输电线路短路电流融冰过程的研究（可编辑）

输电线路短路电流融冰过程的研究（可编辑） 输电线路短路电流融冰过程的研究 国内图书分类号: 学校代码: 国际图书分类号: 密级:公开 硕士学位 输电线路短路电流融冰过程研究 士 生: 硕 研 究 郝银萍 导 师: 刘彦丰教授,刘璐讲师 申 请 学 位: 工学硕士 科: 动力工程及工程热物理 学 专 业: 热能工程 所 在 学 院: 能源动力与机械工程学院 答 辩 日 期: 年月 授予学位单位: 华北电力大学丘 : ..: : . ,. : : : , :华北电力大学硕学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕学位论文《输电线路短路电流融冰过程研 究》, 是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得 的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。 本声明的法律结果将完全由本人承担。 :蒜声碱锃薄 日期:?纠弓年雩月?日 作者签名 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 《输电线路短路电流融冰过程研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有,本论 文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、 使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版本,同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,允许 论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于请在以上相应方框内打“、/”: 保密口,在 年解密后适用本授权书 不保密‖ 者釜名 日期:?年弓月日 作 萍 斟师奎名 日期:训;年孑月?日 副始。 赤? 瞄.殇 镪拗叩 习侈?纠叮,摘 要 要 摘 自年我国发生大面积冰灾,使输电线路严重覆冰,给电网造成巨大损失, 成为亟待解决的问题。如何对覆冰输电线路进行融冰、除冰以降低冰灾损失, 针对 该问题,现有除冰技术有热力除冰法、机械除冰法以及其它新技术除冰法,其中, 热力除冰法现在己成为防治电网冰灾的主要方法。热力除冰技术主要是运用短路 电流加热导线,对冰进行内接触式融冰的方法。本文采用实验和理论分析相结 合的方法对圆柱型热源外覆冰柱的融化过程进行研究,研究结果对掌握输电线 路短路电流融冰过程具有借鉴意义。 鉴于真实的输电导线其电阻很小,在融冰过程中对导线通以大电流,产生一定 的发热功率。在本文的实验条件下,采用电阻较大的石墨棒代替导线,对石墨棒两 端通以直流电,研究石墨棒外覆冰柱的融冰过程。实验过程中热电偶测量冰柱内的 温度分布和温度变化情况,摄像机记录了冰柱的融化过程和界面运动情况。实验获 得了电流大小、外界环境对融冰时间的影响。 在实验结果的基础上,本文对圆柱型热源外覆冰柱的融化过程进行了理论研 究。目前,大多数文献对输电线路短路电流融冰技术的理论研究都集中于融冰电流 的选择和掌握融冰时间,方法多为简单的能量守恒。为此,本文首先采用集总参数 法,不考虑冰柱内的温度分布,对融冰过程建立能量守恒,获得融冰时间。将计算 结果与实验测量值比较发现,计算结果明显大于测量值。原因在于导线外覆冰柱的 融化过程无需整个冰柱完全融化,融冰过程中受重力作用,冰柱下移,直到石墨棒 上表面将冰柱剪破,融冰过程结束。采用集总参数法也不能获得冰柱内的温度分布 情况。 为掌握冰柱内的温度分布和界面运动规律,本文采用一维非稳态模型研究圆柱 型热源外覆冰柱的融化过程,其中的相变过程采用经典的模型描述。将模型 计算温度与热电偶测量值比较,其温度变化规律与实验结果吻合较好。但该模型假 设融化界面沿径向均匀向外扩展,计算融冰时间明显大于实验测量结果。 最后,本文对重力作用下冰柱的融冰时间进行了理论分析,考虑了外界环境对 融冰时间的影响,重力作用下的界面运动以及热阻的变化。将计算结果与实验数据 比较,两者吻合较好。 本文对圆柱型热源外覆冰柱的融化过程开展了实验和理论研究,研究成果对输 电线路短路电流融冰技术的开展具有借鉴意义。对于考虑重力影响下,冰柱 融化过摘 要 程中的温度分布和温度变化情况,本文没有深入研究,有待于后续继续探索。 :融化;短路电流;相变界面;重力;融冰时间 关键词 本研究得到教育部中央高校基本科研业务费专项资金项目和河北省自然基金 项目资助华北电力大学硕士学位论文. ,. .. , ,. , ,班 . ? . .. . . .’ , , . , ’ .,’ . . . ,, . ’, . ’ . , . ,.. ’. ,. ’ . ’ ,,华北电力大学硕士学位论文。 ’ . .’孤 . 也 , 。 , ’. 一 : ’.?。、 , , , ’ 儿 , ’. ;; ; :; 目 录 目 录 摘 要??.. .??.?.?.. 第一章绪论??.. .选题背景及意义?. .热力除冰技术简介. .融冰过程研究研究. .. 问题?.. ..融冰问题理论研究?.. ..移动界面的研究??.. .国内外研究动态?. ..相关国外研究一 ..国内研究的进展??.. .本课题研究内容? 第二章实验研究 。实验装置和实验步骤..实验装置..实验步骤.实验结果? ..实验图片..实验结果.实验结果分析 ..融冰时间的影响..冰柱下降位移的影响 冰柱融化速度的影响 .. ..冰柱内部温度分.本章小节? 第三章融冰模型的集总参数法 .集总参数法 ..方法简介..模型假设..计算方法.计算结果? .冰柱温度分布.本章小结? 第四章融冰过程的一维非稳态模型? .问题的物理描述? .数学模型? 目 录 .数值计算方法.数值计算结果与分析..融冰时间..融冰速度..冰柱内温度 分布.本章小结? 第五章重力作用下的融冰时间研究? .问题的物理描述. .能量守恒法??一 .数据分析? .小结.. 第六章结论与展望参考文献在学期间发表的学术论文和参加科研情况?一 致 谢?. 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 帚一早殖记 .选题背景及意义 我国受气候和微地形、微气象条件的影响,冰灾事故频繁发生。据不完全 统计我国输电线路自年至年底,各地高于电压等级的线路发 生过多起各种各样的覆冰灾害。以湖南电网为例,高于的线路因覆 断线或杆塔异常达处;多条线路又出现了覆冰事故, 冰跳闸多达条次, 导致倒塔基。年月日至年月日,我国华南、西南、华中和华东 出现了严重的冰雪灾害【】。这次冰雪地区先后遭受低温雨雪冰冻天气袭击, 灾 害天气持续时间长,影响范围广,危害程度大,全国有个省自治区、市 受到不同程度的影响。冰灾灾害天气使输电线路出现严重覆冰,覆冰平均厚度 达以上,最大厚度超如图.所示,远超架空线路的 的覆冰厚度【。冰灾给电网造成巨大损失,据统计全国范围内电网因冰灾停运 的电力线路多达条,停运变电站座。其中交直流线路倒塔 基,停运条;线路倒塔基,停运条;变电站停运座, 变电站停运座【。类似的冰灾在其它位于寒冷地区的国家也发生过,冰 灾是电力系统最严重的威胁。 覆冰是指积聚在物体表面的水分因冻结形成冰的一种分布相当广泛的自然 现象【。架空导线覆冰与气象学、传热学、流体力学以及电磁学等相关,受当 地微气象、微地形和导线表面条件控制的自然随机过程【。架空导线覆冰一般 发生于初冬和初春季节。根据电力系统运行、维护、设计及科研要求,架空线 路分覆冰和积雪两种情况【】。架空线路覆冰按着其对电力系统的危害程度可以 分为四类,雨凇、混合凇、雾凇和白霜;积雪则分为两类,干雪和湿雪卜引。其 中,雨凇的密度最大,达./,混合凇次之,密度在.~./。雨凇对 架空线路危害程度最大,雾凇则只有在其覆冰厚度非常大时才对架空导线构成 。 严重危害,白霜和积雪对导线几乎不构成危害【 】:过负载事故,即线路实际 覆冰对架空线路的主要危害可分为四类【, 覆冰超过设计抗冰厚度,线路覆冰质量增加、覆冰后风压面积增加,从而导致 机械和电气方面事故;不均匀覆冰或不同期脱冰引起的机械和电气方面的华北电力大学硕士学位论文 事故;绝缘子串覆冰过多或被冰凌桥接,引起绝缘子串电气性能降低; 不均匀覆冰引起的导线舞动事故。 运行经验表明:严重覆冰已经危及输电线路的安全运行。输电线路承担着 输送电力系统所需电能的重任,其翻山越岭、横跨江河分布于广阔的野外,经受 着自然界各种气候的洗礼,当大气条件合适时,导线表面将形成覆冰。导线覆 冰因为机械负荷的改变常会引起断线、倒塔、导线舞动等安全事故,给国民 经 济带来巨大的损失,因此针对输电线路覆冰及防冰开展相关研究工作成为国内 外广大科研工作者和电力系统共同关心的课题。 几十年来,国内外一直在探讨输电线路覆冰形成机理以及防止导线覆冰的 技术措施,提出了上百种防冰、融冰方法,在一定程度上减少了冰灾事故发生 概率。至今为止,国内外对此开展的研究中,短路电流融冰技术如图?所示 即热力除冰法已成为防治电网冰灾的主要方法。 图.