1. 绪论
电力是关系国计民生的重要能源,电网是输送和分配电能的重要环节,现代社会对电力供应的可靠性要求越来越高,电网安全的地位比以往任何时候都更加重要。受大气候、微地形和微气象条件的影响,我国成为遭受覆冰灾害最严重的国家之一,冰灾事故频繁发生,覆冰引起事故的直接原因都是大范围、长时间的低温、雨雪冰冻天气,但同时也反映出电网抵御恶劣气候能力不足,缺乏在第一时间掌握线路运行情况的手段,因此对输电线路覆冰预测的研究有着重大的现实意义。
1.1. 覆冰增长预测模型
在雾凇和雨凇以及混合淞当中,其各种类型的粘附力不同,密度也不相同,对架空线路构成的危害大小也不同,特别是在线路舞动下的危害不同。特别,由于雨凇密度大,粘附力强,给线路造成的危害也特别大。国内外各个研究单位对覆冰生成及增长的机理做了大量有益的探索,取得了较多成果。中南电力设计院和江西电科院发现了架空输电线覆冰厚度与地形、风速、海拔高度、导线类型以及布置方式等因素有关 [1] [2] ;Poots G和Skelton P.L.I [3] 最先建立了三维动态模型并用其来模拟架空线路表面覆冰过程,首次揭示了风对覆冰外形的影响,从统计学的角度揭示出覆冰增长和各种气象条件的内在联系 [4] 。云南电力设计院 [5] 发现了微气象、微地形对云南输电线路覆冰的影响;中国西南电力设计院研究了导线覆冰与气象之间的关系,利用回归分析法建立了冰重与气象要素之间的定量关系 [6] 。西安工程大学 [7] 发现了线路覆冰与局部气象的关系,用灰关联方法给出了微气象因素对影响覆冰的重要程度的排序。Konstantin Savadjiev等人较为理想地测量了实验输电线路的环境温度、风速、降水量等微气象参数,首次建立了覆冰增长与微气象之间的关系并用来预测覆冰增长趋势 [8] 。到目前为止,这些模型均较为复杂,需要采集的现场微气象参数较多,对采集终端的传感器要求较高。
1.2. 覆冰厚度预测
一般情况下,使用电网的覆冰厚度来表征电网的覆冰状态。20世纪70年代,学者们已开始进行覆冰厚度检测方法研究,最早期采用量器具检测法,即用外钳夹在冰凌模拟线上,用米尺测量覆冰直径和厚度,然后根据直径和厚度计算覆冰厚度。但用量器具检测冰层的直径、厚度数值计算出导线覆冰厚度,未能考虑冰的比重,导致测量不准确。随后,又出现了称重法。称重法即冰样称重检测法,先称取一长导线上的冰层重量,折算出每米导线上的覆冰重量G,再用设计时所用计算公式算出导线的平均等价覆冰厚度。
然而,称重法用量具检测覆冰厚度,虽然相对于量具检测法前进了一步,但取自模拟线段的冰样往往与实际运行导线上的有出入,导致测量结果不准确。
因此亟待提供一种新的输电线路覆冰厚度预测方法。
2. 微气象条件下输电线路覆冰厚度预测方法
本文在微气象条件下提供了一种输电线路覆冰厚度预测方法,通过获取第i时间段初始导线半径和第i时间段覆冰环境参数,计算第i时间段单位长度线路覆冰质量,再根据所述覆冰质量,计算第i时间段的覆冰厚度,从而获得覆冰总厚度。
如图1所示,覆冰厚度预测方法可分为如下六个步骤。
步骤一:获取输电线路的环境相对湿度、环境温度;根据所述环境相对湿度和所述环境温度,判断所述输电线路是否满足覆冰条件,所述覆冰条件包括:相对环境湿度大85%,且所述环境温度小于0℃;当所述输电线路满足覆冰条件时,执行下一步,否则输出所述总覆冰厚度为零。
步骤二:获取预测时间,并将所述预测时间划分为n个时间段,其中,n为自然数;
步骤三:获取第i时间段的初始导线半径和第i时间段的覆冰环境参数,其中,所述覆冰环境参数包括碰撞率、捕获率、冻结率、空气水含量和风速,i为自然数,i ≤ n;
步骤四:根据所述初始导线半径和覆冰环境参数,计算第i时间段的冻结率;
其中,所述冻结率的计算公式为:
式中,
为第i时间段的冻结率,W为第i时间段的空气水含量,Ri-1为第i时间段初始时刻的覆冰厚度,Vi为第i时间段液滴的碰撞速度。
步骤五:根据所述导线半径和覆冰环境参数,计算第i时间段的单位长度线路的覆冰质量;
判断所述冻结率是否为1;当所述冻结率为1时,根据湿增长冰密度,计算第i时间段的单位长度线路的覆冰质量;
根据湿增长冰密度,计算第i时间段内的覆冰质量的公式为:
式中,Mi为第i时间段单位长度线路的覆冰质量;Ri-1为第i时间段的初始导线半径;
为第i时间段的碰撞率;
为第i时间段的捕获率;
为第i时间段的冻结率;wi为第i时间段的空气水含量;vi为第i时间段的风速;τ为时间。
当所述冻结率不为1时,根据干增长冰密度,计算至第i时间段的单位长度线路的覆冰质量。
干增长冰密度的计算公式为:
其中,
为第i时间段的干增长冰密度,
为第i时间段的湿增长冰密度;
为第i时间段的碰撞率;Tsi为第i时间段的温度值。
根据干增长冰密度,计算第i时间段内的覆冰质量的公式为:
Figure 1. Framework diagram of method for prediction of ice thickness
图1. 覆冰厚度预测方法框架图
式中,Mi为第i时间段内的覆冰质量;
为第i时间段的初始导线直径;
为第i时间段的干增长冰密度。
