專利名稱：一種基于自然條件的人工覆冰試驗系統(tǒng)及其試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及覆冰試驗領(lǐng)域，尤其是涉及一種覆冰試驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
輸電線路覆冰導(dǎo)致的故障一直是國內(nèi)外電力系統(tǒng)的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一，覆冰災(zāi)害至今沒有徹底的解決方法。同時線路覆冰易·引起舞動，從而引發(fā)更為嚴(yán)重的災(zāi)害。線路覆冰研究對電網(wǎng)安全及可靠運行乃至國民經(jīng)濟等都具有重要意義。基于自然條件的人工覆冰試驗系統(tǒng)是將自然條件與人工干預(yù)相結(jié)合，同時彌補兩者的不足，模擬自然條件(凍雨、雪等氣象條件)進行試驗研究的試驗系統(tǒng)平臺。目前現(xiàn)有的覆冰試驗站一種是僅靠自然環(huán)境進行覆冰試驗，一種是僅利用人工輔助進行試驗。輸電線路導(dǎo)線覆冰取決于導(dǎo)線周圍的空氣溫度、一定的環(huán)境濕度、現(xiàn)場風(fēng)速風(fēng)向及雨(雪)下落的速度等因素。周圍環(huán)境溫度太高、濕度低、風(fēng)向與導(dǎo)線平行及風(fēng)速過大等都不利于線路覆冰。導(dǎo)線覆冰需要低溫和高濕的環(huán)境，這首先增加了試驗場地選址的難度，并且自然環(huán)境的低溫天氣和高濕環(huán)境同時出現(xiàn)的幾率非常小，在一年中所占的時間短，可用于試驗的時間更短，試驗非常被動，很難滿足一定的試驗研究需求；由于自然環(huán)境條件、氣象參數(shù)的不可控，基于自然環(huán)境的覆冰試驗站將試驗線路建在露天，待低溫和高濕的環(huán)境來臨時進行試驗，對試驗條件的依賴性過大、試驗條件不能按照研究的需求進行調(diào)整、變化或更改，因此很難進行重復(fù)性試驗；綜上，自然條件覆冰試驗站對自然環(huán)境的依賴性過大，具有極大的局限性和不可控性。另外一種覆冰試驗系統(tǒng)在人工氣候室或人為搭建的噴霧室里進行。然而人工氣候室的規(guī)模一般很小，內(nèi)部空間長、寬和高均在幾米的范圍之內(nèi)，遠不能模擬實際線路的規(guī)模；另外其試驗條件完全靠人工調(diào)節(jié)，導(dǎo)線覆冰是在自然條件下形成的現(xiàn)象，人工氣候不能完全替代自然條件下導(dǎo)線的覆冰過程；人工氣候室的造價非常高，一個4米見方的實驗室建造費用動輒上百萬甚至幾百萬，更大規(guī)模的實驗室其造價更翻倍上漲，提高了試驗研究的經(jīng)濟成本及負擔(dān)。第三，目前覆冰測量大多在覆冰導(dǎo)線只受重力的條件下進行，自然覆冰試驗站大多采用直線檔導(dǎo)線覆冰；人工氣候室由于尺寸空間小，導(dǎo)線靠絕緣子支撐或懸掛，僅能實現(xiàn)幾米范圍內(nèi)短距離線檔的覆冰試驗，與實際線路的覆冰狀態(tài)差別很大。其次，大多測量系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)顯示在儀表上進行讀數(shù)，這樣的試驗數(shù)據(jù)并非實時，且不完整。另外，目前商業(yè)化的在線監(jiān)測儀器主要靠太陽能蓄電池進行供電，試驗時經(jīng)常出現(xiàn)斷電的情況，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)采集有一定的斷續(xù)性，并不完整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于自然條件下的人工覆冰試驗系統(tǒng)及其試驗方法，便于進行覆冰機理研究、除冰融冰技術(shù)研究、絕緣子覆冰等各項試驗研究。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種基于自然條件的人工覆冰試驗系統(tǒng)，包括測量系統(tǒng)，包括試驗場、線桿系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)，所述線桿系統(tǒng)架設(shè)在試驗場上，所述線桿系統(tǒng)包括并列設(shè)置的砼桿，每列砼桿上分上下架設(shè)有兩層平行導(dǎo)線，每層導(dǎo)線包括兩根導(dǎo)線，導(dǎo)線與砼桿之間通過絕緣子連接；所述噴霧系統(tǒng)包括噴淋管道，噴淋管道與上層導(dǎo)線平行，所述噴淋管道上設(shè)有向下的噴頭。所述試驗場上在線桿系統(tǒng)周邊圍設(shè)有風(fēng)墻。
