基于重力作用计算模型的输电线路融冰方法.pdf

本发明公开了一种基于重力作用计算模型的输电线路融冰方法，包括获取与融冰的相关的气象因素和导线因素，按照融冰计算公式计算出融冰电流和融冰时间的关系，确定相应的融冰电流和融冰时间对输电线路进行融冰的步骤。本发明充分考虑了融冰过程中重力作用的影响，以热平衡和热交换原理为基础推导出输电线路融冰计算公式，其计算结果更符合输电线路融冰工作实际，为线路抗冰提供更为准确的数量依据，该方法的思路清晰，计算方便，实用性强。

1.  一种基于重力作用计算模型的输电线路融冰方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)获取与输电线路融冰相关的气象因素和导线因素，其中气象因素包括空气温度、空 气粘度和风速，导线因素包括导线直径、导线电阻和导线覆冰厚度；
(2)按照融冰计算公式计算出融冰电流和融冰时间的关系，融冰计算公式为：
I = η 8 T · 1 R 0 · K · ρ ice · ( πΦ 2 - Φ 2 · arccos φ Φ + 2 φ Φ 2 - φ 2 - πφ 2 ) - π R 0 λ θ a [ 0.64 ( UΦ v ) 0.2 + 0.2 ( UΦ v ) 0.61 ] ]]>
式中，I为融冰电流；T为融冰时间；η为修正系数，η的取值范围为(0,1.5]；R₀为导 线电阻；K为冰的融化热，K＝3.35×105J/kg；ρ_ice为覆冰的密度；Φ为导线覆冰后的直径；φ 为导线直径；λ为空气导热系数；θ_a为空气温度；U为风速；ν为空气粘度；
(3)依据步骤(2)计算出的融冰电流和融冰时间的关系，确定相应的融冰电流和融冰 时间对输电线路进行融冰。

