輸電導線覆冰生長及影響因素數值分析模型

朱永燦,黃新波,,賈建援,田毅,林淑凡

(1.西安電子科技大學機電學院, 710071, 西安;2.西安工程大學電子信息學院, 710048, 西安)

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輸電導線覆冰生長及影響因素數值分析模型

朱永燦1,黃新波1,2,賈建援1,田毅1,林淑凡2

(1.西安電子科技大學機電學院, 710071, 西安;2.西安工程大學電子信息學院, 710048, 西安)

針對現有輸電線路覆冰生長模型僅注重覆冰生長量、難于準確預測覆冰形貌的問題,建立了輸電導線局部冰層增長計算模型。采用空氣動力學方程求解覆冰導線周圍氣流場參數、覆冰表面對流換熱系數,進而采用歐拉二相流模型計算覆冰導線表面過冷卻液滴碰撞系數;建立包含液滴碰撞、溢流、蒸發、升華等因素的質量平衡方程,基于此方程推導出計算對象熱量平衡方程,并采用多級假設、一維搜索求解方程中多個未知量,得出各單元的凍結系數和覆冰質量。算例表明:局部碰撞系數及碰撞區域隨風速的提高快速增大,覆冰量相應增大;而環境溫度及導線電流的增加使得溢流水出現,覆冰類型由霧凇向雨凇過渡;模型所得覆冰形貌和覆冰量與已有實驗結果基本相符,計算結果滿足電力系統工程需要。

輸電線路;覆冰;數值模型;兩相流模型;質量平衡

覆冰作為一種特殊的氣象現象,給世界各地的架空線路安全運行造成嚴重影響,加拿大、挪威以及我國都曾遭受災難性的覆冰事故,其中挪威1961年覆冰事故中橢圓形覆冰的最大截面直徑達到了1.4 m,1 m導線的覆冰質量達到了300 kg[1-2]。2008年初,我國南方地區發生長時間凍雨覆冰災害,僅220 kV以上桿塔受損1 500多基,經濟損失超千億元[2-3]。

為此,國內外科研人員針對電力系統覆冰進行了大量研究。Makkonen模型將覆冰生長分解為過冷卻液滴的碰撞、捕獲、凍結3部分,通過熱量平衡方程對覆冰生長參數進行分析[4-5],該思路為覆冰生長分析以及以熱平衡為基礎的防、融冰技術發展奠定了基礎。蔣興良等人多年來一直從事輸電線路的覆冰理論及試驗研究[6-7],在輸電線路抗冰設計等方面取得了大量研究成果。黃新波等基于覆冰監測數據,采用灰色理論等智能算法,量化各氣象參數對覆冰生長的影響,進行覆冰增長預測[8-10]。郝艷捧等針對電力絕緣子覆冰生長開展仿真模型與試驗分析[11-12]。梁曦東等分別建立覆冰生長仿真分析方法,對導線覆冰生長過程進行數值研究[13-14]。上述研究大都將覆冰導線視為一個整體,忽略了溢流水、導線焦耳熱、導線溫度等因素對覆冰局部生長的影響,預測模型僅注重了覆冰生長量,不能準確預測覆冰形貌,而覆冰形貌決定了氣流場、過冷卻液滴碰撞系數、熱平衡等覆冰生長直接影響因素,因此上述方法必然存在計算誤差。

本文以局部質量平衡和熱量平衡作為覆冰增長分析依據,采用多級假設、一維搜索的方法得到各單元的凍結系數、溢流水質量等參數,進而得到隨時間變化的覆冰質量、覆冰形貌,有助于提高覆冰的預測精度。

1 輸電導線結冰過程數值模擬方法

1.1 覆冰生長計算模型

輸電線路覆冰過程涉及到多門學科的交叉,如流體力學、傳熱學、結構力學等,建立完善的覆冰增長模型是非常困難的。覆冰導線表面局部單元k隨時間的冰層增量可表示為

(1)

式中:Ik=mim,k+mfi,k-mes,k為進入到單元內的過冷卻水質量,mim,k為過冷卻液滴的碰撞質量,mfi,k為其他單元流入的液態水質量,mes,k為單元內蒸發、升華引起的質量損失;a3,k為凍結系數。

