专利名称：一种基于自然条件的人工覆冰试验系统及其试验方法
技术领域：
本发明涉及覆冰试验领域，尤其是涉及一种覆冰试验系统。
背景技术：
输电线路覆冰导致的故障一直是国内外电力系统的严重自然灾害之一，覆冰灾害至今没有彻底的解决方法。同时线路覆冰易·引起舞动，从而引发更为严重的灾害。线路覆冰研究对电网安全及可靠运行乃至国民经济等都具有重要意义。基于自然条件的人工覆冰试验系统是将自然条件与人工干预相结合，同时弥补两者的不足，模拟自然条件(冻雨、雪等气象条件)进行试验研究的试验系统平台。目前现有的覆冰试验站一种是仅靠自然环境进行覆冰试验，一种是仅利用人工辅助进行试验。输电线路导线覆冰取决于导线周围的空气温度、一定的环境湿度、现场风速风向及雨(雪)下落的速度等因素。周围环境温度太高、湿度低、风向与导线平行及风速过大等都不利于线路覆冰。导线覆冰需要低温和高湿的环境，这首先增加了试验场地选址的难度，并且自然环境的低温天气和高湿环境同时出现的几率非常小，在一年中所占的时间短，可用于试验的时间更短，试验非常被动，很难满足一定的试验研究需求；由于自然环境条件、气象参数的不可控，基于自然环境的覆冰试验站将试验线路建在露天，待低温和高湿的环境来临时进行试验，对试验条件的依赖性过大、试验条件不能按照研究的需求进行调整、变化或更改，因此很难进行重复性试验；综上，自然条件覆冰试验站对自然环境的依赖性过大，具有极大的局限性和不可控性。另外一种覆冰试验系统在人工气候室或人为搭建的喷雾室里进行。然而人工气候室的规模一般很小，内部空间长、宽和高均在几米的范围之内，远不能模拟实际线路的规模；另外其试验条件完全靠人工调节，导线覆冰是在自然条件下形成的现象，人工气候不能完全替代自然条件下导线的覆冰过程；人工气候室的造价非常高，一个4米见方的实验室建造费用动辄上百万甚至几百万，更大规模的实验室其造价更翻倍上涨，提高了试验研究的经济成本及负担。第三，目前覆冰测量大多在覆冰导线只受重力的条件下进行，自然覆冰试验站大多采用直线档导线覆冰；人工气候室由于尺寸空间小，导线靠绝缘子支撑或悬挂，仅能实现几米范围内短距离线档的覆冰试验，与实际线路的覆冰状态差别很大。其次，大多测量系统将采集的数据显示在仪表上进行读数，这样的试验数据并非实时，且不完整。另外，目前商业化的在线监测仪器主要靠太阳能蓄电池进行供电，试验时经常出现断电的情况，导致其数据采集有一定的断续性，并不完整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于自然条件下的人工覆冰试验系统及其试验方法，便于进行覆冰机理研究、除冰融冰技术研究、绝缘子覆冰等各项试验研究。
本发明的技术方案是
一种基于自然条件的人工覆冰试验系统，包括测量系统，包括试验场、线杆系统和喷雾系统，所述线杆系统架设在试验场上，所述线杆系统包括并列设置的砼杆，每列砼杆上分上下架设有两层平行导线，每层导线包括两根导线，导线与砼杆之间通过绝缘子连接；所述喷雾系统包括喷淋管道，喷淋管道与上层导线平行，所述喷淋管道上设有向下的喷头。所述试验场上在线杆系统周边围设有风墙。
所述风墙与最外侧的砼杆间距为2 4m。 每列砼杆由3基砼杆组成。相邻两基砼杆之间间距为2(T25m。下层导线距地面I. 2nT2. 5m，上层导线距地面2. 5 4m。喷头的出雾角度为90°。所述喷淋管道与上层导线在竖直方向上的间距为0. 5^1. 5m。所述喷淋管道外包裹一层电伴热带。所述喷头的可调节粒径范围为10 U nT200 U m。测量系统包括气象传感器、拉力传感器、倾角传感器、数据采集卡，所述气象传感器、拉力传感器、倾角传感器均与数据采集卡连接。一种基于自然条件的人工覆冰试验方法，
