电导线覆冰预测的准确性和精度。因此，文章针对输电导线覆冰生长及影响因素数值分析模型的研究具有非常重要的现实意义。
关键词：输电导线；覆冰；数值模型
1.前言
对于电力系统而言，覆冰是非常严重的自然灾害之一，严重覆冰会导致出现绝缘子串闪络跳闸、导线相间放电或者对地放线、金具损坏、导线舞动以及杆塔倒塌等重大事故，严重影响电力系统运行的安全性和可靠性。文章根据输电导线局部质量平衡和热量平衡，利用一维搜索和多级假设的方法，获得输电导线覆冰生长的各参数，如溢流水、冻结系数等，能够有效的提高输电导线覆冰预测的准确性和精度。
2.输电导线覆冰生长计算模型与流程
2.1输电导线覆冰生长计算模型。输电导线覆冰生长过程涉及众多学科，主要包括结构力学、传热学以及流体力学等，想要创建科学的输电导线覆冰生长模型难度相对较大，覆冰导线表面局部单元（用k表示），随着时间变化覆冰增量（用mk表示）的公式表示为：
公式中Ik=mim，k+mfi，k-mes，k，表示进入到单元内的过冷却水质量；a3，k表示冻结系数；mes，k表示单元内蒸发和升华导致的质量损失；mfi，k表示其他单元流入液态水的质量；mim，k表示过冷却液滴的碰撞质量。
2.2输电导线覆冰生长计算流程。输电导线覆冰生长过程包括四个部分，即空气场求解、冻结系数计算、表面过冷却液滴碰撞系数计算以及覆冰外形成。
3.输电导线覆冰生长模型
3.1覆冰过程溢流水。当局部区域内液滴没有完全冻结，并且存在溢流水，则表明输电导线的覆冰处于湿增长状态，所产生的覆冰为雨凇，表明0
3.2结冰过程的质量平衡方程。单元k的质量守恒公式表示为：
mim，k+mfi，k-mes，k-mfo，k-mice，k=0（公式2）
公式中mice，k表示单元k最终结冰的质量；mfo，k表示单元内流出的液态水的质量。覆冰过程中冰面和过冷却液滴发生接触后，液滴会快速的冻结成冰，仅仅只有少量的过冷却第页会发生反弹。当冰层表面存在水层时，过冷却液滴会粘附在表面或者在表面铺开，并不会出现反弹现象。
3.3结冰过程的能量平衡方程。单元k覆冰生长过程的能量平衡公式表示为：
Qcq，k+Qes，k+Qfo，k+Qice，k+Qim，k+Qfi，k+QJ，k=0 （公式3）
公式中QJ，k表示传递至结冰单元的导线焦耳热；Qim，k表示碰撞到结冰表面的液滴导致的能量变化；Qice，k表示液滴冻结过程释放的热量；Qfo，k表示单元流出的溢流水导致的能量变化；Qfi，k表示单元流入的溢流水导致的能量变化；Qes，k表示单元蒸发与升华过程导致的热量损失；Qcq，k表示单元表面热辐射和空气换热导致的能量损失。
因为过冷却水滴碰撞导致的能量变化主要包括：液滴喷桩后速递降低为零的动能变化，过冷却液滴附着后温度上升至参考温度后导致的能量变化。导线符合电流在传输的过程中会产生一定的热量，通过冰层将该部分热量传递至覆冰表面，因为铝质导线具有非常高的导热率，为了方便计算，可以假设导线本体各位置的温度恒定。覆冰过程是一个准热平衡的过程，加热输电导线覆冰时冰层以及导线的温度恒定，并且导线的热量通过冰层全部传递至覆冰表面，液滴冻结成冰时会释放众多热量，然后和避免温度逐渐达成一致。
4.算例分析
算例1：以LGJ210/25导线为例，该导线的性能参数表示为：直流电阻率0.14Ω/km（20℃），直径为20.00mm，假设该输电导线覆冰时的风速为5.0m/s，环境温度为零下15℃，大气压强为1.01325×105kPa，导线电流为0A，空气中液态水含量1.2g/m3。
算例2：依然为LGJ210/25导线，覆冰时风速为10m/s，环境温度为零下4℃，导线电流为150A。
在没有覆冰时，两个算例导线表面的a1，k和液态水含量分布状况如图2所示。对于算例1：在阻尼作用影响下，输电导线迎风面各个位置的液滴分布差异非常小，a1，k沿着y轴表现为抛物线形状，迎风侧驻点位置为最大值。对于算例2，气流的分离点相对于算例1后移，过冷却液滴产生碰撞的面积增大，但是迎风侧的空气中液态水含量降低和液滴的动量增加，导线更容易和液滴发生碰撞。算例1的温度相对较低，导线和过冷却液滴发生碰撞后快速结冰，并不会产生溢流水，覆冰呈雾凇状；算例2的环境温度相对较高，再加上负荷电流产生的热量，导线和液滴发生碰撞后并不会快速的结冰，会产生一定的溢流水，覆冰呈雨凇状。
5.结束语
综上所述，文章创建了以质量平衡和热量平衡为基础的输电导线覆冰生长数值模型，涉及的参数包括导线温度、负荷电流、溢流水等，在覆冰时随着风俗的提高、局部碰撞系数的增加，覆冰区域和覆冰量会增加，并且随着导线电流和环境温度的增加，会增加输电导线冰层的溢流水，覆冰由雾凇向雨凇转变。
参考文献：
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科学与财富2016年28期
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