光纤复合架空地线(OPGW)直流融冰过程与模型研究

摘要

架空输电线路覆冰给电网的安全稳定运行构成了严重的威胁。光纤复合架空地线(OPGW)兼具避雷和通信功能，在电网中应用广泛，但在覆冰条件下比同塔架设的导线更为严重，且设计强度比导线低，是输电线路冰灾防治中的一个薄弱环节。覆冰会使OPGW弧垂增大，与导线间隙变小而引起短路跳闸，甚至会引起断线、金具脱落、杆塔折断或倒塌等事故，导致电力通信的中断，影响电力系统的正常运行。
　　在应对输电线路覆冰问题中，直流融冰是一种成熟可行的技术，可以有效减轻线路的覆冰程度，减小线路覆冰对电力系统的危害，在电网中应用广泛。虽然输电导线的直流融冰技术已经相对成熟，但OPGW融冰的研究还处于初步阶段，在对OPGW进行直流融冰的过程中缺乏融冰电流的选择经验，常常会导致OPGW被烧黑、烧断、光纤衰减增加甚至断裂。因此，建立OPGW直流融冰模型，确认OPGW的融冰电流、融冰时间以及光纤温升，可以为OPGW直流融冰方案的实施提供参考和指导，对电网大面积冰灾事故的防治具有非常重要的工程应用价值。
　　本文首先根据OPGW直流融冰的物理过程，基于传热学原理建立了OPGW直流融冰的动态数值计算模型，仿真计算了冰层融化和OPGW温度场分布的动态变化过程，并对OPGW直流融冰的影响因素进行了分析。然后，通过大量的直流融冰试验对OPGW的直流融冰模型进行了验证。最后，基于仿真和试验结果提出了OPGW融冰电流的选择方法，得到了OPGW融冰电流与最大允许融冰电流的计算公式。得到的主要成果有：
　　针对两种不同型式的OPGW线路，建立了OPGW直流融冰的动态数值计算模型，考虑了OPGW内部融冰电流的分布以及融冰过程中冰层与环境之间热交换的动态变化，分析了融冰过程中空气间隙的增长过程，得到了OPGW的直流融冰时间与直流融冰过程中OPGW内部光纤温度的变化规律。结果表明：冰层融化过程中，随着OPGW与冰层温度的升高，冰层散失到周围环境中的热量增多，导致融冰速度和OPGW内部光纤温度上升的速度逐渐变慢，在脱冰时刻OPGW内部光纤温度会达到最高。
　　根据融冰过程中OPGW内部光纤温度的变化规律，对融冰时OPGW内部光纤的最高温度进行了分析和计算。融冰时OPGW内部光纤的最高温度由冰层脱落前与脱落后的温度共同决定。冰层脱落前 OPGW内部光纤的最高温度为脱冰时刻OPGW内部光纤的温度，主要受融冰电流和覆冰厚度的影响，与环境温度和风速无关。而脱冰后OPGW内部光纤的温度受环境温度和风速的影响很大。在风速较小或环境温度较高的融冰条件下，光纤的最高温度由脱冰后的光纤温度来决定。
　　依托人工气候实验室和自然覆冰试验站的试验平台开展了大量的OPGW直流融冰试验，结果表明：根据OPGW直流融冰模型得到的光纤温度变化规律与直流融冰试验结果基本一致，不同环境温度、风速、融冰电流与覆冰厚度下OPGW融冰时间以及光纤温度的数值计算结果与试验结果较为吻合。
　　在仿真和试验结果的基础上，近似计算了冰层脱落时刻OPGW与剩余冰层的温升，得到了融冰过程中OPGW内部光纤最高温度的计算公式。根据OPGW直流融冰的热平衡关系，提出了OPGW融冰电流与最大允许融冰电流的计算方法。结果表明：OPGW的融冰电流取决于风速、覆冰厚度、环境温度以及融冰时间；在环境温度较低或风速较大的条件下，OPGW最大允许融冰电流是由OPGW的覆冰厚度决定的。

目录

1 绪 论

1.1 论文的背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

2 OPGW直流融冰的物理数学模型

2.1 OPGW试品参数

2.2 OPGW直流融冰的物理模型

2.3 OPGW直流融冰的数值模型

2.4 OPGW的临界融冰条件与临界融冰电流

2.5 融冰过程中融冰时间和温度分布的仿真

2.6 OPGW直流融冰的仿真计算结果

2.7 本章小结

3 OPGW直流融冰的影响因素分析

3.1 临界融冰电流的影响因素

3.2 OPGW直流融冰时间的影响因素

3.3 融冰过程中OPGW内部光纤温度的影响因素

3.4 本章小结

4 OPGW直流融冰模型的试验验证

4.1 试验装置与试验方法

4.2 OPGW临界融冰电流试验结果与计算结果的对比

4.3 OPGW直流融冰试验结果与计算结果的对比

4.4 本章小结

5 OPGW直流融冰电流的选择方法与直流融冰方案

5.1 融冰电流与融冰时间的简化计算

5.2 OPGW融冰时最高温度与最大允许融冰电流的简化计算

5.3 OPGW的直流融冰方案

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文的结论

6.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目