电流融冰过程中导线表面温度特性及其影响因素的研究

论文摘要

输电线路是电能传输的重要设备,线路覆冰给电力系统的安全稳定运行造成严重威胁。到目前为止,国内外还没有一种理想的针对输电线路的除冰防冰方法,相对而言采用短路融冰方法具有融冰速度快、融冰效果好等优点,是防止电网发生冰灾的可行方法之一。在融冰过程要求输电线路温度高于临界融冰温度,又不超过线路的允许温度范围,是目前没有很好解决的技术难题。因此展开对融冰过程中导线表面温度特性的研究,能保证输电线路有效融冰且确保融冰过程中不损伤导线,是合理设计电流融冰装置、因地制宜实施融冰方法的技术基础,为电网快速有效除冰提供必要的保证。本文依托国家重点基础研究发展计划项目(973项目:2009CB724501)和“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAA02A19),以我国输电线路所采用的两种典型导线为例,在大型多功能人工气候室中模拟输电线路自然覆冰进行短路电流融冰试验,利用电流发生器、桥式整流器和高精度实时温度监测系统,对交直流短路融冰过程中导线表面温度特性进行试验研究。论文分析了短路融冰的临界条件,建立了临界电流融冰的数学物理模型,研究各种因素对临界融冰电流的影响规律,并提出了临界融冰电流的计算公式。结合短路电流融冰的热平衡过程,建立电流融冰的数学物理模型,利用控制体积法对融冰过程中导线表面温度分布进行数值计算,分析了各种因素(空气间隙、风速、环境温度、覆冰均匀程度等)对导线表面温度分布的影响规律。并对融冰过程导线最高温度特性及其影响因素进行分析。研究表明:在临界融冰状态导线表面的温度始终保持0℃,若要进行短路电流融冰,融冰电流必须要大于临界融冰电流。临界融冰电流随着风速的增大而增大、随环境温度的降低而增大,而与冰层厚度的大小关系不明显。临界融冰电流的计算结果与试验结果基本一致,其相对误差为1%~9%。融冰开始后,随着空气间隙的产生,导线表面温度分布不均匀。导线上表面温度始终为冰层融化的温度,导线下表面温度随着空气间隙的增加而增大,当冰层从导线上脱落的时刻导线温度达到最高。在融冰过程中,冰层的内表面始终为冰水混合物,其温度为0℃。通过本文建立的椭圆形短路电流融冰模型,分析了空气间隙是影响导线温度分布的主要因素;风速和环境温度的变化仅影响冰层的融化速度,对导线表面温度分布没有影响,只是通过影响空气间隙变化快慢间接地影响导线表面温度的温升速度;同时导线覆冰的均匀程度对导线表面温度分布也有一定的影响。经数值计算得到的温度特性曲线与试验数据对比其结果基本吻合。通过分析,导线表面温度只取决于融冰电流和空气间隙而与外界条件无关。结合传热学理论,提出了计及融冰电流和冰层厚度影响的导线表面最高温度的计算公式,并可采用本文提出的方法计算最大允许融冰电流。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 采用的符号与常数
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 输电线路防冰除冰方法概述
• 1.2.2 短路电流融冰方法与模型
• 1.2.3 电流融冰过程导线温度的研究
• 1.3 论文研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 2 试验装置、试品及方法
• 2.1 试品
• 2.2 试验装置
• 2.3 试验原理及方法
• 2.3.1 试验原理接线
• 2.3.2 试验方法
• 2.4 参数测量
• 2.5 本章小结
• 3 短路电流融冰的临界电流分析
• 3.1 临界融冰条件的确定
• 3.2 临界融冰电流的影响因素分析
• 3.2.1 环境温度对临界融冰电流的影响
• 3.2.2 风速对临界融冰电流的影响
• 3.2.3 覆冰均匀程度对临界融冰电流的影响
• 3.2.4 冰层厚度对临界融冰电流的影响
• 3.3 临界融冰电流试验验证
• 3.4 本章小结
• 4 短路电流融冰过程中导线表面温度分布
• 4.1 短路电流融冰数学物理模型
• 4.2 短路电流融冰导线表面温度分布计算
• 4.2.1 融冰模型的离散化
• 4.2.2 单元的热平衡方程
• 4.2.3 数值计算及结果分析
• 4.3 短路电流融冰导线温度特性试验验证
• 4.4 短路电流融冰导线温度分布的影响因素分析
• 4.4.1 空气间隙对导线温度分布的影响
• 4.4.2 环境温度和风速对导线温度分布的影响
• 4.4.3 覆冰均匀程度对导线温度分布的影响
• 4.5 短路电流融冰导线表面最高温度试验验证及分析
• 4.6 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目目录及获得的奖励