一种输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法技术

一种输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，属于输电线路绝缘子覆冰预测技术领域。S1建立等比例绝缘子三维几何模型并构建外流场区域；S2确定绝缘子覆冰连续相空气流场及分散相水滴的运动轨迹；S3通过三角面积投影法获得绝缘子表面局部碰撞系数；S4根据冻结系数值的大小判断覆冰增长类型；S5由“点

【技术实现步骤摘要】
一种输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法


[0001]一种输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，属于输电线路绝缘子覆冰预测


技术介绍

[0002]随着国民经济的快速发展，为满足日益增长的电力需求，实现我国大范围的电力资源优化配置，国家电网公司建设了多条特高压交、直流输电线路。特高压输电线路在输送容量、电能损耗、经济性等方面有明显优势。但由于输送距离远，不可避免地穿越气候环境复杂的地区，绝缘子作为电力系统中重要的器件，其电气特性对电力系统的安全稳定运行起着决定性的作用。在正常环境下，绝缘子的性能能够满足线路运行的要求。但在低温天气，绝缘子表面的覆冰积雪将严重降低绝缘子的电气及机械强度，导致绝缘子闪络、倒杆倒塔等严重影响电网安全稳定运行的事故发生，故需要针对上述问题提高输电线路绝缘子的设计标准和防灾水平。
[0003]目前对于输电线路覆冰预测模型的研究大多集中在输电导线方面，由于绝缘子结构复杂，目前尚无较成熟的绝缘子覆冰预测模型。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，用以建立极端环境下输电线路防冰减冰预警机制。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：S1建立等比例绝缘子三维几何模型并构建外流场区域；S2根据实际气象数据设置流场的边界条件，得到绝缘子覆冰连续相空气流场及分散相水滴的运动轨迹；S3提取水滴从释放到被绝缘子捕获整个过程的三维坐标、速度大小与方向，通过三角面积投影法获得绝缘子表面局部碰撞系数；S4根据能量守恒原理构建热平衡方程确定绝缘子表面各位置冻结系数，并根据冻结系数值的大小判断覆冰增长类型；S5确定一个时间步长内的覆冰增长，由“点
‑
线
‑
面
‑
体”建模法对覆冰边界进行重构，得到绝缘子覆冰增长形态的三维模型；S6将三维模型作为下一个时间步长内空气流场的初始条件，重复上述步骤进行覆冰增长的循环迭代，直至获得所需时间内的覆冰形态。
[0006]优选的，S2中的所述边界条件为：优选的，S2中的所述边界条件为：优选的，S2中的所述边界条件为：；
；其中，为湍流场入口速度，为环境风速，为湍流场出口压力，为湍流强度，为湍流尺度，为计算域的水力直径，为雷诺数。
[0007]优选的，所述方法还包括，覆冰绝缘子空气外流场视为常温、低速、不可压缩湍流流动，建立湍流模型：；其中，是流场中的速度矢量；是空气的动力粘度；是由于空气湍流额外产生的动力粘度；是空气密度；为湍流动能；是湍流耗散率；是主应力张量；为体积力；、分别为和的有效普朗特常数的倒数；、、为湍流模型参数；为湍流动能源项。
[0008]优选的，所述方法还包括，忽略较小的Saffman 升力、附加质量力、压差力等，可认为过冷却水滴只受到气流曳力及重力的作用，单个水滴拉格朗日运动控制方程为：其中，等式右侧第一项为水滴的剩余重力，即水滴重力减去空气浮力的剩余部分；和分别是水滴的重量和重力加速度；是水滴密度；等式右侧第二项为水滴受到的气体曳力；和分别为空气流体相和水滴相瞬时速度；为液滴直径；为空气流体的动力粘度。
[0009]优选的，S3中通过三角面积投影法获得绝缘子表面局部碰撞系数的方法如下：；其中，为局部碰撞系数；、、分别为三个过冷却水滴撞击绝缘子表面时的速度；为三个水滴释放时初速度，三个水滴初速度一致；为三个水滴初始释放位置组成的三角形的面积；为三个水滴撞击在绝缘子表面后所组成三角形的面积。
[0010]优选的，所述方法还包括，冻结系数基于热平衡方程推导出，绝缘子覆冰过程中的
热平衡方程为：；；；；；；；；；；；。
[0011]其中，为绝缘子表面某控制单元碰撞并捕获水滴的部分由0℃水冻结为0℃冰过程中释放的潜热；为所取控制单元面积；、、分别为碰撞系数、捕获系数和冻结系数，捕获系数恒为1；为液态水含量；为环境风速；，为冰的融化潜热；为气流的摩擦加热；为水滴碰撞动能；为0℃的冰冻结至覆冰绝缘子表面稳态温度时释放的热量；为冰的比热；为短波辐射所获能量；为对流热损失；是覆冰表面对流换热系数；为环境温度；为覆冰动态平衡时覆冰表面温度；为液态水蒸发或冰的升华所带走的热量；为蒸发或升华系数；为温度为时的覆冰表面的水面或冰面的饱和水汽压；为温度在时的蒸发或升华潜热；为空气比热；为气压；为大气中的过冷却水滴冻结在绝缘子表面时，由过冷却状态的迅速上升至0℃过程中过冷却水滴吸收的热量；为液态水的比热；为长波辐射损失的热量；为冰面发射率，为 Stefan
‑
Boltzman 常量；为传导热损失；为热传导法线方向的温度梯度；为未冻结部分过冷却水滴离开冰面带走的热量。
[0012]优选的，所述方法还包括，冻结系数为：
。
[0013]优选的，所述方法还包括，湿增长覆冰时，覆冰沿着绝缘子表面法向增长；干增长覆冰时，覆冰沿着液滴碰撞方向增长。
