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输电线路短路电流融冰过程与模型研究

范松海  
【摘要】: 冰灾是电力系统最严重的威胁。运行经验表明,严重覆冰已经危及了500kV乃至1000kV输电线路的安全运行。2008年初我国南方大面积冰灾后,通过分析和比较,国家电网公司和南方电网公司均认为采用短路融冰方法是目前最为有效的防止电网冰灾的方法,因此,均把短路融冰作为防治电网冰灾的主要方法,相继投入了大量的人力、财力和物力研究和开发短路融冰方法和装备。采用短路融冰方法防止电网冰灾的关键技术之一是如何根据环境条件和覆冰状况选择融冰电流。但至今为止,国内外对此没有开展深入研究。 本文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。 根据自然环境下实际输电线路导线覆冰的特征,提出了采用椭圆形表征导线覆冰后的截面形状;分析并提出了导线短路电流临界融冰的充要条件,即冰层内表面温度保持0℃且焦耳热与冰表面的热损失相等;分析了影响导线临界短路电流融冰的因素,并提出了各种环境参数下输电线路临界融冰电流的计算方法。 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Stefan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。 在人工气候室和自然覆冰试验站进行了大量融冰试验,试验结果表明,本文模型仿真计算结果与试验结果较为吻合,模型反应的融冰过程与实际融冰过程基本一致。同时,在自然覆冰试验站试验研究了覆冰导线的不同期脱冰现象,试验结果与理论分析表明,由于覆冰沿导线分布不均匀以及沿覆冰导线的气象参数等的差异,相同短路电流下,导线融冰脱落不一致,形成不同期脱冰。 分析并提出了采用交、直流短路电流融冰时,交流电流的有效值与直流电流相等时其融冰效果在本质上是一致的,由于交流下存在集肤效应,导线截面较大时,相同电流下,交流融冰时间较短,且由于交流下存在电抗,所需的交流融冰电源远远大于直流融冰电源。 本文研究了椭圆形雨凇覆冰导线的融冰过程,对于其它形状和其它覆冰类型的覆冰,其融冰过程有差异,本文没有深入研究,有待于将来继续探索。


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