冰灾中的覆冰导线 黎处 雾 融冰电源鹦/ 拦彰 雹二‖ 图直流融冰技术华北电力大学硕士学位论文 .热力除冰技术简介 热力除冰技术【“】,是利用附加热源或导线自身发热,使冰雪在导线上无法 积覆,或是使已经积覆的冰雪融化。热力融冰方法包括焦耳热融冰、低居里磁热 线融冰、高频脉冲融冰、便携式微波加热以及便携式蒸汽热源加热等方法。焦 耳热融冰有直流融冰和交流融冰之分,都是使用导线本身电流产生的焦耳热达 到融冰的目的,虽然消耗的能量要比机械除冰大多倍,但使用焦耳热的融冰 方法,所需人力少、除冰线路长,可得到广泛应用。低居里磁热线融冰【】是 使 用低居里点导线,这种导线制作工艺复杂,造价昂贵,而且在导线不覆冰的情 况下也存在消耗等缺点,大大阻碍其推广与研究。其他方法的使用,由于存在 各自本身特点,使用效果都不甚理想,如高频脉冲除冰技术【】,高频脉 冲电场的介电损失与集肤效应所产生的热量理论上可使公里线路上的覆冰融 化,但此技术只在实验室中对长的导线做过测试,它的高频脉冲产生的电磁 干扰会对线路通信产生很大干扰,另外需要开发特殊的感应器来提供高电压。 短路电流融冰技术】是一种焦耳热融冰方法,将单相、二相或三相导线短 如图.所示。 路形成短路电流加热导线达到融冰的目的, 热力除冰法由于具有效果显著、与被动除冰相比在导线上安装阻雪环、 平衡锤等装置使导线上的覆冰堆积到一定程度时,由风或其他自然力的作用自 行脱落科学高效;与机械除冰相比安全系数高等优点,目前是作为防治电网 冰灾的主要方法。 .融冰过程研究研究 .. 问题 从传热学角度分析,融冰问题是固液相变传热问题。国外著名学者 在 年研究并揭示了融冰过程的实质:融冰问题是以导热为主,相变过程中 伴随有潜热的移动界面导热问题,因而也称之为问题,而研究相变导热 问题的关键是确定相变过程中固液相变界面在融化过程中的移动规律,对于融 冰问题,固液界面在相变温度下,移动界面较为清晰,便于研究分析”】。华北 电力大学硕士学位论文 问题是固液相变问题研究领域中最简单的理论模型,具体描述如下见图.:融 化过程中,固液两相控制方程是非稳态导热方程,在融化的冰水界面上,认为 温度维持在理论融化温度,当冰融化成水时,吸收的潜热由水层导入冰层: 冰 水 图? 问题示意图 互 一 ? 互一 ? 望一上塑 . ? . ?三瓦以鲁鲁 已 。己 ..融冰问题理论研究 目前对融冰问题的研究方法中,常用方法有:显热熔法,热焓法,动力学法 等。 显热熔法 显热熔法是问题常用求解方法,此方法主要优点是温度可作为直接 求解的变量,缺点是具有一定的局限性,对于纯物质,相变只发生在固定 温度上,而对非纯物质,融化在一定的温度范围内发生。相变移动界面可 能不是清晰可见,而是一个两相区,因而引出热焓法。 热焓法 热焓法是指将温度和焓同时作为待求变量,此方法主要优点是焓随时间的 华北电力大学硕士学位论文 变化.是连续的,因此采用热焓法可以将固相区和液相区的控制方程统 一联合求解,来模拟相变界面是两相区的融化问题,缺点是对于相变界面 是两相区时,若相变界面内过冷度较大,模拟效果不理想,因此引出动力 学方法。 动力学方法【】 由非平衡热力学理论可知,实际的相变过程是典型的不可逆过程,是在两 此方法还处在研究阶段。 相自由能差驱动下实现, ..移动界面的研究 数值模拟中主要有固定网格法和追踪界面 对于移动边界的相变导热问题, 的坐标转换法。固定网格法【是指在对指定区域划定网格后,认为网格内的 温度均匀分布,对于处于边界处的网格,可采用外推法等方法来得到边界条件。 此方法可将融化时的移动界面问题简单化,易于理解,但界面位置捕捉不准确。 而追踪界面的坐标转换法,将物理边界转换至固定节点数的计算边界内,这样 网格数固定,而网格的长度可随物理边界的移动发生变化。采用坐标转换方法, 能准确捕捉界面位置,因而广泛应用于相变过程中的界面运动问题瞄雌?。 .国内外研究动态 对输电线路结冰融冰问题的研究已引起了全世界范围内科研人员的极大兴 趣。但由于外界环境变化莫测,输电线路的结冰融冰至今仍未有一个统一的模 型和计算标准,大多数研究者致力于输电线电流大小的控制和冰层厚度的模拟。 此外,输电线路短路电流除冰环境也有一些不尽如人意之处,主要在于:环境 因素影响过多,且不易控制,诸如环境温度,风速,风压等等;冰层分布不均, 短路电流大小不易调控和计算。作为输电线路短路电流结冰融冰的模型还没有 普遍应用,一些研究成果之间存在巨大差别。针对种种不尽如人意之处,广大 科研工作者做了大量针对相变传热传质机理的研究工作,在实验研究蓬勃发展 的同时,数值研究也取得了巨大进步,设计了许多改进的模型。