[0014]优选的，所述方法还包括，覆冰增长速率为：；其中，为液态水含量；为环境风速；为覆冰密度，计算方式为：；其中，，为水滴半径，为覆冰表面温度，为风速。
[0015]优选的，所述方法还包括，覆冰形态的重构通过“点
‑
线
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面
‑
体”从低维到高维的建模方法实现。
[0016]优选的，所述方法还包括，冰形重构完成后以该形态作为下一时间段空气流场计算初始条件，反复迭代计算直至获得所求时间的覆冰形状和覆冰量。
[0017]与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果是：本输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法不仅可以预测覆冰增长形态，还可以预测绝缘子表面任何位置覆冰增长厚度及覆冰质量，通过迭代空气流场的计算方法实现了较于现有方法更强的精确性，可用于构建极端环境下输电线路覆冰预警机制，具有良好的应用前景。
附图说明
[0018]图1为输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法的流程图；图2是三角面积投影法示意图；图3是绝缘子杆径覆冰重构建模法示例图；图4是覆冰一小时内的覆冰形态预测与试验对比示意图；图5是绝缘子覆冰长度试验实例与仿真对比；图6是绝缘子覆冰质量试验实例与仿真对比。
具体实施方式
[0019]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明，然而熟悉本领域的人们应当了解，在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释，本专利技术的结构必然超出了有限的这些实施例，而对于一些等同替换方案或常见手段，本文不再做详细叙述，但仍属于本申请的保护范围。
[0020]图1~6是本专利技术的最佳实施例，下面结合附图1~6对本专利技术做进一步说明。
[0021]如图1所示：一种输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，包括以下步骤：S1建立等比例绝缘子三维几何模型并构建外流场区域。
[0022]S2根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：S1建立等比例绝缘子三维几何模型并构建外流场区域；S2根据实际气象数据设置流场的边界条件，得到绝缘子覆冰连续相空气流场及分散相水滴的运动轨迹；S3提取水滴从释放到被绝缘子捕获整个过程的三维坐标、速度大小与方向，通过三角面积投影法获得绝缘子表面局部碰撞系数；S4根据能量守恒原理构建热平衡方程确定绝缘子表面各位置冻结系数，并根据冻结系数值的大小判断覆冰增长类型；S5确定一个时间步长内的覆冰增长，由“点
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线
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面
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体”建模法对覆冰边界进行重构，得到绝缘子覆冰增长形态的三维模型；S6将三维模型作为下一个时间步长内空气流场的初始条件，重复上述步骤进行覆冰增长的循环迭代，直至获得所需时间内的覆冰形态。2.根据权利要求1所述的输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，其特征在于：S2中的所述边界条件为：在于：S2中的所述边界条件为：在于：S2中的所述边界条件为：；；其中，为湍流场入口速度，为环境风速，为湍流场出口压力，为湍流强度，为湍流尺度，为计算域的水力直径，为雷诺数。3.根据权利要求1所述的输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，其特征在于：所述方法还包括，覆冰绝缘子空气外流场视为常温、低速、不可压缩湍流流动，建立湍流模型：；其中，是流场中的速度矢量；是空气的动力粘度；是由于空气湍流额外产生的动力粘度；是空气密度；为湍流动能；是湍流耗散率；是主应力张量；为体积力；
、分别为和的有效普朗特常数的倒数；、、为湍流模型参数；为湍流动能源项。4.根据权利要求1所述的输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，其特征在于：所述方法还包括，单个水滴拉格朗日运动控制方程为：其中，和分别是水滴的重量和重力加速度；是水滴密度； 和分别为空气流体相和水滴相瞬时速度；为液滴直径；为空气流体的动力粘度。5.根据权利要求1所述的输电线路绝缘子表面无溢流覆冰增长数值模拟方法，其特征在于：S3中通过三角面积投影法获得绝缘子表面局部碰撞系数的方法如下：；其中，为局部碰撞系数；、、分别为三个过冷却水滴撞击绝缘子表面时的速度；为三个水滴释放时初速度，三个水滴初速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡玉耀，刘宗源，赵冲，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：