所述風(fēng)墻與最外側(cè)的砼桿間距為2 4m。 每列砼桿由3基砼桿組成。相鄰兩基砼桿之間間距為2(T25m。下層導(dǎo)線距地面I. 2nT2. 5m，上層導(dǎo)線距地面2. 5 4m。噴頭的出霧角度為90°。所述噴淋管道與上層導(dǎo)線在豎直方向上的間距為0. 5^1. 5m。所述噴淋管道外包裹一層電伴熱帶。所述噴頭的可調(diào)節(jié)粒徑范圍為10 U nT200 U m。測量系統(tǒng)包括氣象傳感器、拉力傳感器、傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集卡，所述氣象傳感器、拉力傳感器、傾角傳感器均與數(shù)據(jù)采集卡連接。一種基于自然條件的人工覆冰試驗方法，
第一步，測量試驗溫度，試驗時氣溫要求在_15°C之間；
第二步，風(fēng)的調(diào)節(jié)當(dāng)風(fēng)向與導(dǎo)線平行或夾角大于150°時，導(dǎo)線不易覆冰，將試驗場周圍的風(fēng)墻閉合，使試驗場內(nèi)基本無風(fēng)，噴霧系統(tǒng)在無風(fēng)狀態(tài)下進行覆冰試驗；當(dāng)在風(fēng)向與導(dǎo)線走徑方向夾角介于45° 150°時，導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重，應(yīng)該打開風(fēng)墻，進行噴霧覆冰；
第三步，覆冰密度的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)的噴頭的大小以調(diào)節(jié)噴霧的粒徑，然后調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)的壓力大小以改變噴霧系統(tǒng)的水流量；
第四步，測量導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量將拉力傳感器以及傾角傳感器安裝在耐張絕緣子串的球頭掛環(huán)處，代替球頭掛環(huán)，用拉力傳感器以及傾角傳感器測量覆冰后導(dǎo)線的張力變化，測量導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量；
第五步，根據(jù)測量結(jié)果，進行數(shù)據(jù)分析。本發(fā)明的優(yōu)點
第一，其選址只需要低溫的氣候，同時采用人工噴霧系統(tǒng)模擬高濕的環(huán)境，相比自然環(huán)境下的覆冰試驗場，大大延長了試驗周期。第二，通過調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)出霧(水)壓力，可以改變環(huán)境濕度及雨量的大小，從而改變覆冰的密度及結(jié)冰速率，極大地增加了試驗研究內(nèi)容及靈活性。第三，可建造的試驗場規(guī)模大，可比照真實線路進行模擬試驗。同時在直線檔及耐張段進行覆冰試驗及測量，采用拉力傳感器進行耐張線路的覆冰測量，更為真實地模擬實際線路覆冰。第四，測量系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，將拉力、傾角傳感器信號，風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、濕度等信號通過光纖傳輸至前端主機，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲和計算；同時用220V市電不間斷供電，與傳統(tǒng)的表計式數(shù)據(jù)顯示和人工讀取方式相對比，增加了數(shù)據(jù)的連續(xù)及完整性。