华北电力大学硕士学位论文 ..相关国外研究 采用数值模拟的方法,研究了在大气环境下电线结冰随时间的变化情 况。结果表明:电线上冰的增长速度在干增长的情况下随时间先增大后减小,在湿增长 的情况下一直增大,研究获得了环境温度及风速对结冰速度的影响。 等【】对输电线路的三种去冰模型进行了论述比较,模型是以通过 传递能量为计算基础的模型,该模型在融化过程中采用简单的热平衡方程描述 冰层外表面的能量交换,模型在模型的基础上考虑了降水捕捉率和冰层外表 面的热流密度,该模型在长度方向上得以验证。模型在前两个模型的基础上考 该模型 虑了导线、水层和冰层内部的温度变化,以及界面融化过程中的吸热, 更为复杂,但只是一个理论的论述,没有得到验证。 等【】通过改变输电电流来预测冰的融化时间,将融化过程分为电 线层、冰融化后的水层、冰层和环境四个界面,运用融化过程中的移动边界理 论,同时考虑重力,风速等对融化的影响因素,对该问题建立能量平衡方程进 行数值模拟研究。研究结果表明:随着通电电流的增大,冰层开始融化时间变 短,完全融化时间也随之变短。 】对受加热的水平圆柱的表面冰层的融化过程进行了试验 ...等 和理论研究,运用融化理论来分析融化过程,尤其是冰层开始脱落的时间,结 果表明融化过程分为两个阶段,即冰层存在于圆柱周围阶段和冰层开始脱落阶 将试验数据与模型计算结果比较,验证了模型的合理 段。并且采用试验手段, 性。 等【】建立了两种通电导线防冰和除冰所需电流及热量的数学模型, 第一种模型用于计算防止通电导线结冰的最小电流密度,模型将水的倒流和热 平衡下水层引起的偏差等因素考虑在内,计算结果与风洞实验结果吻合较好。 第二种为有限差分模型,用于计算己覆冰导线除冰所需的的电流和热量,对交 流电流和脉冲电流下的焦耳热技术进行比较,最后,采用试验方法验证了上述 模型的合理性,并以函数形式分析其影响因素。 ,】采用程序,运用输电线产生的热量,在变化的天 气条件下,来模拟输电线路冰层的形成和融化过程。运用该程序,不同网格配 置代表不同环境,最佳除冰方案的选择旨在控制最小的冰层形成速度,程序 结 果能显示结冰速度及冰层表面温度随时间的变化,从而便于选择最佳除冰方案。 覆冰导线融冰过程中还存在界面的移动问题,对移动边界的捕捉增加了问 题的复杂性。和 介绍了一种针对相变移动界面的解决方 华北电力大学硕士学位论文 法??有限差分法,对于不规则形状的多移动边界的相变问题,通过坐标转换 来模拟移动边界和控制方程。该数值方法以应用于一维相变问题,包含相变间, 热源和多边界间的密度变化,并运用于解决二维问题不存在相变间的密度变 化。该数值方法对于界面间的质量能量平衡的显性处理不重复使用,目前在解 决一些相变问题和比较存在分析,半分析及数值求解的结果上证实其灵活准确。 对覆冰导线的融冰过程还有一些学者进行了试验研究,, 等【】对覆冰导线的融冰过程进行了实验研究,结果表明:低于.或高于 的直流电场对平均直径微米的冰层有减弱其冰层密度和冰层粘结力的 作用。随着过冷液滴尺寸增大,电流对冰层密度的作用将减弱,并且在电流作 用下,冰层出现树状结构,表明随着外界风速影响液滴蒸发,从而影响液滴的 凝结形状。 ..等】对在核反应堆技术中出现的移动热源融化问题进行试验研究,试 验采用水平圆柱的热源对.十八烷材料的融化过程进行了研究,测量了热源速 度和表面温度恒定热源的固液界面运动情况。并对热流密度和表面温度的效果 及固体初始过冷度的作用进行,同时也对固体融化过程中的温度变化进行 讨论,表明移动热源速度和固体融化体积的变化有关联。热源和固液界面同时 瞬时达到热平衡状态,但随时间进行,固液界面将远离热源所处位置。 ..国内研究的进展 殷水清,赵珊珊,王遵娅等【】利用年全国电线结冰及相关气象 要素台站观测资料,分析电线结冰厚度的空间分布特征,并建立利用前期冰冻 日数,前天日最低温、相对湿度、风速和降水量预报电线结冰厚度等级的 电线结冰厚度最大值在以上的地 层人工神经网络模型。结果表明: 区,在北方主要位于东北东南部、内蒙古东北部、华北中部以及甘肃南部等地, 在南方主要位于安徽东南部、江西北部、湖南南部、湖北西部、重庆南部、贵 州中部以及四川东部等地,呈东一西向带状分布。近年来,安徽黄山和江西 庐山覆冰厚度历年极大值和覆冰日数均呈增长趋势;四川峨眉山、甘肃西峰镇 的历年极大值和覆冰日数均呈减小趋势。 苑吉河、蒋兴良等】总结了目前国内外输电线路导线覆冰的研究现状。介 绍了导线覆冰造成的危害、覆冰的性质与导线舞动的机理及国内外导线防、除 冰的技术;详细阐述了导线覆冰形成的机理及模型研究。