第一步，测量试验温度，试验时气温要求在_15°C之间；
第二步，风的调节当风向与导线平行或夹角大于150°时，导线不易覆冰，将试验场周围的风墙闭合，使试验场内基本无风，喷雾系统在无风状态下进行覆冰试验；当在风向与导线走径方向夹角介于45° 150°时，导线覆冰严重，应该打开风墙，进行喷雾覆冰；
第三步，覆冰密度的调节调节喷雾系统的喷头的大小以调节喷雾的粒径，然后调节喷雾系统的压力大小以改变喷雾系统的水流量；
第四步，测量导线的覆冰质量将拉力传感器以及倾角传感器安装在耐张绝缘子串的球头挂环处，代替球头挂环，用拉力传感器以及倾角传感器测量覆冰后导线的张力变化，测量导线的覆冰质量；
第五步，根据测量结果，进行数据分析。本发明的优点
第一，其选址只需要低温的气候，同时采用人工喷雾系统模拟高湿的环境，相比自然环境下的覆冰试验场，大大延长了试验周期。第二，通过调节喷雾系统出雾(水)压力，可以改变环境湿度及雨量的大小，从而改变覆冰的密度及结冰速率，极大地增加了试验研究内容及灵活性。第三，可建造的试验场规模大，可比照真实线路进行模拟试验。同时在直线档及耐张段进行覆冰试验及测量，采用拉力传感器进行耐张线路的覆冰测量，更为真实地模拟实际线路覆冰。第四，测量系统采用数据采集卡采集数据，将拉力、倾角传感器信号，风速、风向、环境温度、湿度等信号通过光纤传输至前端主机，进行数据转换、存储和计算；同时用220V市电不间断供电，与传统的表计式数据显示和人工读取方式相对比，增加了数据的连续及完整性。
第五，相比人工气候室，其造价低，试验场立杆，架设导线，场地平整及监测系统总费用不到一个4米见方实验室费用的50%。本发明 涉及的基于自然条件下的人工覆冰试验系统能够将自然环境条件很好地利用，综合两者的优点，同时弥补只靠自然条件试验的不足，有针对性地进行人工干预，延长了试验时间(周期)，得到较为理想的试验环境参数。
图I是本发明的结构示意 图2是绝缘子的结构示意图。
具体实施例方式本发明应用于IlOkV飞OOkV范围的高压输电线路覆冰试验研究领域。本发明的试验场位于真型输电线路综合试验基地所在的河南省新密市尖山山顶，海拔800多米，该地区平均气温比郑州市区低5°C左右。尖山地区一年中大约有6个月的时间每天有温度低于零下的时间段且冬季时间较长，具有很好的低温资源。如图I所示，本发明包括试验场、线杆系统、喷雾系统及测量系统。线杆系统呈南北走向，共有9基砼杆I，形成50mX 4m的长方形，从东向西分为3列，每列由3基砼杆I组成，列间距为2米。这9基砼杆I构成试验场的导线悬挂区，形成面积为50mX5m的长方形(每基砼杆I上可悬挂东、西两根平行导线2，相邻导线2之间间距lm)。导线2分上下两层布置，两层之间的导线2平行，下层导线2距地面I. 2nT2. 5m(本实施例取I. 5m),上层导线2距地面2. 5^4m (本实施例取3m)。试验场从东向西依序可挂6组导线2，可以实现12根(每根60m长)导线2的覆冰试验。每根导线2通过绝缘子串悬挂于砼杆I之间，且与砼杆I绝缘，两端的砼杆I模拟耐张塔，中间砼杆I模拟直线塔，形成由两档组成的耐张段。每档的档距较大，相邻两基砼杆I之间间距为2(T25m，本实施例为25m，导线弧垂明显，可以模拟自然环境条件下的导线覆冰状况。喷雾系统包括喷淋管道3、供水系统和控制系统。喷淋管道由供水系统供水并提供压力，控制系统对供水系统进行控制。