1.2 覆冰生長計算流程

覆冰生長求解過程可分解為空氣流場求解、表面過冷卻液滴碰撞系數計算、凍結系數計算、覆冰外形生成4個部分,模擬流程如圖1所示。

2 空氣及液滴流場數值求解

2.1 空氣流場求解

(2)

2.2 歐拉二相流碰撞模型

液滴流場的計算主要有拉格朗日法和歐拉法。歐拉二相流模型基于多相流思想,將液滴視為連續相,采用體積分數描述流體的含水量,并在氣流流場求解基礎上求解水滴碰撞,不需要計算單個水滴的位置和軌跡,避免了大量的插值計算。過冷卻液滴運動的連續性方程和動量方程為[16]

(3)

(4)

式中:a為空氣中液滴的體積分數;V為水滴的速度矢量;Va為空氣的速度矢量;K為慣性參數;Red為過冷卻液滴的雷諾數;CD為阻力系數;ρw為液滴密度;Fr為弗勞德數;g為重力加速度。

覆冰導線的局部液滴碰撞系數為

(5)

式中:a∞為來流初始液滴體積分數;V∞為來流速度;n為單元的表面法向量。

3 輸電導線覆冰生長模型及其求解

3.1 覆冰過程溢流水

如果區域內過冷卻液滴與覆冰表面發生碰撞后全部凍結,沒有溢流水發生,則認為覆冰局部干增長,形成的覆冰為霧凇,有a3,k=1、Tw,k<0 ℃(Tw,k為單元k的壁面溫度)成立;如果局部區域內液滴未完全凍結,有溢流水存在,則認為覆冰濕增長,形成雨凇,有0

圖2 覆冰過程過冷卻水溢流示意圖

3.2 結冰過程中的質量平衡及能量平衡

3.2.1 質量平衡方程 如圖3所示,單元k的質量守恒方程為

(6)

式中:mfo,k為單元內流出的液態水質量;mice,k為單元k最終凍結成冰的質量。

式(6)中變量之間的關系為

(7)

式中:a3,k為局部凍結系數;w為單位體積空氣液態水質量;Ak為單元冰面面積;τ為水蒸氣與干空氣分子質量比;hk為局部對流換熱系數;ew,k為壁面溫度對應的飽和蒸汽壓;ef為環境溫度對應的飽和蒸汽壓;cf為空氣定壓比熱容;pf為靜態空氣壓強;a2,k為局部單元液滴附著系數。覆冰過程中,過冷卻液滴與冰面發生有效碰撞時,液滴迅速凍結,只有極少量發生反彈;當冰層表面有水層存在時,液滴會在表面鋪開或者粘附,一般不會發生反彈,因此通常認為a2,k≈1。

3.2.2 能量平衡方程 單元內覆冰生長過程熱平衡方程可表示為[17-18]

Qcq,k+Qes,k+Qfo,k+Qice,k+Qim,k+Qfi,k+QJ,k=0

(8)

式中:Qcq,k為單元表面與空氣換熱、熱輻射損失;Qes,k為單元表面蒸發、升華熱量損失;Qfi,k、Qfo,k分別為單元流入、流出的溢流水引起的能量變化;Qice,k為液滴凍結釋放的潛熱;Qim,k為碰撞到結冰表面的液滴引起的能量變化;QJ,k為傳導到結冰單元的導線焦耳熱。

Qcq,k包含了對流換熱損失和熱量輻射損失兩部分,計算公式為[17-19]

(9)

式中:Tf為流體溫度;δ為結冰表面相對于黑體的總輻射系數;σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數。

圖3 覆冰過程熱量、質量平衡示意圖

由過冷卻水滴碰撞引起的能量變化主要包含兩個方面:一是過冷卻液滴附著后溫度升高到參考溫度引起能量變化;二是液滴撞擊后速度變為0,液滴動能的轉化。其表達式為

(10)

式中:cw為液滴定壓比熱容;T0=0為參考溫度。

流入單元的溢流水帶來的是熱量變化,即

(11)

導線負荷電流產生一定的焦耳熱,并通過冰層傳導到覆冰表面。由于鋁質導線的導熱率很高,可以認為導線本體各處溫度相同,圓筒形覆冰導線傳輸到單元k的熱量可表示為

(12)