表明线路导线覆冰机 理、模型,覆冰导线舞动机理和输电线路防、除冰技术是当前国内外研究重 点; 导线覆冰为一热力学及流体力学问题,影响因素很多;研究重点应建立更准确华北电力大学硕士学位论文 的模型来描述覆冰机理,研制更加有效节能的防、除冰技术及装置。 蒋兴良,王大兴,胡建林【】研究认为输电线路短路融冰是目前最为有效的 一种除冰方法,而融冰过程中导线温升过快可能会超过导线允许温度使导线损 伤。为此,以/和/导线为试品,在人工气候室进行了大 融冰过程中,导线表面最高温度决定于冰层厚 量的融冰试验。试验结果表明, 度和融冰电流的大小,不受外界环境温度和风速的影响,并推导出导线最高温 度的计算公式。 汪佛池,杜岳凡,赵宇倩【】在分析了输电导线常见雨淞覆冰气候条件基础 上优化设计了导线成冰小室、喷水装置及导线旋转系统等。利用流体仿 真软件分析成冰小室中气流分布的情况表明,该成冰小室内部气流分布基本均 匀,可有效模拟导线覆冰过程中周围气流场分布。实测成冰小室内部风速与仿 真结果相符且喷水装置产生的水滴直径达到了自然界中毛毛雨的雨滴直径。对 钢芯铝绞线覆冰实验显示,导线表面短时内即可形成均匀致密的雨淞层,说明 该覆冰模拟系统可以有效模拟自然界中导线表面雨淞覆冰的形成过程。 顾小松,王汉青,刘和云【 以覆冰导线为研究对象,根据热平衡方程,建 立焦耳热融冰的数学模型。介绍导线覆冰的基本理论,以冰筒直径、冰平均 密 度以及冰表面平均温度作为融冰模型的输入,提出融冰临界电流这一决定融冰 能否进行的指标,用 和 混合编程编写计算融冰时间 的可视化程序,输入相关气象参数、结冰时间、电阻以及电流即可计算融冰时 间。把程序计算结果与加拿大魁北克大学冰风洞中实验结果进行对比,结果表 明:计算值与实验值的最大相对误差不超过%,验证了模型的正确性;该模 型可用于导线融冰装置融冰时间和电流的计算。 陈科,曹义华【 】依据飞行器表面液态水凝结过程的热力学理论分析,提出 了一种适用于不同环境温度的翼型结冰数值模拟方法。采用中心型有限体积方 法求解?方程来获得翼型的绕流流场,结合给出的结冰数值模拟方法对两种 典型温度下的翼型积冰情况进行了模拟。模拟所得的积冰形与文献中的实验数 据吻合良好,表明该方法的可行性,并进一步给出了翼型表面的冻结系数分布。 王军,石磊【】针对冰塞的消融问题研究相对较少的现状,基于软件 利用热力学及河冰水力学原理对冰塞的融化进行了初步模拟和探究,在已知河 段的天气、水文等情况下对河面冰塞消融进行了模拟分析,从而有效模拟冰塞 融化的状态。 赵建会,李美琼,白亚娟【 】分析了盘管冰蓄冷装置蓄、融冰过程的原理及 其特点,建立了其数学模型和物理模型,利用此模型模拟蓄、融冰过程,并对模 拟结果与实验结果进行对比分析。分析表明,所建模型与实验达到了很好的吻华北电力大学硕士学位论文 合,对小型冰蓄冷空调系统和特征参数的优化有一定指导和现实意义 魏玲,臧润清,姚秀【】本文分析了盘管外融冰问题并建立其数学模型;利 用该模型模拟了盘管外融冰过程,并对模拟结果进行了分析。分析表明,该模 型比较合理,更加接近蓄冷槽内融冰过程的实际情况;循环水量对融冰持续时 间有较大影响。所得结论可为今后蓄冷系统的优化计算分析提供理论根据。 樊玲【】基于固定网格采用焓方法对飞机机翼的融冰过程和含自然对流的结 冰过程分别进行了数值模拟。对相变传热中含自然对流的情况建立了完备的数 学模型。确定了本文数值模拟所采用的网格的生成技术,对流扩散项的离散格 式,压力修正与速度修正方法,以及非线性代数方程组的求解方法。本文模拟 的飞机机翼融冰过程为无自然对流的相变传热过程,将控制方程中自然对流部 分简化,然后分别对三种不同冰形的融化过程进行了数值模拟。采用含自然对 流情况的数值模拟方法对方腔内水的结冰过程进行了计算,研究了网格疏密和 计算时间步长对计算结果的影响,并将计算结果与相关文献的实验结果进行了 对比,结果吻合良好,表明自然对流对结冰过程的影响较大。 范松海【】根据我国电网覆冰的现状,在分析导线融冰机理的基础上,应用 了传热学的原理建立了导线融冰的物理数学模型,分析了风速、环境温度以及 覆冰状况对导线融冰的影响,并分别在人工气候室和自然覆冰试验站对模型仿 真结果进行了验证。分析了输电线路导线短路电流融冰的物理过程,建立了椭 圆形覆冰导线短路电流融冰的物理数学模型。通过对融冰过程中移动的融冰边 界作椭圆形等效处理,采用有限元和有限差分方法,解决了椭圆形覆冰导线融 冰过程中的问题并提出了计算方法,仿真分析了融冰导线表面温度分布的 动态变化过程,提出了融冰时间、融冰电流以及融冰导线表面最高温度的计算 方法。