供水系统由供水装置、管路、电磁阀和喷嘴组成。喷雾系统采用高压水雾化原理，将水窖中的水过滤后加压，并通过高效喷嘴喷出后雾化，形成许多高速运动的细小水滴，细小水滴由于自身的重量慢慢飘落到导线上，调节喷雾喷头的出水量至合适大小，较小的雾化小水滴慢慢飘落，非常接近自然条件下的雨水。水滴被雾化成10 u nT200 u m的小粒径水珠，成雾状形态通过喷淋管道3喷到管道下方的试验导线2。喷淋管道3与上层导线2平行，为达到需求的覆冰密度，喷淋管道离导线的距离根据实际试验情况进行设定，本系统中喷淋管道3距上层导线2的间距为0. 5^1. 5m，本实施例取0. 5m。控制装置保证喷雾系统的正常运行，系统运行采用自动控制程序。控制装置安装在控制柜内，对系统及时发出开闭指令进行喷雾作业，通过调节水压控制出雾密度及速度。喷淋管道3上设有若干喷头4。为更接近自然条件的状况，喷头4在喷淋管道3上间隔I. 5m布置，此时的出雾角度为90°，然后进行覆冰喷淋。因覆冰试验在冬季气温较低时进行，喷淋管道3容易上冻，所以在喷淋管道3外包裹一层电伴热带进行加热保温，以保证系统正常运行。
测量系统包括气象传感器、拉力传感器6、倾角传感器、数据采集卡和视频监控探头，气象传感器、拉力传感器6、倾角传感器均与数据采集卡连接。测量系统可进行覆冰质量、厚度，气温、风速及环境湿度，视频等的监测。在试验线路上安装传感器，通过网线传输至前端服务器上，通过控制平台进行监测。在砼杆I上的导线2附近装有气象传感器(含温湿度、风速参数)和视频监控探头。测量系统采用数据采集卡采集数据，将拉力、倾角传感器信号，风速、风向、环境温度、湿度等信号通过光纤传输至前端主机，进行数据转换、存储和计算；同时用220V市电不间断供电，与传统的表计式数据显示和人工读取方式相对比，增加了数据的连续及完整性。试验温度要求试验在低于0°C，尽量高于零下15°C下进行。由于在温度较低时，过冷水滴转变为雪、冰晶或冰雹，不易在导线上覆冰。在线杆系统的9基| 全杆I周边围有一圈风墙5,风墙5闻4米，距尚最外侧的5仝杆I为2 4m (本实施例为3米)远。风的调节风速和风向会对导线覆冰产生影响，如果有风将水滴吹向导线，加速导线覆冰。当风向与导线平行或夹角大于150°时，导线不易覆冰，此时，将在覆冰试验场周围的风墙5闭合，此时场内基本无风，喷雾系统基本在无风状态下进行覆冰试验；在风向与导线走径方向夹角介于45° 150 °时，此时导线覆冰严重，需打开风墙5，再进行喷雾覆冰。覆冰密度的调节在一定的风速条件下，覆冰密度与喷水(雾)的粒径大小及出水(雾)速度有关。喷雾系统通过调节喷头4的大小，可调节粒径范围在10iinT200iim之间。控制器的输出压力在10kg 40kg，调节压力的大小改变喷雾系统的水流量。试验的测量在耐张段导线2两端加装拉力传感器6以及倾角传感器。如图2所示，绝缘子包括耐张绝缘子串7，耐张绝缘子串7左端依次连接有U行挂环8和球头挂环9。拉力传感器6以及倾角传感器安装在耐张绝缘子串的球头挂环9处(如图I中位置A)，代替球头挂环9安装。拉力传感器6测量覆冰后导线的张力变化，从而得到导线覆冰质量，在温度为零下5°C ^O0C，水雾粒径大于20 u m，风速较大时形成雨凇，其等值覆冰厚度h=m/ P /L-d (本计算公式将覆冰截面等效为圆，计算出的是等值覆冰厚度)，其中m为覆冰后导线及覆冰的总质量，由拉力及倾角传感器测量得出为覆冰密度，雨凇时取为0. 9g/cm3，L为覆冰导线的长度，d为导线直径。在温度更低，水雾粒径小于20i!m，风速较小时形成雾凇， 此时密度P取为0. 8g/cm3。试验场按照以上数据建好后，某次试验在环境温度零下8°C、湿度95%、风速0. 4m/s，喷雾压力设定在35kg，喷雾角度90°，6小时，覆冰最大厚度8mm。