第五，相比人工氣候室，其造價低，試驗場立桿，架設(shè)導(dǎo)線，場地平整及監(jiān)測系統(tǒng)總費用不到一個4米見方實驗室費用的50%。本發(fā)明 涉及的基于自然條件下的人工覆冰試驗系統(tǒng)能夠?qū)⒆匀画h(huán)境條件很好地利用，綜合兩者的優(yōu)點，同時彌補只靠自然條件試驗的不足，有針對性地進行人工干預(yù)，延長了試驗時間(周期)，得到較為理想的試驗環(huán)境參數(shù)。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2是絕緣子的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明應(yīng)用于IlOkV飛OOkV范圍的高壓輸電線路覆冰試驗研究領(lǐng)域。本發(fā)明的試驗場位于真型輸電線路綜合試驗基地所在的河南省新密市尖山山頂，海拔800多米，該地區(qū)平均氣溫比鄭州市區(qū)低5°C左右。尖山地區(qū)一年中大約有6個月的時間每天有溫度低于零下的時間段且冬季時間較長，具有很好的低溫資源。如圖I所示，本發(fā)明包括試驗場、線桿系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)及測量系統(tǒng)。線桿系統(tǒng)呈南北走向，共有9基砼桿I，形成50mX 4m的長方形，從東向西分為3列，每列由3基砼桿I組成，列間距為2米。這9基砼桿I構(gòu)成試驗場的導(dǎo)線懸掛區(qū)，形成面積為50mX5m的長方形(每基砼桿I上可懸掛東、西兩根平行導(dǎo)線2，相鄰導(dǎo)線2之間間距l(xiāng)m)。導(dǎo)線2分上下兩層布置，兩層之間的導(dǎo)線2平行，下層導(dǎo)線2距地面I. 2nT2. 5m(本實施例取I. 5m),上層導(dǎo)線2距地面2. 5^4m (本實施例取3m)。試驗場從東向西依序可掛6組導(dǎo)線2，可以實現(xiàn)12根(每根60m長)導(dǎo)線2的覆冰試驗。每根導(dǎo)線2通過絕緣子串懸掛于砼桿I之間，且與砼桿I絕緣，兩端的砼桿I模擬耐張塔，中間砼桿I模擬直線塔，形成由兩檔組成的耐張段。每檔的檔距較大，相鄰兩基砼桿I之間間距為2(T25m，本實施例為25m，導(dǎo)線弧垂明顯，可以模擬自然環(huán)境條件下的導(dǎo)線覆冰狀況。噴霧系統(tǒng)包括噴淋管道3、供水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。噴淋管道由供水系統(tǒng)供水并提供壓力，控制系統(tǒng)對供水系統(tǒng)進行控制。供水系統(tǒng)由供水裝置、管路、電磁閥和噴嘴組成。噴霧系統(tǒng)采用高壓水霧化原理，將水窖中的水過濾后加壓，并通過高效噴嘴噴出后霧化，形成許多高速運動的細小水滴，細小水滴由于自身的重量慢慢飄落到導(dǎo)線上，調(diào)節(jié)噴霧噴頭的出水量至合適大小，較小的霧化小水滴慢慢飄落，非常接近自然條件下的雨水。水滴被霧化成10 u nT200 u m的小粒徑水珠，成霧狀形態(tài)通過噴淋管道3噴到管道下方的試驗導(dǎo)線2。噴淋管道3與上層導(dǎo)線2平行，為達到需求的覆冰密度，噴淋管道離導(dǎo)線的距離根據(jù)實際試驗情況進行設(shè)定，本系統(tǒng)中噴淋管道3距上層導(dǎo)線2的間距為0. 5^1. 5m，本實施例取0. 5m?？刂蒲b置保證噴霧系統(tǒng)的正常運行，系統(tǒng)運行采用自動控制程序?？刂蒲b置安裝在控制柜內(nèi)，對系統(tǒng)及時發(fā)出開閉指令進行噴霧作業(yè)，通過調(diào)節(jié)水壓控制出霧密度及速度。噴淋管道3上設(shè)有若干噴頭4。為更接近自然條件的狀況，噴頭4在噴淋管道3上間隔I. 5m布置，此時的出霧角度為90°，然后進行覆冰噴淋。因覆冰試驗在冬季氣溫較低時進行，噴淋管道3容易上凍，所以在噴淋管道3外包裹一層電伴熱帶進行加熱保溫，以保證系統(tǒng)正常運行。
測量系統(tǒng)包括氣象傳感器、拉力傳感器6、傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和視頻監(jiān)控探頭，氣象傳感器、拉力傳感器6、傾角傳感器均與數(shù)據(jù)采集卡連接。測量系統(tǒng)可進行覆冰質(zhì)量、厚度，氣溫、風(fēng)速及環(huán)境濕度，視頻等的監(jiān)測。在試驗線路上安裝傳感器，通過網(wǎng)線傳輸至前端服務(wù)器上，通過控制平臺進行監(jiān)測。在砼桿I上的導(dǎo)線2附近裝有氣象傳感器(含溫濕度、風(fēng)速參數(shù))和視頻監(jiān)控探頭。測量系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，將拉力、傾角傳感器信號，風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、濕度等信號通過光纖傳輸至前端主機，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲和計算；同時用220V市電不間斷供電，與傳統(tǒng)的表計式數(shù)據(jù)顯示和人工讀取方式相對比，增加了數(shù)據(jù)的連續(xù)及完整性。