输电线路覆冰参数预测的新方法
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员韩兴波、蒋兴良、毕聪来、杨忠毅、黄亚飞，在2019年第5期《电工技术学报》撰文（论文标题为“基于分散型旋转圆导体的覆冰参数预测”）指出，输电线路导线、绝缘子覆冰严重威胁电力系统的安全可靠运行，对覆冰环境参数进行实时监测是研究导线、绝缘子覆冰机理的关键。
该文从旋转圆导体空气、水滴二相流分布出发，计算分析了不同直径圆导体水滴碰撞特性和冻结特性，以此为基础，推导了不同直径旋转圆导体覆冰速率随风速、水滴中值直径的变化规律，确定了以五个旋转圆导体为积冰器进行覆冰参数预测的方法。运用差分进化算法理论，建立基于改进的差分进化算法的覆冰参数预测模型，模型预测误差小于10%。
在雪峰山自然覆冰基地开展了覆冰验证试验，利用自主设计的分散型旋转圆导体对6.7 h覆冰期进行了不间断监测，装置工作状态良好，将试验所得数据代入预测模型，所得风速、环境温度、水滴中值直径、空气液态水含量四个环境参数预测值平均误差均小于7%，验证了装置测量数据以及预测模型准确度。
随着我国现代化进程的加快，电网辐射范围不断扩大，输送容量逐步提升。电力安全输送的重要性日益凸显。我国幅员辽阔，受到气候、微地形和微气象等条件的影响，冰灾事故时有发生，给电网可靠性带来了巨大的挑战。许多地区因为冻雨覆冰造成多种事故，包括绝缘子覆冰闪络、导线舞动乃至断线、杆塔倒塌等。
覆冰是空气中的水以各种形式凝固在物体表面的过程，受到多种环境因素的影响，包括风速、空气中液态水含量、水滴中值直径（Median Volume Diameter,MVD）、环境温度等。覆冰类型多样，过程较为复杂。
文献[6]指出风速是影响导线覆冰厚度的重要因素，而环境温度和液态水含量决定导线覆冰强度的变化。导线覆冰冻结系数可由环境温度、风速、液态水含量等条件推导得出，并决定导线覆冰方式（干增长、湿增长）以及覆冰类型（雨凇、雾凇或混合淞）。
文献[8-10]通过人工气候室控制气象条件的方式证明环境参数的变化同样影响不同类型绝缘子表面覆冰的发展。在一定范围内，环境温度的降低使得绝缘子表面冰棱增长速度加快，且更粗。水滴中值直径的增大也将增大绝缘子覆冰速度。相同环境下，不同结构的复合绝缘子覆冰速率不同。而不同的覆冰类型和覆冰程度将直接影响绝缘子电气性能和冰闪特性。文献[14,15]得出绝缘子覆冰质量和交直流冰闪电压呈负指数函数关系。
为进一步研究导线覆冰增长过程，文献[16-18]基于环境参数建立并完善了导线覆冰数值模型，研究表明：在各项环境参数已知的条件下，导线表面水滴碰撞系数可以通过经验公式获得，且实时的导线覆冰冰形和覆冰厚度的数值模拟需完全依赖于准确采集获得的环境参数值。
受到导线覆冰数值模拟研究的影响，国内一些学者提出建立绝缘子覆冰数值模拟。文献[19-21]从流体力学出发，根据不同的环境条件，分析计算了绝缘子表面的水滴碰撞捕获过程，研究表明风速、水滴中值直径等环境参数是影响绝缘子表面水滴碰撞率的重要因素。
在覆冰条件下，一般的气象传感器很难测得MVD及空气中液态水含量等参数。为准确获取时变的环境参数，陈凌、蒋兴良等设计制作了旋转多导体装置，并依据圆导体水滴碰撞率经验公式建立了覆冰参数计算模型。但是，由于该装置采用集中方式设计，忽略了覆冰后导体间气流的相互影响，降低了测量准确度。同时，其采用人工测量的方法，在数据采集上存在高误差、低效率的缺点，不能满足自然条件下覆冰参数实时测量的需要。
本文数值分析了不同直径圆导体的水滴碰撞特性和冻结特性，确定了依据五个不同直径旋转圆导体进行覆冰参数预测的方法，建立了基于改进的差分进化算法的反算模型。在试验验证部分，自主设计了分散型旋转圆导体，避免了不同直径导体覆冰后的相互影响，采用微型拉力传感器结合采集卡进行信号采集，实现了多个旋转圆导体覆冰重量的实时监测，通过模型反算，预测了6.7h覆冰环境参数，并对装置测量数据及模型预测准确性进行了验证。
图5 分散型旋转圆导体和气象仪
图6 圆导体覆冰厚度变化及五个旋转圆导体自然覆冰形态
1）因为水滴碰撞率的差异性，在风速较低、空气液态水含量较小时，相对大直径旋转圆导体，小直径旋转圆导体覆冰速率较高；在风速较大、空气中液态水含量较高时，大直径圆导体因为表面积优势，其覆冰速率更高。
2）分散型旋转圆导体实现了覆冰质量的自动化数据采集，解决了人工测量的高误差、非连续的缺点，为自然条件下覆冰参数的实时监测提供了可能。
3）在覆冰参数非线性方程组求解过程中，采用穷举方式的三参数差分进化算法（三参数法），在预测准确性上明显优于四参数预测法，且减小风速穷举步长可提高预测准确度。
4）自然环境条件下，环境参数实时改变，分散型旋转圆导体覆冰速率随环境参数的改变而改变，三项环境参数（风速、环境温度、空气液态水含量）的预测误差均小于7%。通过五号旋转圆导体覆冰质量反算，验证了水滴中值直径预测相对误差小于4%。