基于重力作用计算模型的输电线路融冰方法
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，具体涉及一种基于重力作用计算模型的输电线路融冰方 法。
背景技术
冰灾是电网安全运行的重大隐患。2008年初，我国南方地区遭遇了严重的冰灾，电网损 失惨重。并且受近年来极端气候不断频发的影响，仍然有可能爆发类似于2008年的特别严重 冰灾。为保障电网安全稳定运行，电网覆冰后需要及时开展线路融冰工作，因此需要开展输 电线路融冰计算模型研究。传统的导线覆冰融冰计算模型一般根据导线覆冰总量计算，然而， 这种计算方法未充分考虑融冰过程中重力作用的影响，融冰计算结果与实际情况存在一定的 差异，导致准确度不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种基于重力作用计算模型 的输电线路融冰方法，充分考虑融了冰过程中重力作用的影响，以热平衡和热交换原理为基 础推导出输电线路融冰计算公式，其计算结果更符合输电线路融冰工作实际，为线路抗冰提 供更为准确的数量依据。该方法的思路清晰，计算方便，实用性强。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于重力作用计算模型的输电线路融冰方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)获取与融冰的相关的气象因素和导线因素，其中气象因素包括空气温度、空气粘度 和风速，导线因素包括导线直径、导线电阻和导线覆冰厚度；
(2)按照融冰计算公式计算出融冰电流和融冰时间的关系，融冰计算公式为：
I = η 8 T · 1 R 0 · K · ρ ice · ( π Φ 2 - Φ 2 · arccos φ Φ + 2 φ Φ 2 - φ 2 - π φ 2 ) - π R 0 λ θ a [ 0.64 ( UΦ ν ) 0.2 + 0.5 ( UΦ ν ) 0.61 ] ]]>
式中，I为融冰电流；T为融冰时间；η为修正系数，η的取值范围为(0,1.5]；R₀为导 线电阻；K为冰的融化热，K＝3.35×105J/kg；ρ_ice为覆冰的密度；Φ为导线覆冰后的直径；φ 为导线直径；λ为空气导热系数；θ_a为空气温度；U为风速；ν为空气粘度；
(3)依据步骤(2)计算出的融冰电流和融冰时间的关系，确定相应的融冰电流和融冰 时间对输电线路进行融冰。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明针对传统的导线覆冰融冰计算模型未充分 考虑融冰过程中重力作用影响的不足，提出了一种基于重力作用计算模型的输电线路融冰方 法，充分考虑融了冰过程中重力作用的影响，以热平衡和热交换原理为基础推导出输电线路 融冰计算公式，其计算结果更符合输电线路融冰工作实际，为线路抗冰提供更为准确的数量 依据。该方法的思路清晰，计算方便，实用性强。
附图说明
图1为本发明的输电线路融冰方法中导线覆冰的结构示意图。
图2为本发明的输电线路融冰方法中导线融冰的结构示意图。
图3为本发明的输电线路融冰方法中导线融冰区域的结构示意图。
图例说明：
1、导线；2、覆冰。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种基于重力作用计算模型的输电线路融冰方法，包括以下步骤：
(1)获取与融冰的相关的气象因素和导线因素，其中气象因素包括空气温度、空气粘度 和风速，导线因素包括导线直径、导线电阻和导线覆冰厚度；
(2)按照融冰计算公式计算出融冰电流和融冰时间的关系，融冰计算公式为：
I = η 8 T · 1 R 0 · K · ρ ice · ( π Φ 2 - Φ 2 · arccos φ Φ + 2 φ Φ 2 - φ 2 - π φ 2 ) - π R 0 λ θ a [ 0.64 ( UΦ ν ) 0.2 + 0.5 ( UΦ ν ) 0.61 ] ]]>
式中，I为融冰电流；T为融冰时间；η为修正系数，η的取值范围为(0,1.5]；R₀为导 线电阻；K为冰的融化热，K＝3.35×105J/kg；ρ_ice为覆冰的密度；Φ为导线覆冰后的直径；φ 为导线直径；λ为空气导热系数；θ_a为空气温度；U为风速；ν为空气粘度；上述修正系数 通过反复试验获得，每一种导线对应一种修正系数；
(3)依据步骤(2)计算出的融冰电流和融冰时间的关系，确定相应的融冰电流和融冰 时间对输电线路进行融冰。
上述融冰计算公式的推导过程如下：
(1)导线与空气的热交换量计算
假设空气温度为θ_a(℃)，导线温度为θ_b(℃)，导线直径为φ(m)，覆冰后直径为Φ(m)， 当导线发生覆冰时，导线可以近似为光滑圆柱体。在此条件下，单位长度导线与空气间的热 交换量ΔQ(W/m)可通过下式计算：
ΔQ＝πh(θ_b-θ_a)Φ  (1)
式中，h为导热交换系数，计算公式如下：
h = λ Nu Φ - - - ( 2 ) ]]>
式中，λ(W/m℃)为空气导热系数；Nu为努塞尔特系数，可表示为圆柱体周围湍气流的雷 诺兹数Re的函数，如下式：
Nu＝0.64Re^0.2+0.2Re^0.61  (3)
Re = UΦ ν - - - ( 4 ) ]]>
式中，U(m/s)为风速，ν(m²/s)为空气粘度。
将式(2)-(4)代入式(1)，可得到单位长度导线与空气间的热交换量的一般计算公式 为：
ΔQ = πλ ( θ b - θ a ) [ 0.64 ( UΦ ν ) 0.2 + 0.2 ( UΦ ν ) 0.61 ] - - - ( 5 ) ]]>
由于冰水混合物的温度为0℃，当导线发生覆冰时，θ_b＝0，式(5)可简化为：
ΔQ = - πλ θ a [ 0.64 ( UΦ ν ) 0.2 + 0.2 ( UΦ ν ) 0.61 ] - - - ( 6 ) ]]>
由式(6)可知，导线与空气间的热交换量主要受空气温度、风速、导线直径、空气导热 系数和空气粘度的影响。
(2)、导线覆冰融化脱落所需的热量计算
传统的导线覆冰融化所需的热量根据导线覆冰总量计算，也即图1中阴影部分覆冰总量 融化所需的热量。然而，由于重力作用的影响，导线覆冰融化脱落只需要将导线上部的覆冰 融化，也即图2中斜线阴影部分的导线覆冰。
因此，单位长度导线覆冰融化脱落所需热能总量Q_W的计算公式如下所示：
Q_W＝Q_ice+ΔQ  (7)
式中，ΔQ为导线与空气的热量交换，也即热能的损失量；Q_ice为图2中斜线阴影部分的 覆冰融化所需热量，其计算公式如下：
Q_ice＝K·ρ_ice·V_ice/T  (8)
式中，ρ_ice为覆冰的密度；K为冰的融化热，K＝3.35×10⁵J/kg；T(s)为融冰时长。
单位长度导线的斜线阴影部分覆冰体积V_ice计算公式如下：
V ice = 1 8 π Φ 2 - 1 8 Φ 2 · arccos φ Φ + φ 4 Φ 2 - φ 2 - 1 8 π φ 2 - - - ( 9 ) ]]>
将式(8)、(9)和(6)代入式(7)，可得导线融冰所需的热能总量计算公式为：
Q W = 1 T · K · ρ ice · ( 1 8 π Φ 2 - 1 8 Φ 2 · arccos φ Φ + φ 4 Φ 2 - φ 2 - 1 8 π φ 2 ) - πλ θ a [ 0.64 ( UΦ ν ) 0.2 + 0.2 ( UΦ ν ) 0.61 ] - - - ( 10 ) ]]>
(3)、输电线路融冰计算公式推导
导线融冰热能主要来源于导线电流产生，单位长度导线在通过电流强度为I时释放的热 能Q_m为：
Q_m＝I²R₀  (11)
式中，R₀为导线电阻。
为满足输电线路融冰需求，则有Q_m＝Q_W。据此，可计算得到输电线路融冰电流I为：
I = η 8 T · 1 R 0 · K · ρ ice · ( π Φ 2 - Φ 2 · arccos φ Φ + 2 φ Φ 2 - φ 2 - π φ 2 ) - π R 0 λ θ a [ 0.64 ( UΦ ν ) 0.2 + 0.5 ( UΦ ν ) 0.61 ] - - - ( 12 ) ]]>
实际融冰过程中，随着融冰的持续，融冰后的空间增大，由于空气的导热性，与导线不 直接接触的冰面也会逐渐融化，覆冰的融化区域如图3中斜线阴影区域所示。
因此，融冰计算公式需要增加修正系数η进行修正。修正后的融冰计算公式为：
I = η 8 T · 1 R 0 · K · ρ ice · ( π Φ 2 - Φ 2 · arccos φ Φ + 2 φ Φ 2 - φ 2 - π φ 2 ) - π R 0 λ θ a [ 0.64 ( UΦ ν ) 0.2 + 0.5 ( UΦ ν ) 0.61 ] ]]>