分裂导线和多串并联绝缘子覆冰模型与影响因素的研究

摘要

单导线的覆冰增长机理和覆冰形成过程国内外已经进行了长期研究，对于超特高压输电线路的分裂导线，由于分裂导线之间的相互影响，其覆冰过程更为复杂，影响因素更多，但至今为止，国内外研究较少，这给超特高压输电线路覆冰预测和防冰设计带来了困惑。因此，研究分裂导线和并联绝缘子串的覆冰特性和覆冰形成过程，现场观测和调查输电线路覆冰的影响因素，对于提高超特高压电网的安全性和推动覆冰问题的研究具有重要的学术意义和工程应用价值。
　　 本文基于导线覆冰形成机理的研究结果，应用流体力学原理，建立了输电线路分裂导线覆冰过程中外部气液两相流的计算模型，分析了分裂导线和并联绝缘子串外部的流场特性，研究了分裂导线和并联绝缘子串迎风侧表面水滴的碰撞特性，通过人工气候室的模拟试验和自然覆冰试验站的现场试验，验证了模型的可行性。论文取得的主要成果有：
　　 根据空气动力学原理，建立了计算导线和绝缘子外部气液两相流场的数值模型，确定了导线表面局部碰撞系数的计算方法。根据流场计算模型，利用CFD软件仿真模拟了双分裂、三分裂和四分裂导线覆冰的气液两相流过程，分析了双分裂导线上风侧的气流速度场分布特性和上风导线尾流中空气速度场的分布特征，研究了覆冰过程中过冷却水滴与双分裂导线表面碰撞的物理过程。通过仿真计算得到了在不同风速、液态水含量、导线直径、水滴直径和不同分裂间距的情况下，双分裂导线上风和下风导线迎风侧表面水滴的局部碰撞系数。结果显示，上风导线的尾流对下风导线迎风侧表面的局部碰撞系数有很大的影响，这种影响随着分裂间距的增大逐渐变小；分析了风速、导线直径、水滴中值直径、分裂间距和攻角对上下风导线局部碰撞系数产生影响的原因，研究了气液两相流中上风导线尾流的物理特性。
　　 应用软件仿真模拟了双串并联绝缘子覆冰过程中气液两相流与伞裙表面碰撞的物理过程。仿真结果显示，在绝缘子覆冰过程中，迎风侧表面附近水滴速度和体积分数分布都要大于背风侧，并联绝缘子串会相互影响对方内侧伞裙表面附近的水滴速度和体积分数分布；提出在研究绝缘子覆冰时，可以通过绝缘子的等效直径来研究其碰撞特性，验证了绝缘子覆冰等效模型的正确性；通过仿真得到了不同间距和不通气候条件下不同试品单串和并联串的碰撞特性，仿真结果显示，不同间距和气象条件下不同试品的碰撞特性存在差异。在人工气候室模拟了多串并联绝缘子的覆冰过程。试验结果显示，风速对不同布置绝缘子串的覆冰情况有较大的影响，风速较小时，任意型号并联和单串绝缘子覆冰厚度差异较小；随着风速的增大，并联绝缘子串比单串覆冰稍严重。
　　 在雪峰山自然覆冰站实测了雨凇架、特高压试验铁塔及圆柱体覆冰厚度随高度变化的关系，通过分析得到了实测地导线、铁塔覆冰厚度的高度订正系数；在自然覆冰站及重庆市部分地区实测了不同直径导线覆冰的厚度，整理了重庆大学以往实测的覆冰数据，分析了冰厚随线径变化的关系，得到了实测地区导线覆冰的线径订正系数。