式中:Tc為導線溫度;rc為導線半徑;λi為覆冰層的熱導率;ri,k為當前覆冰層厚度,其值由每次覆冰厚度增加量疊加得到;A為冰面總面積。

覆冰過程為準熱平衡過程,假設在覆冰過程中導線及冰層溫度不變,導線焦耳熱全部通過冰層傳輸到覆冰表面,各單元總的熱傳導值可表示為[6]

(13)

式中:I為導線負荷電流;RAC,Tc為溫度是Tc時的導線交流電阻。

液滴凍結成冰的過程中釋放大量潛熱,并逐漸與壁面溫度達到一致,因此Qice,k包含了凍結潛熱與冰層降溫兩種熱量變化,可表示為

(14)

式中:Lice為冰的凍結潛熱;cice為冰的定壓比熱容。

流出的溢流水引起的能量損失

(15)

升華和蒸發引起的熱量損失

(16)

式中:Les為蒸發潛熱。

3.3 能量平衡方程求解

將式(9)～(16)帶入式(8),得

mfi,kcw(Tw,k-1-T0)+cwmim,k(Tf-T0)+

mice,kcice(T0-Tw,k)-mfo,kcw(Tw,k-T0)=0

(17)

式(17)中hk、mim,k通過空氣流場及液滴流場獲得,mice,k、mfo,k可由a3,k、mfi,k表示,所以式(17)是關于a3,k、mfi,k、Tw,k、Tw,k-1、Tc5個未知量的方程,無法直接求得解析解,因此采用多級假設、一維搜索的方法進行求解,計算步驟如下。

(2)k=1時該單元沒有溢流水和液滴撞擊,有mim,k=0,mfi,k=0,mice,k=0成立,轉步驟(3)。

(3)假設單元中液滴部分凍結,單元內覆冰濕增長,Tw,k=T0,根據熱平衡方程求解a3,k,轉步驟(4)。

(4)根據a3,k的值,存在3種情況:0

通過上述步驟可得各單元的結冰質量,進而根據Macklin密度模型求得單元的覆冰體積增量。

4 輸電導線覆冰計算與分析

算例1:選用LGJ210/25導線為覆冰對象(簡化為等直徑光滑圓柱),直徑19.98 mm、20 ℃時直流電阻率為0.138 0 Ω/km,假設覆冰時的大氣壓強為101.325 kPa,環境溫度為-15 ℃,風速為5 m/s,氣流方向與導線走向垂直,攻角為0°,空氣中液態水含量(LWC)為1.2g/m3,液滴中值直徑(MVD)為35 μm,導線電流為0。

算例2:保持算例1條件不變,設置流場溫度為-4 ℃,風速為10 m/s,導線負荷電流為150 A。

在未覆冰條件下,算例1、算例2導線表面局部單元的a1,k及LWC分布如圖4所示。受導線阻尼作用影響,導線迎風側各處的液滴分布差異很小,導線背風側LWC為0,LWC最大值出現在氣流分離點附近且在氣流分離點之后迅速降低為0。a1,k沿y軸大致呈拋物線形狀,最大值出現在迎風側駐點處。與算例1相比,算例2氣流分離點后移,過冷卻液滴發生有效碰撞的區域增大,迎風側LWC值略有下降,但液滴的動量增大使其更容易與導線發生有效碰撞,a1,k相應增加。

圖4 未覆冰導線a1,k及液態水含量分布

如圖5所示,算例1空氣溫度低,過冷卻液滴與導線發生有效碰撞后迅速凍結,沒有溢流水產生,生成霧凇覆冰,冰形大致呈現x軸對稱。算例2環境溫度高,導線電流產生一定的焦耳熱,液滴與導線發生碰撞后不能迅速凍結,產生溢流水,生成的覆冰主要為雨凇,未凍結液體由上至下流動,覆冰增長向y軸負方向偏移。

圖5 算例1、算例2在10 min時覆冰冰形

算例3:為了與文獻[14]結果進行對比,選擇與其相同的覆冰條件,各參數為:導線直徑為34.9 mm,導線電流為0 A,環境溫度為-5 ℃,風速為10 m/s,LWC為1.8 g/m3,液滴中值直徑為26 μm。本文數值模擬與文獻[14]30 min時結果如圖6所示。本文液滴發生有效碰撞區域略小于文獻[14]結果,覆冰區域稍小;另外,由于本文規定了未凍結液滴的溢流方向,得到的冰形輪廓更加圓滑。總體來說,本文數值模擬結果與文獻[14]冰層厚度及輪廓基本一致,覆冰量誤差小于6%。