权利要求
1.一种基于自然条件的人工覆冰试验系统，包括测量系统，其特征在于包括试验场、线杆系统和喷雾系统，所述线杆系统架设在试验场上，所述线杆系统包括并列设置的砼杆，每列砼杆上分上下架设有两层平行导线，每层导线包括两根导线，导线与砼杆之间通过绝缘子连接；所述喷雾系统包括喷淋管道，喷淋管道与上层导线平行，所述喷淋管道上设有向下的喷头。
2.根据权利要求I所述的人工覆冰试验系统，其特征在于所述试验场上在线杆系统周边围设有风墙。
3.根据权利要求2所述的人工覆冰试验系统，其特征在于所述风墙与最外侧的砼杆间距为2 4m。
4.根据权利要求I或2所述的人工覆冰试验系统，其特征在于下层导线距地面I.2nT2. 5m,上层导线距地面2. 5 4m。
5.根据权利要求I或2所述的人工覆冰试验系统，其特征在于喷头的出雾角度为90°。
6.根据权利要求I或2所述的人工覆冰试验系统，其特征在于所述喷淋管道与上层导线在竖直方向上的间距为0. 5^1. 5m。
7.根据权利要求I或2所述的人工覆冰试验系统，其特征在于所述喷淋管道外包裹一层电伴热带。
8.根据权利要求I或2所述的人工覆冰试验系统，其特征在于所述喷头的可调节粒径范围为10 u m 200 u m。
9.根据权利要求I或2所述的人工覆冰试验系统，其特征在于测量系统包括气象传感器、拉力传感器、倾角传感器、数据采集卡，所述气象传感器、拉力传感器、倾角传感器均与数据采集卡连接。
10.一种基于自然条件的人工覆冰试验方法，其特征在于 第一步，测量试验温度，试验时气温要求在-15°C之间； 第二步，风的调节当风向与导线平行或夹角大于150°时，导线不易覆冰，将试验场周围的风墙闭合，使试验场内基本无风，喷雾系统在无风状态下进行覆冰试验；当在风向与导线走径方向夹角介于45° 150°时，导线覆冰严重，应该打开风墙，进行喷雾覆冰； 第三步，覆冰密度的调节调节喷雾系统的喷头的大小以调节喷雾的粒径，然后调节喷雾系统的压力大小以改变喷雾系统的水流量； 第四步，测量导线的覆冰质量将拉力传感器以及倾角传感器安装在耐张绝缘子串的球头挂环处，代替球头挂环，用拉力传感器以及倾角传感器测量覆冰后导线的张力变化，测量导线的覆冰质量； 第五步，根据测量结果，进行数据分析。
全文摘要
本发明公开了一种基于自然条件的人工覆冰试验系统，包括测量系统，包括试验场、线杆系统和喷雾系统，所述线杆系统架设在试验场上，所述线杆系统包括并列设置的砼杆，每列砼杆上分上下架设有两层平行导线，每层导线包括两根导线，导线与砼杆之间通过绝缘子连接；所述喷雾系统包括喷淋管道，喷淋管道与上层导线平行，所述喷淋管道上设有向下的喷头。本发明涉及的基于自然条件下的人工覆冰试验系统能够将自然环境条件很好地利用，综合两者的优点，同时弥补只靠自然条件试验的不足，有针对性地进行人工干预，延长了试验时间(周期)，得到较为理想的试验环境参数。
文档编号G01D21/00GK102735286SQ201210235340
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者任欢, 卢明, 吕中宾, 寇晓适, 庞锴, 张博, 张宇鹏, 曹宏伟, 朱华, 杨威, 杨晓辉, 阎东, 陈瑞, 韩金华, 魏建林 申请人:河南电力试验研究院