試驗溫度要求試驗在低于0°C，盡量高于零下15°C下進行。由于在溫度較低時，過冷水滴轉(zhuǎn)變?yōu)檠?、冰晶或冰雹，不易在?dǎo)線上覆冰。在線桿系統(tǒng)的9基| 全桿I周邊圍有一圈風(fēng)墻5,風(fēng)墻5聞4米，距尚最外側(cè)的5仝桿I為2 4m (本實施例為3米)遠。風(fēng)的調(diào)節(jié)風(fēng)速和風(fēng)向會對導(dǎo)線覆冰產(chǎn)生影響，如果有風(fēng)將水滴吹向?qū)Ь€，加速導(dǎo)線覆冰。當(dāng)風(fēng)向與導(dǎo)線平行或夾角大于150°時，導(dǎo)線不易覆冰，此時，將在覆冰試驗場周圍的風(fēng)墻5閉合，此時場內(nèi)基本無風(fēng)，噴霧系統(tǒng)基本在無風(fēng)狀態(tài)下進行覆冰試驗；在風(fēng)向與導(dǎo)線走徑方向夾角介于45° 150 °時，此時導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重，需打開風(fēng)墻5，再進行噴霧覆冰。覆冰密度的調(diào)節(jié)在一定的風(fēng)速條件下，覆冰密度與噴水(霧)的粒徑大小及出水(霧)速度有關(guān)。噴霧系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)噴頭4的大小，可調(diào)節(jié)粒徑范圍在10iinT200iim之間。控制器的輸出壓力在10kg 40kg，調(diào)節(jié)壓力的大小改變噴霧系統(tǒng)的水流量。試驗的測量在耐張段導(dǎo)線2兩端加裝拉力傳感器6以及傾角傳感器。如圖2所示，絕緣子包括耐張絕緣子串7，耐張絕緣子串7左端依次連接有U行掛環(huán)8和球頭掛環(huán)9。拉力傳感器6以及傾角傳感器安裝在耐張絕緣子串的球頭掛環(huán)9處(如圖I中位置A)，代替球頭掛環(huán)9安裝。拉力傳感器6測量覆冰后導(dǎo)線的張力變化，從而得到導(dǎo)線覆冰質(zhì)量，在溫度為零下5°C ^O0C，水霧粒徑大于20 u m，風(fēng)速較大時形成雨凇，其等值覆冰厚度h=m/ P /L-d (本計算公式將覆冰截面等效為圓，計算出的是等值覆冰厚度)，其中m為覆冰后導(dǎo)線及覆冰的總質(zhì)量，由拉力及傾角傳感器測量得出為覆冰密度，雨凇時取為0. 9g/cm3，L為覆冰導(dǎo)線的長度，d為導(dǎo)線直徑。在溫度更低，水霧粒徑小于20i!m，風(fēng)速較小時形成霧凇， 此時密度P取為0. 8g/cm3。試驗場按照以上數(shù)據(jù)建好后，某次試驗在環(huán)境溫度零下8°C、濕度95%、風(fēng)速0. 4m/s，噴霧壓力設(shè)定在35kg，噴霧角度90°，6小時，覆冰最大厚度8mm。
權(quán)利要求
1.一種基于自然條件的人工覆冰試驗系統(tǒng)，包括測量系統(tǒng)，其特征在于包括試驗場、線桿系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)，所述線桿系統(tǒng)架設(shè)在試驗場上，所述線桿系統(tǒng)包括并列設(shè)置的砼桿，每列砼桿上分上下架設(shè)有兩層平行導(dǎo)線，每層導(dǎo)線包括兩根導(dǎo)線，導(dǎo)線與砼桿之間通過絕緣子連接；所述噴霧系統(tǒng)包括噴淋管道，噴淋管道與上層導(dǎo)線平行，所述噴淋管道上設(shè)有向下的噴頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的人工覆冰試驗系統(tǒng)，其特征在于所述試驗場上在線桿系統(tǒng)周邊圍設(shè)有風(fēng)墻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人工覆冰試驗系統(tǒng)，其特征在于所述風(fēng)墻與最外側(cè)的砼桿間距為2 4m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的人工覆冰試驗系統(tǒng)，其特征在于下層導(dǎo)線距地面I.2nT2. 