圖6 算例3在30 min時覆冰冰形

5 結 論

(1)基于質量平衡和熱量平衡方程建立了輸電導線局部覆冰增長仿真模型。增加溢流水、覆冰表面溫度、負荷電流、導線溫度等因素作為覆冰增長的計算參量,建立了更加全面的覆冰增長模型。

(2)覆冰過程中,局部碰撞系數及碰撞區域隨風速的提高快速增加,覆冰量及覆冰區域相應增大;環境溫度及導線電流的增加使得溢流水產生,覆冰由霧凇改變為雨凇。

(3)與已有實驗結果比較,得出本文預測覆冰形狀略有誤差,但覆冰總量差異很小,可以滿足電力工程的需要。

[1] FARZANEH M. Atmosphere icing of power networks [M]. Berlin, Germany: Springer, 2008.

[2] HUANG Xinbo, LIN Shufan. Ice growth prediction model of transmission lines based on Mamdani-type fuzzy neural network [C]∥Proceedings of the 15th International Workshop on Atmospheric Icing of Structures. Mount Pearl, Newfoundland, Canada: IWAIS, 2013: 59-71.

[3] 王璋奇, 齊立忠, 楊文剛, 等. 集中質量法模擬覆冰在架空線脫冰動張力實驗中的適用性研究 [J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(12): 1982-1988. WANG Zhangqi, QI Lizhong, YANG Wengang, et al. Research on the applicability of lumped mass method for cable’s dynamic tension in the ice shedding experiment [J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(12): 1982-1988.

[4] MAKKONEN L. Modeling of ice accretion on wires [J]. Journal of Climate Applied Meteorology, 1984, 23(6): 929-939.

[5] MAKKONEN L, STALLABRASS J R. Experiments on the cloud droplet collision efficiency of cylinders [J]. Journal of Climate Applied Meteorology, 1987, 26(10): 1406-1411.

[6] 蔣興良, 范松海, 胡建林, 等. 輸電線路直流短路融冰的臨界電流分析 [J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(1): 111-116. JIANG Xingliang, FAN Songhai, HU Jianlin, et al. Analysis of critical ice-melting current for short-circuit DC transmission line [J]. Proceedings of the CSEE 2010, 30(1): 111-116.

[7] 孫才新, 蔣興良, 熊啟新, 等. 導線覆冰及其干濕增長臨界條件分析 [J]. 中國電機工程學報, 2003, 23(3): 141-145. SUN Caixin, JIANG Xingliang, XIONG Qixin, et al. Analysis of critical icing conditions of conductor and wet-dry grown [J]. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(3): 141-145.

[8] 黃新波, 歐陽麗莎. 輸電線路覆冰關鍵影響因素分析 [J]. 高電壓技術, 2011, 37(7): 1677-1682. HUANG Xinbo, OUYANG Lisha. Analysis on key influence factor of transmission line icing [J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(7): 1677-1682.

[9] 陽林, 郝艷捧. 架空輸電線路覆冰狀態評估模糊專家系統 [J]. 高電壓技術, 2011, 37(12): 3028-3035. YANG Lin, HAO Yanpeng. Fuzzy expert system for condition assessment of overhead transmission line icing [J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(12): 3028-3035.

[10]戴棟, 黃筱婷, 代洲. 基于支持向量機的輸電線路覆冰回歸模型 [J]. 高電壓技術, 2013, 39(11): 2822-2828. DAI Dong, HUANG Xiaoting, DAI Zhou. Regression model for transmission lines icing based on support vector machine [J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(11): 2822-2828.

[11]郝艷捧, 薛藝為, 楊林, 等. 復合絕緣子不同部位水滴撞擊特性及其影響因素 [J]. 電網技術, 2014, 38(5): 1366-1372. HAO Yanpeng, XUE Yiwei, YANG Lin, et al. Characteristics of different parts of composite insulators impacted by water droplets and its influencing factors [J]. Power System Technology, 2014, 38(5): 1366-1372.

[12]李學林, 姚濤. 特高壓變電站支柱絕緣子重覆冰閃絡仿真計算與試驗分析 [J]. 高電壓技術, 2013, 39(3): 612-617. LI Xuelin, YAO Tao. Study on flashover model of UHV substation post insulator in serious icing condition [J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(3): 612-617.

