旋转圆柱体覆冰增长模型与线路覆冰参数预测方法研究

摘要

覆冰严重威胁着输电线路的安全稳定运行,自上世纪五十年代以来,我国输电线路的覆冰事故时有发生。特别是2008年初,南方地区大面积发生了有气象记录以来的最严重冰灾,给电力系统造成了严重破坏,给国家电网及南方电网造成了极大的经济损失,给人民生产、生活带来极大的不便。造成我国输电线路覆冰事故频发的原因主要有:对输电线路覆冰问题认识不足,重视不够,从而导致针对线路覆冰规律的基础研究工作的缺乏;缺乏能及时掌握线路覆冰过程的有效手段;防冰、除冰应急措施研究不够。2008冰灾之后国家投入了大量的人力、物力和财力研究输电线路覆冰问题。
　　 研究不同环境条件下的覆冰增长规律和有效的线路覆冰过程预测方法,对线路覆冰后及时采取合理的处理措施避免重大冰害事故的发生有着非常重要的意义。覆冰参数是覆冰研究的基础,研究者提出的众多覆冰预测模型都是基于覆冰过程中的覆冰参数的,然而对于覆冰参数的测量是一直都没有得到很好解决的难题,因此研究覆冰过程中的覆冰参数预测有着较大的学术意义及工程应用价值,本论文的主要工作如下:
　　 基于流体力学原理,采用数值计算对覆冰过程中的过冷却水滴碰撞特性进行了研究,得到了水滴.气流二相流的运动轨迹、速度场、及覆冰圆柱体上水滴碰撞速度分布规律等;并深入分析研究了影响过冷却水滴碰撞率的因素及其影响规律。研究结果表明,水滴碰撞率是风速、水滴大小及圆柱直径的函数。根据大量数值计算结果提出了新的碰撞率解析计算公式,与现有公式相比精度得到了较大的提高;基于热平衡模型,研究了过冷却水滴在覆冰表面的冻结特性,经推导得到了冻结系数的计算公式,并通过仿真计算深入的分析研究了影响覆冰过程中冻结系数的影响因素及影响规律;以碰撞过程及冻结过程为基础提出了旋转圆柱体的覆冰增长模型。
　　 设计了用于覆冰参数预测用的旋转多圆柱积冰器,并在大型多功能人工气候室内通过改变覆冰时间、环境温度、风速等参数对旋转多圆柱积冰器进行了大量的人工覆冰试验,对旋转圆柱体覆冰增长模型进行了验证;同时采用仿真与试验研究相结合的方式,研究了覆冰参数对覆冰量的影响规律,结果表明根据模型仿真计算得到的覆冰参数对覆冰量的影响规律与试验结果基本一致。
　　 根据旋转圆柱覆冰增长模型建立了旋转多圆柱体上覆冰量与覆冰参数关系的非线性方程组;提出了基于旋转多圆柱体上覆冰量变化,利用建立的方程组来预测覆冰过程中的覆冰参数;基于自适应的思想对差分进化算法进行了改进,并利用改进的差分进化算法对方程组进行求解从而实现了覆冰参数的预测。采用这种方法对人工气候实验室内覆冰过程的覆冰参数进行了预测,利用激光粒度分析仪、风速仪、温度仪对覆冰参数(液态水含量、水滴中值体积直径、风速、温度)进行了验证,结果表明预测结果与实测结果基本吻合。
　　 在雪峰山自然覆冰站,根据旋转圆柱体上的覆冰量变化对某次覆冰过程的等效覆冰参数进行了预测,并根据预测得到的等效覆冰参数对覆冰试验导线的覆冰量进行了估算,总的来说还是能反映导线的覆冰增长过程。