分析了椭圆形覆冰导线短路电流融冰的各种影响因素,结果表明,风速、 环境温度和覆冰厚度对导线短路电流融冰均有明显的影响,同时,覆冰的截面 形状也对融冰时间有影响,导线覆冰质量相同时,融冰时间与覆冰截面的偏心 率成反方向变动关系,当导线覆冰的偏心率最小,即覆冰导线的截面为均匀圆 形时融冰时间最长。 综合以上文献,目前国内外对覆冰导线融冰问题开展了大量的理论和试验 研究工作,主要获得了所需短路电流以及融冰时间随环境温度、冰层厚度、 风 速的变化情况,但存在以下不足:没有分析融冰导线的动态温度特性和温 度分布情况;未考虑界面运动情况和相变的动力学条件,即假设融化过程 中冰水界面温度为?,而实际的融化过程中,根据动力学条件,界面温度应略 高于。;模型大都忽略了冰层重力对融冰过程的影响,而实际冰层由于自 身重力的作用不断下移,引起空气间隙沿导线表面分布不均匀,从而导致冰层 华北电力大学硕士学位论文 内表面的融冰速度不等。 .本课题研究内容 本课题研究的主要内容包括: 搭建实验平台,对输电线路短路电流的融冰过程进行模拟实验研究, 目的在于通过模拟融冰环境来获得热力融冰技术对融冰过程的影响,并得到融 冰过程中影响融冰时间的影响因素及冰柱内部的温度分布,从而供理论研究作 参考。 对圆柱型石墨棒外覆冰柱的融化过程,采用集总参数法建立能量守恒 方程式,计算融冰时间,并理论分析影响融冰时间的主要因素。 分析短路电流的融冰过程,建立覆冰导线融冰过程的数学模型:不考 虑重力的影响,将覆冰导线的融冰问题划分为导线区、水层、冰层,应用导热 微分方程,建立描述温度分布的数学模型,在融化界面上考虑相变的动力学条 件,在冰层表面考虑与周围环境的换热条件。采用控制容积积分法进行方程离 散,运用坐标转换进行界面捕捉,采用语言编写程序,对数学模型 进行数值求解,掌握覆冰导线融冰过程中的温度动态特性和温度分布情况和界 面运动特征。理论分析影响温度场及界面运动状况的主要影响因素,如:短路 电流大小、风速、环境温度、冰层厚度等。 针对圆柱型热源外覆冰柱的融化过程,考虑重力影响下的界面运动以及 热阻的变化,在静止和气流流速“。./的工况下,运用能量平衡方法,来计算 不同通电电流下的融冰时间,并与实验结果,集总参数法和一位非稳态研究方法计 算结果相对比,分析重力作用对融冰过程的影响。华北电力大学硕士学位论文 第二章实验研究 弟一旱头垭研艽 在研究输电线路短路电流融冰实验过程中,蒋兴良,王大兴等人【】认为,输 电线路短路融冰是目前最为有效的一种除冰方法。本章以石墨棒替代导线通以 直流电流对圆柱型热源外覆冰柱的融冰过程进行实验研究,对融冰时间的影响 因素进行分析,对整个融冰过程进行可视化观测,同时掌握冰柱内部的温度分 布情况,目的在于对影响融冰时间的各种因素进行控制及掌握融冰的相变机理, 为理论研究提供依据。 .实验装置和实验步骤 本章通过搭建实验平台来实现对覆冰导线短路电流融冰过程进行模拟研 究,实验筹备过程中,本实验采用长度为,直径分别为和 的石墨棒替代产生一定焦耳热的覆冰导线,电流由直流稳压电源提供。 ..实验装置 在模拟融冰实验过程中,所需主要实验装置有:石墨棒,直流稳压电源, 型热电偶,数据采集系统,数码相机,热线风速仪等。实验装置示意图见图 .。华北电力大学硕士学位论文 图实验装置示意图 其中,直流稳压电源采用兆信.,输入电压%,~, ~,输出电压~,显示精度士%;热线风速仪采用 输出电流 ..,风速测量范围:~/,测量精度:读数的士%或士./。 实验步骤 .. 在本实验中,对石墨棒通以直流电,产生的恒定热流提供给石墨棒外覆冰 柱融化所需热量。具体实施步骤如下: 在不同直径石墨棒外冻以一定厚度冰柱,并在冰柱内布置好热电偶测点, 将冰柱水平放置三角支撑架上,直流稳压电源连接石墨棒两端,同时调节好 通 电电流; 通电开始前记录冰柱内各测点的初始温度,打开电源,记录测点温度随 时间的变化,同时采用摄像机对整个融冰过程进行观测;打开电源,开始融 冰, 在指定间隔时间记录热电偶测点温度,并同时用摄像机拍摄融冰时的界面位 置; 融冰过程结束,关掉电源,记录融冰完成时 当冰柱从石墨棒表面脱离, 间;当模拟在对流工况下的融冰过程时,将风扇放置在石墨棒水平位置,采用 , 热线风速仪获得风速。华北电力大学硕士学位论文 .实验结果 ..实验图片 实验过程中采用摄像机对整个融冰过程进行了观测。图.虱.所示为实 验记录的融冰过程图像。图 :/图. ./华北电力大学硕士学位论文 图 / 图./ 上图中可以看出:融冰过程进行时,靠近石墨棒上表面的冰层首先融化,随 以 后,由于冰柱受重力的影响,冰柱整体下移,在石墨棒下表面与冰柱间形成椭 圆型 空气隙。整个融冰过程实际为石墨棒上表面与其接触冰层的接触融冰过程, 直至石 墨棒将冰柱剪破,融冰过程结束。 ..实验结果 将实验拍摄图片利用软件进行定量分析,可获得冰柱的瞬时位移 ’ 以及融冰速度。 图即为软件截图截取的实验图片,在里打开图片显示 效果为图示效果。如图所示,在图片上选取两个坐标点红色圆点,一个为石 墨棒中心位置坐标为,,与中心水平平行的石墨棒边缘为另一坐标点, 华北电力大学硕士学位论文 。每一张图片的石墨棒位置是相对固定的,由此,可以获得冰柱的位移,并 计算出界面运动速度。 图 软件截图 表一~.为采用直径分别为和石墨棒在不同工况下对图片分 解获得的冰柱位移及其界面运动速度,冰柱位移以表中石墨棒上表面的冰柱 厚 度表征。 表 石墨棒 ./ 表 石墨棒 。/华北电力大学硕士学位论文 表 石墨棒/ / 表 石墨棒 ./ 表 石墨棒 ./ 表 石墨棒 ./ 华北电力大学硕士学位论文 表 石墨棒 ./ 表. 石墨棒/ 。/ 华北电力大学硕士学位论文 .实验结果分析 ..融冰时间的影响 通过实验测得石墨棒外覆冰柱的融冰时间,表.所示为直径为、 石墨棒外覆冰柱融冰时间。 表.融冰时间 通过上表可知,石墨棒直径越细,通电电流越大,外界风速越大,融冰时 间越短,融冰越快。 ..冰柱下降位移的影响 用分析实验图片后得出的数据,直接根据数据很难分辨出融冰速 度及冰层厚度的变化规律,因而对数据绘图整理,可得融冰规律。图.为 石墨棒在不同通电电流工况下冰层厚度随时间的变化规律 星 ;?筋孔毖幻鸺惦?他们石墨棒/华北电力大学硕士学位论文 石墨棒“./ 图.冰层厚度随时间变化示意图 .可知,在融冰过程中,通电电流越大,外界风速越大,融冰时间 由图 越短,冰层下降位移越大。 冰柱融化速度的影响 .. 以石墨棒为例,经过计算分析,当通电电流为时融冰平均速度为 ./,通电电流时融冰平均速度为./,通电电流时融 冰平均速度为./,通电电流时融冰平均速度为./。在 气流流速./条件下通电电流为时融冰平均速度为./,通 电电流时融冰平均速度为./,通电电流时融冰平均速度为 ./,通电电流时融冰平均速度为./。图.为冰柱在 静止和气流流速%./工况下的融冰速度随时间的变化示意图:华北电力大学 硕士学位论文 . 星 \/ 石墨棒/ ‘窨 \ 星 \/ 一石墨棒./ 图?通电电流对融冰速度影响示意图 由上图分析可知,石墨棒直径时,通电电流越大,外界风速越大, 融冰时间越短,融冰速度越快。 。..冰柱内部温度分 在融冰实验操作过程中,对冰柱内的不同位置处安有热电偶测点来记录指 对于直径为石墨棒,冰柱厚度为,每隔华北电力大定时间间隔时的温度分布, 学硕士学位论文 处设立一测点,共设立五个测点,对于直径为石墨棒,冰柱厚度为 ,每隔设立一测点,共设立六个测点。表~分别为实 验测得的冰柱内温度分布示意图。 一石墨棒,,/ .. . 石磨棒,,./ 华北电力大学硕士学位论文 石墨棒,,./ 图冰柱内部温度分布 由图可知,在冰柱融化过程中,图,中的测点, 中的测点为冰柱外表面温度分布,在整个融冰过程中,各冰层位置处测点温 度 随时间推移均呈上升趋势,靠近石墨棒处的测点温度和处于冰层表面处的测 点温度 均高于冰层内部测点,靠近石墨棒处的测点由于最先接触热源,冰层表处的测点由 于处在相对较高的环境温度中,吸收对流换热,因而温度均高于冰层内部各测点温 度。 .本章小节 本章主要用石墨棒代替导线,搭建实验平台,对石墨棒外覆冰柱的融冰过 程进行实验研究,通过改变通电电流,在静止工况和对流工况下对直径为 测得石墨棒外覆冰柱的融冰时间,并拍 和石墨棒外覆冰柱进行融冰实验, 摄冰柱的融冰过程,最终获得融冰时间,融化过程中冰柱下降位移和冰柱的融 冰速度,为之后的理论研究提供可靠实验数据,对更深入的融冰理论分析具有 一定的参考价值。华北电力大学硕士学位论文 第三章融冰模型的集总参数法 本章在实验研究的基础上,采用集总参数法,通过能量守恒方程式来计算不同 通电电流下的融冰时间。研究内容主要包括:运用集总参数法,计算不同通电 电流在静止和气流流速./的工况下的融冰时茸;对所得结果进行数据 分析,得到影响融冰时间的因素。 .集总参数法 ..方法简介 集总参数法是指当固体内部的导热热阻远小于其表面的对流换热热阻时,固 体内部的温度趋于一致,以致可认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度下,所要 求解的温度仅是时间的一元函数而与坐标无关,从而可以忽略物体内部导热热阻的 简化分析方法。对非稳态导热问题无量纲特征数毕渥数历表征物体内部导热热阻与 物体表面对流换热热阻比值,针对圆柱形物体,集总参数法适用范围是:;?.。 ..模型假设 现有文献对覆冰导线短路电流融冰过程的理论研究大多采用了简单的集总参 数法,即认为通电导线产生的发热量与冰柱完全融化所需的融化潜热相等,从而获 得理论融冰时间。图.为圆柱形热源外覆冰柱的融冰模型。华北电力大学硕士学位论文 /一 /冰 \\. \ /, 、 /刍墨 / ? ??,/ 图融冰模型 运用集总参数法计算融冰时间时,假设如下: 融冰过程中认为内热源发热均匀; 融冰过程中忽略冰柱外表面的辐射换热,仅考虑对流换热的影响; 融冰过程中忽略重力作用对融冰过程的影响。 ..计算方法 对圆柱形热源外覆冰柱的融冰过程,根据能量守恒, 提供给冰柱整体融化的 热 量来自于通电电流产生的焦耳热以及表面的对流换热量:一印? . ,:.杉:弦万.。一.三 . .,式可以得出: 由 ,一旦垄垒。二堡:垃 . 一? 式中: 厂通电电压,; ,通电电流,; 卜融冰时间,; 。 彳??对流换热面积,.。. 计算过程中所需参数数值见表?。 华北电力大学硕士学位论文 表.计算公式所需参数取值 .计算结果 采用集总参数法计算融冰时间见表、表。 表集总参数法计算融冰时间石墨棒 华北电力大学硕士学位论文 表集总参数法计算融冰时间石墨棒 由表.、表.可以看出:通电电流越大,融冰时间越短;对比静 止工况和对流工况下的融冰时间可知,对流工况下的融冰时间比静止工况下 的融冰 时间短。对比表.和表.的融冰时间可知,石墨棒外覆冰柱的融冰时间 比石墨棒外覆冰柱的融冰时间长,原因在于石墨棒直径越大,电阻越小,因 而相同通电电流产生的焦耳热越小,融冰时间越长。 .冰柱温度分布 采用集总参数法可获得冰柱平均温度从初始温度一。上升到融化温度 。 融化进行时冰柱的平均温度则维持在融点温度 过程中的温度变化情况, 对冰柱平均温度上升过程列能量守恒方程式: ,挈:.丁 引入过余温度: ? 将式.代入.,可得: ‘竽:? 初始过余温度:一疋一。?。一。,取时间步长,通过迭代 计算可以获得冰柱平均温度上升所需时间,具体计算结果见表.。 华北电力大学硕士学位论文 表冰柱平均温度上升所需时间 采用公式.迭代计算获得通电电流分别为,,,的工况下的 冰柱平均温度变化如图.所示。 /.、 . \/ . 石墨棒 一 . ~ 一 ?石墨棒 图冰柱平均温度变化 华北电力大学硕士学位论文 对覆冰导线融冰过程的计算目前多采用集总参数法估算融冰所需时间。运用集 总参数法可以获得冰柱整体融化所需时间,并能对影响融冰时间的主要因素,包括: 通电电流、覆冰厚度、环境温度、环境风速等进行定性分析。但该方法对冰柱内温 度分布特征,以及界面运动情况缺乏了解。并且实际覆冰导线的融冰过程也无需整 个冰柱完全融化,因此,实际所需融冰时间短于理论计算结果。 .本章小结 本章运用集总参数法,对圆柱形热源外覆冰柱的融冰时间进行理论求解, 并获得了冰柱平均温度上升的图线。但该方法对冰柱内温度分布特征,以及存 在的界面运动情况缺乏了解。同时实际覆冰导线的融冰过程也无需整个冰柱完 全融化,故本章所得的理论结果过于简化,在后续章节对以上两点问题进行深 入探讨。华北电力大学硕士学位论文 第四章融冰过程的一维非稳态模型 本章对圆柱型热源外覆冰柱融化过程的温度分布建立一维非稳态模型,考虑了 通电电流产生的焦耳热,冰柱融化过程中表面的对流换热,冰柱内部的传热,以及 冰水界面的运动情况,但模型忽略了重力对冰柱融化过程的影响。对控制方程和定 解条件采用控制容积积分法进行离散,并采用法【三角对阵算法进行 数值求解。 .问题的物理描述 石墨棒表面覆有一定厚度的冰柱,对石墨棒通以直流电流来模拟覆冰导线融冰 过程。在融冰过程中,仅考虑温度沿径向分布,对石墨棒外覆冰柱融化过程建立一 维非稳态模型,来模拟冰柱在融化过程中的温度变化。模型假设如下: 忽略冰柱融化过程中与外界的辐射换热; 忽略轴向的导热,仅考虑温度沿径向变化; 石墨棒的通过电流是发热均匀的,且在融冰过程中石墨棒电阻恒定; 不考虑重力对融冰过程的影响。 图所示为冰柱融化过程模型示意图。其中模型为融冰开始前阶段,模型 中存在石墨棒和冰层两个区域,模型为融冰阶段,模型中存在石墨棒,水层和冰 层三个区域。华北电力大学硕士学位论文 /一 /冰 /, 伍墨\ 融冰开始前阶段 融冰阶段 图模型示意图 图中: ??石墨棒半径,; 尺。 。??冰水界面半径,; 冰柱外表面半径,; %?? 口??气流速度,/; 乃??环境温度,。。 .数学模型 针对模型,模型内包含石墨棒和冰层两个区域。 石墨棒内的能量方程为: . 展:以一孚 丁 式中: , 击??体积内热源,击:一,/; ,??通电电流,; 己厂??通电电压,; 矿??石墨棒体积,。