步骤六:根据所述覆冰质量,计算第i时间段的覆冰厚度;
第i时间段末的导线直径的计算公式:
Table 1. Statistical table of forecasting data of icing thickness of transmission lines in a certain area
表1. 某地区输电线路覆冰厚度预测数据统计表
其中,Mi为初始时刻至第i时间段末的单位长度线路的覆冰质量;ρ为冰的密度;Ri为第i时间段末的导线半径;R0为导线半径。
第i时间段覆冰厚度的计算公式为:
其中,Di为第i时间段内的覆冰厚度;Ri为第i时间段末的导线直径;
为第
时间段末的导线直径。
取i = i + 1,
,重复执行步骤二到步骤六,直至i = n,输出预测时间内的总覆冰厚度,计算结束。
3. 实例验证
以云南某地区的输电线路为例,对本文提供的一种输电线路覆冰厚度预测方法进行详细的说明。在实例中,导线类型为LGJQ-300钢芯铝绞线,其外径R0 = 13.6 mm。
获取的预测时间为云南某地区某天12:00~13:00,总预测时间长度为1 h。将该预测时间每间隔10 min划分为一个时间段,即划分为6个时间段,此时n = 6。划分后的时间段分别包括,第1时间段12:00~12:10;第2时间段12:10~12:20;第3时间段12:20~12:30;第4时间段12:30~12:40;第5时间段12:40~12:50;第6时间段12:50~13:00。
表1为获得的覆冰厚度预测结果。参见表1,在实例中,第1时间段的覆冰厚度为0.34 mm;第2时间段的覆冰厚度为0.29 mm;第3时间段的覆冰厚度为0.25 mm;第4时间段的覆冰厚度为0.22 mm;第5时间段的覆冰厚度为0.20 mm;第6时间段的覆冰厚度为0.19 mm。由此可知,该预测时间内,总覆冰厚度的预测值为1.49 mm。
另外,表1提拱了在该预测时间内,该预测时间内,总覆冰厚度的实际值为1.37 mm。由上述内容可知,该覆冰厚度的预测误差在5%以内,属于正常的误差范围之内,因此,本文提供的输电线路覆冰厚度预测方法,能够对输电线路的覆冰状态进行准确的预测,减少因线路覆冰造成的损失。
4. 结论
在微气象条件下通过获取第i时间段初始导线半径和第i时间段覆冰环境参数,计算第i时间段单位长度线路覆冰质量,再根据所述覆冰质量,计算第i时间段的覆冰厚度,从而获得覆冰总厚度。并对实际输电线路覆冰量厚度进行了预测。实例验证结果表明,运用该方法可以更准确地预测输电线路覆冰厚度,为输电线路的安全运行提供了保障。
参考文献
[1] 张昕宇. 输电线路覆冰机理浅析[J]. 江西电力, 2008, 32(2): 46-47, 56.
[2] 魏其巍. 电线覆冰机理分析及在工程设计中的应用[J]. 电力建设, 2007, 28(3): 26-28.
[3] Skelton, P.L.I. and Poots, G. (1990) Dynamical Model of Rime-Ice Accretion on an Overhead Transmission Line of Finite Torsional Stiffness. Mathematical Engineering in Industry, 3, 1-24.
[4] Savadjiev, K. and Farzaneh, M. (2004) Modeling of Icing and Ice Shedding on Overhead Power Lines Based on Statistical Analysis of Meteorological Data. Transactions on Power Delivery, 19, 715-721. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2003.822527
[5] 王守礼, 李家垣, 等. 云南高海拔地区电线覆冰问题研究[M]. 昆明: 云南科学技术出版社, 1993.
[6] 谢运华. 三峡地区导线覆冰与气象要素的关系[J]. 中国电力, 2005, 38(3): 35-39.
[7] 欧阳丽莎, 黄新波. 基于灰关联分析微气象因素和导线温度对输电线路导线覆冰的影响[J]. 高压电器, 2011, 47(3): 31-36.
[8] Farzaneh, M. and Savadjiev, K. (2005) Statistical Analysis of Field Data for Precipitation Icing Accretion on Overhead Power Lines. IEEE Transactions on Power Delivery, 20, 1080-1087. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2004.838518
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