架空输电线路覆冰机理及预测模型的研究

摘要

架空输电线路覆冰是电网安全运行最为严重的威胁之一，运行经验表明，输电线路覆冰已经严重影响了电网的正常运行。覆冰引起的各类电气及机械事故给电网造成了巨大的经济损失。开展输电线路覆冰机理及预测模型的研究，对于输电线路的设计、覆冰的预报预警、防冰除冰方法的开发和电网安全运行的保证等方面，有着重要的理论意义和工程实际价值。
　　但是，目前关于输电线路覆冰形成机理的研究仍存在问题，覆冰理论不够完善，并未建立准确有效的覆冰预测模型。本文针对输电线路覆冰过程中的关键问题，系统研究了输电线路覆冰的机理及预测模型。论文主要的工作和成果有:
　　(1)首先，以流体力学理论为基础，建立了空气与过冷却水滴运动的控制方程，提出了碰撞系数的计算方法;其次，以传热学为基础，完善了现有的导线表面覆冰热平衡方程，提出了改进的冻结系数计算方法;最后，以上述计算为基础，提出了覆冰质量和形状的计算方法，建立了覆冰的预测模型，并通过实验与理论结果的对比，验证了覆冰预测模型的正确性。
　　(2)针对目前大多使用简化圆形模型代替实际导线横截面这一问题，建立了导线绞合新模型，并计算了相同外界条件下应用两种模型得到的总碰撞系数，分析了圆形模型的误差;同时，分析了导线表面形状对总碰撞系数的影响。结果表明:基于圆形模型计算的总碰撞系数要小于绞合模型，导致最终覆冰质量和覆冰形状计算结果产生较大误差;最外层导线数量决定的导线表面形状会影响总碰撞系数，并且随外界环境条件的变化而变化。因此，为保证计算结果的精确性，需使用实际绞合模型;在设计输电线路时，可以考虑选取最优的最外层导线根数和布置形式，以减小导线的覆冰质量。
　　(3)针对现有理论不适用于低风速条件下大直径导线的覆冰碰撞系数计算这一问题，通过建立包括非定常曳力项的水滴受力方程，同时考虑水滴整体尺寸分布，修正了原有总碰撞系数的计算理论;在风洞实验室内进行了多组低风速条件下大直径导线的覆冰实验，通过对比实验值和理论值，验证了修正理论的正确性。
　　(4)针对现有水滴特征尺寸无法兼顾计算简便性和高精度这一问题，提出了一种新的水滴特征尺寸—体积加权直径，该尺寸不但计算十分简便，而且具有很高的计算精度。与常用的水滴中值直径相比，体积加权直径的精密度更高，计算碰撞系数时造成的相对误差保持在10％左右;而使用水滴中值直径造成的相对误差最大可达90％，最小不到1％，变化十分剧烈。当总碰撞系数较小时，体积加权直径的精确度更高。另外，从数学角度分析了体积加权直径具有较高精确度的原因，并分析了其适用的局限性。
　　(5)首先，建立了分裂导线的覆冰模型，计算了各分导线的覆冰质量和形状，然后与单根导线的覆冰进行了对比，分析了各分导线对覆冰过程的相互影响，最后通过实验验证了分析结果的正确性。结果表明:对于分裂导线中的迎风导线，其覆冰情况与单根导线基本一致，即两者的覆冰质量、覆冰厚度和覆冰形状是基本相同的。对于双分裂导线来说，当风向与两根导线的连线不在同一直线上时，迎风导线不影响背风导线的覆冰情况，两根导线的覆冰情况均与单根导线一致，可以按照两根独立的导线分析;当风向与两根导线的连线在同一直线上时，受到迎风导线背部遮蔽区的影响，背风导线的覆冰局部碰撞系数、覆冰质量更小，覆冰厚度更薄，覆冰程度要轻于迎风导线。且这种影响会随着导线间距的增加不断减弱，背风导线的覆冰程度逐渐增强。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 输电线路覆冰及其防控技术

1．2．1 输电线路覆冰形成过程

1．2．2 输电线路覆冰种类

1．2．3 输电线路覆冰危害

1．2．4 输电线路覆冰防控技术

1．2．5 输电线路除冰技术

1．3 输电线路覆冰预测模型研究现状

1．3．1 机理模型

1．3．2 统计模型

1．3．3 预测研究存在的问题

1．4 本文主要研究内容

第2章 架空输电线路覆冰过程分析与预测模型建立

2．1 引言

2．2 水滴与导线的碰撞过程

2．2．1 碰撞系数的定义

2．2．2 碰撞系数的计算理论

2．2．3 碰撞系数的数值解法

2．3 水滴在导线表面的冻结过程

2．3．1 冻结系数的定义

2．3．2 覆冰的增长类型

2．3．3 湿增长过程冻结系数的计算理论

2．3．4 冻结系数的影响因素

2．4 覆冰预测模型

2．4．1 覆冰预测模型的建立

2．4．2 覆冰预测结果的验证

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 架空输电线横截面特征

3．3 绞合模型的建立与验证

3．3．1 绞合模型的建立

3．3．2 绞合模型的验证

3．4 基于绞合模型的总碰撞系数

3．4．1 空气流场

3．4．2 水滴流场及运动轨迹

3．4．3 总碰撞系数

3．5 导线表面形状对总碰撞系数的影响

3．5．1 空气流场

3．5．2 水滴流场及运动轨迹

3．5．3 总碰撞系数

3．5．4 表面形状影响复杂性分析

3．6 本章小结

第4章 大直径导线在低风速条件下覆冰碰撞系数的计算方法研究

4．1 引言

4．2 大直径导线在低风速条件下覆冰碰撞系数的计算方法

4．3 大直径导线在低风速条件下的覆冰实验

4．3．1 覆冰实验方法

4．3．2 覆冰实验结果与分析

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 水滴特征尺寸计算方法

5．3 体积加权直径

5．3．1 体积加权直径的定义

5．3．2 体积加权直径的计算与分析

5．3．3 体积加权直径的应用条件分析

5．4 本章小结

第6章 分裂导线覆冰的预测与分析

6．1 引言

6．2 分裂导线布置形式

6．3 分裂导线覆冰的预测与分析

6．3．1 迎风导线覆冰的预测与分析

6．3．2 背风导线覆冰的预测与分析

6．4 多分裂导线覆冰的预测与分析

6．5 分裂导线覆冰的实验验证

6．5．1 实验方法

6．5．2 实验结果与分析

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介