輸電導線覆冰生長及影響因素數值分析模型

王劍

摘 要：文章通過創建輸電導線覆冰生長數值模型，能夠了解覆冰形貌、質量等隨著時間的變化，能夠有效的提高輸電導線覆冰預測的準確性和精度。因此，文章針對輸電導線覆冰生長及影響因素數值分析模型的研究具有非常重要的現實意義。

關鍵詞：輸電導線；覆冰；數值模型

1.前言

對于電力系統而言，覆冰是非常嚴重的自然災害之一，嚴重覆冰會導致出現絕緣子串閃絡跳閘、導線相間放電或者對地放線、金具損壞、導線舞動以及桿塔倒塌等重大事故，嚴重影響電力系統運行的安全性和可靠性。文章根據輸電導線局部質量平衡和熱量平衡，利用一維搜索和多級假設的方法，獲得輸電導線覆冰生長的各參數，如溢流水、凍結系數等，能夠有效的提高輸電導線覆冰預測的準確性和精度。

2.輸電導線覆冰生長計算模型與流程

2.1輸電導線覆冰生長計算模型。輸電導線覆冰生長過程涉及眾多學科，主要包括結構力學、傳熱學以及流體力學等，想要創建科學的輸電導線覆冰生長模型難度相對較大，覆冰導線表面局部單元（用k表示），隨著時間變化覆冰增量（用mk表示）的公式表示為：

公式中Ik=mim，k+mfi，k-mes，k，表示進入到單元內的過冷卻水質量；a3，k表示凍結系數；mes，k表示單元內蒸發和升華導致的質量損失；mfi，k表示其他單元流入液態水的質量；mim，k表示過冷卻液滴的碰撞質量。

2.2輸電導線覆冰生長計算流程。輸電導線覆冰生長過程包括四個部分，即空氣場求解、凍結系數計算、表面過冷卻液滴碰撞系數計算以及覆冰外形成。

3.輸電導線覆冰生長模型

3.1覆冰過程溢流水。當局部區域內液滴沒有完全凍結，并且存在溢流水，則表明輸電導線的覆冰處于濕增長狀態，所產生的覆冰為雨凇，表明0

3.2結冰過程的質量平衡方程。單元k的質量守恒公式表示為：

mim，k+mfi，k-mes，k-mfo，k-mice，k=0（公式2）

公式中mice，k表示單元k最終結冰的質量；mfo，k表示單元內流出的液態水的質量。覆冰過程中冰面和過冷卻液滴發生接觸后，液滴會快速的凍結成冰，僅僅只有少量的過冷卻第頁會發生反彈。當冰層表面存在水層時，過冷卻液滴會粘附在表面或者在表面鋪開，并不會出現反彈現象。

3.3結冰過程的能量平衡方程。單元k覆冰生長過程的能量平衡公式表示為：

Qcq，k+Qes，k+Qfo，k+Qice，k+Qim，k+Qfi，k+QJ，k=0 （公式3）

公式中QJ，k表示傳遞至結冰單元的導線焦耳熱；Qim，k表示碰撞到結冰表面的液滴導致的能量變化；Qice，k表示液滴凍結過程釋放的熱量；Qfo，k表示單元流出的溢流水導致的能量變化；Qfi，k表示單元流入的溢流水導致的能量變化；Qes，k表示單元蒸發與升華過程導致的熱量損失；Qcq，k表示單元表面熱輻射和空氣換熱導致的能量損失。

因為過冷卻水滴碰撞導致的能量變化主要包括：液滴噴樁后速遞降低為零的動能變化，過冷卻液滴附著后溫度上升至參考溫度后導致的能量變化。導線符合電流在傳輸的過程中會產生一定的熱量，通過冰層將該部分熱量傳遞至覆冰表面，因為鋁質導線具有非常高的導熱率，為了方便計算，可以假設導線本體各位置的溫度恒定。覆冰過程是一個準熱平衡的過程，加熱輸電導線覆冰時冰層以及導線的溫度恒定，并且導線的熱量通過冰層全部傳遞至覆冰表面，液滴凍結成冰時會釋放眾多熱量，然后和避免溫度逐漸達成一致。

4.算例分析

算例1：以LGJ210/25導線為例，該導線的性能參數表示為：直流電阻率0.14Ω/km（20℃），直徑為20.00mm，假設該輸電導線覆冰時的風速為5.0m/s，環境溫度為零下15℃，大氣壓強為1.01325×105kPa，導線電流為0A，空氣中液態水含量1.2g/m3。

算例2：依然為LGJ210/25導線，覆冰時風速為10m/s，環境溫度為零下4℃，導線電流為150A。

在沒有覆冰時，兩個算例導線表面的a1，k和液態水含量分布狀況如圖2所示。對于算例1：在阻尼作用影響下，輸電導線迎風面各個位置的液滴分布差異非常小，a1，k沿著y軸表現為拋物線形狀，迎風側駐點位置為最大值。對于算例2，氣流的分離點相對于算例1后移，過冷卻液滴產生碰撞的面積增大，但是迎風側的空氣中液態水含量降低和液滴的動量增加，導線更容易和液滴發生碰撞。算例1的溫度相對較低，導線和過冷卻液滴發生碰撞后快速結冰，并不會產生溢流水，覆冰呈霧凇狀；算例2的環境溫度相對較高，再加上負荷電流產生的熱量，導線和液滴發生碰撞后并不會快速的結冰，會產生一定的溢流水，覆冰呈雨凇狀。

5.結束語

綜上所述，文章創建了以質量平衡和熱量平衡為基礎的輸電導線覆冰生長數值模型，涉及的參數包括導線溫度、負荷電流、溢流水等，在覆冰時隨著風俗的提高、局部碰撞系數的增加，覆冰區域和覆冰量會增加，并且隨著導線電流和環境溫度的增加，會增加輸電導線冰層的溢流水，覆冰由霧凇向雨凇轉變。

參考文獻：

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