5m,上層導(dǎo)線距地面2. 5 4m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的人工覆冰試驗系統(tǒng)，其特征在于噴頭的出霧角度為90°。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的人工覆冰試驗系統(tǒng)，其特征在于所述噴淋管道與上層導(dǎo)線在豎直方向上的間距為0. 5^1. 5m。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的人工覆冰試驗系統(tǒng)，其特征在于所述噴淋管道外包裹一層電伴熱帶。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的人工覆冰試驗系統(tǒng)，其特征在于所述噴頭的可調(diào)節(jié)粒徑范圍為10 u m 200 u m。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的人工覆冰試驗系統(tǒng)，其特征在于測量系統(tǒng)包括氣象傳感器、拉力傳感器、傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集卡，所述氣象傳感器、拉力傳感器、傾角傳感器均與數(shù)據(jù)采集卡連接。
10.一種基于自然條件的人工覆冰試驗方法，其特征在于 第一步，測量試驗溫度，試驗時氣溫要求在-15°C之間； 第二步，風(fēng)的調(diào)節(jié)當(dāng)風(fēng)向與導(dǎo)線平行或夾角大于150°時，導(dǎo)線不易覆冰，將試驗場周圍的風(fēng)墻閉合，使試驗場內(nèi)基本無風(fēng)，噴霧系統(tǒng)在無風(fēng)狀態(tài)下進行覆冰試驗；當(dāng)在風(fēng)向與導(dǎo)線走徑方向夾角介于45° 150°時，導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重，應(yīng)該打開風(fēng)墻，進行噴霧覆冰； 第三步，覆冰密度的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)的噴頭的大小以調(diào)節(jié)噴霧的粒徑，然后調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)的壓力大小以改變噴霧系統(tǒng)的水流量； 第四步，測量導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量將拉力傳感器以及傾角傳感器安裝在耐張絕緣子串的球頭掛環(huán)處，代替球頭掛環(huán)，用拉力傳感器以及傾角傳感器測量覆冰后導(dǎo)線的張力變化，測量導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量； 第五步，根據(jù)測量結(jié)果，進行數(shù)據(jù)分析。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于自然條件的人工覆冰試驗系統(tǒng)，包括測量系統(tǒng)，包括試驗場、線桿系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)，所述線桿系統(tǒng)架設(shè)在試驗場上，所述線桿系統(tǒng)包括并列設(shè)置的砼桿，每列砼桿上分上下架設(shè)有兩層平行導(dǎo)線，每層導(dǎo)線包括兩根導(dǎo)線，導(dǎo)線與砼桿之間通過絕緣子連接；所述噴霧系統(tǒng)包括噴淋管道，噴淋管道與上層導(dǎo)線平行，所述噴淋管道上設(shè)有向下的噴頭。本發(fā)明涉及的基于自然條件下的人工覆冰試驗系統(tǒng)能夠?qū)⒆匀画h(huán)境條件很好地利用，綜合兩者的優(yōu)點，同時彌補只靠自然條件試驗的不足，有針對性地進行人工干預(yù)，延長了試驗時間(周期)，得到較為理想的試驗環(huán)境參數(shù)。
文檔編號G01D21/00GK102735286SQ201210235340
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者任歡, 盧明, 呂中賓, 寇曉適, 龐鍇, 張博, 張宇鵬, 曹宏偉, 朱華, 楊威, 楊曉輝, 閻東, 陳瑞, 韓金華, 魏建林 申請人:河南電力試驗研究院