[13]FU P, FARZANEH M. Two-dimensional modelling of the ice accretion process on transmission line wires and conductors [J]. Cold Regions Science and Technology, 2006, 46(2): 132-146.

[14]梁曦東, 李雨佳, 張軼博, 等. 輸電導線的覆冰時變仿真模型 [J]. 高電壓技術, 2014, 40(2): 336-343. LIANG Xidong, LI Yujia, ZHANG Yibo, et al. Time-dependent simulation model of ice accretion on transmission line [J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(2): 336-343.

[15]ZHANG Q, YANG Y. A new simpler rotation curvature correction method for Spalart-Allmaras turbulence model [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2013, 26(2): 326-333

[16]KIM J W. Ice accretion modeling using an Eulerian approach for droplet impingement [C]∥51st AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Reston, Virginia, USA: AIAA, 2013: 1-11.

[17]ZSOLT P. Modeling and simulation of the ice melting process on a current-carrying conductor [D]. Quebec, Canada: Quebec University, 2006.

[18]CANSDALE J T, MCNAUGHTON I I. Calculation of surface temperature and ice accretion rate in mixed water droplet ice crystal cloud [R]. Hampshire, UK: Royal Aircraft Establishment, 1977: 7-13.

[19]HUNEAULT M, LANGHEIT C, CARON J. Combined models for glaze ice accretion and de-icing of current-carrying electrical conductors [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(2): 1611-1616.

[本刊相關文獻鏈接]

孫皖,牛璐,賴天偉,等.氮氣在縮放噴管中非平衡自發凝結的數值研究.2015,49(4):130-133.[doi:10.7652/xjtuxb2015 04021]

曹文瑾,孫中國,席光.系泊型浮體運動的無網格法數值模型.2015,49(3):62-66.[doi:10.7652/xjtuxb201503011]

翟強,朱永生,閆柯,等.高速角接觸軸承油氣潤滑兩相流動特性數值研究.2014,48(6):86-90.[doi:10.7652/xjtuxb 201406015]

侯雨伸,王秀麗.氣象過程信息挖掘與輸電線路覆冰預測.2014,48(6):43-49.[doi:10.7652/xjtuxb201406008]

周磊,汪楚清,孫清,等.玻璃纖維增強復合材料輸電塔節點承載力試驗研究及有限元分析.2013,47(9):112-118.[doi:10.7652/xjtuxb201309019]

宋國兵,靳幸福,李德坤,等.識別模型參數的電壓源換流器型直流輸電線路縱聯保護.2013,47(8):110-114.[doi:10.7652/xjtuxb201308019]

梁振鋒,索南加樂,康小寧,等.利用最小二乘擬合算法的三相重合閘永久性故障判別.2013,47(6):85-89.[doi:10.7652/xjtuxb201306015]

(編輯 趙煒 杜秀杰)

Numerical Simulation for Icing and Influence on Transmission Line

ZHU Yongcan1,HUANG Xinbo1,2,JIA Jianyuan1,TIAN Yi1,LIN Shufan2

(1. School of Electro-Mechanical Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China;2. School of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

The existing transmission line ice growth models only focus on the ice mass, it is difficult for them to predict ice morphology accurately. A computational model for local ice accretion on transmission lines is established in this study. Air dynamics equation is considered to solve parameters of the flow field around conductor, then Eulerian two-phase model is chosen to calculate droplet collision coefficient on the surface of iced conductor. Mass balance equation, including the parameters of droplet collision, water runback, evaporation and sublimation, is established, then icing heat balance equation is constructed. All unknown variables in the model are acquired by one-dimensional search under multiple hypothesis, and the freeze coefficient and ice mass of each unit are obtained. Eventually, the cases show that the local droplet collision coefficient and collision area increase with wind speed; rising temperature and conductor current leads to the water runback to transform rime ice type to glaze ice type. The obtained icing morphology and weight coincide well with the existing experimental results.

transmission line; icing; numerical model; two-phase flow model; mass balance

2014-10-21。

朱永燦(1986—),男,博士生;黃新波(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2009CB724507-3);國家自然科學基金資助項目(51177115);陜西省重點科技創新團隊計劃資助項目(2014KCT-16)。

10.7652/xjtuxb201507020

TM74

A

0253-987X(2015)07-0120-06