一种交直流导线带电覆冰试验装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种交、直流导线带电覆冰试验装置。

背景技术

大气覆冰会对架空输电线路构成严重的威胁，冰的自重和伴随的风荷载会增加导线张力和支撑结构负载，严重时导致断线、倒杆、倒塔等事故，引起电力供应中断，造成巨大的经济损失，给人民的生活带来严重不便。我国受大气候、微地形、微气象影响，冰灾事故频发。

而随着我国交、直流特高压工程的快速发展，特高压输电线路将会越来越多地经过高海拔和高寒地区，大气覆冰现象会越来越严重，成为影响这些地区输电线路安全运行的重大隐患。因此需要开展交、直流导线带电覆冰试验，研究导线带电覆冰机理，解决覆冰问题。

国内外高校及科研机构在人工气候室或户外观测站中针对多种型号的导线开展了覆冰试验研究工作。目前的导线覆冰试验可以分为两类，一类是不带电覆冰试验，另一类是带电覆冰试验。对于带电覆冰试验，通常仅给导线施加高场强，或者仅给导线施加大电流。迄今为止，国内外没有实验室具备条件同时给导线施加高场强和大电流。而对于特高压实际输电线路，在导线表面具有高场强的同时负荷电流可高达近千安培，场强会影响水滴极化和冰枝增长，负荷电流会通过焦耳热影响覆冰过程。因此目前的导线覆冰试验结果与实际输电线路的真实覆冰特性存在较大差异性，不能有效解决导线覆冰问题。

由于导线带电覆冰的复杂性和安全性问题，以往试验都是在覆冰后或经过一段时间切断电源后对覆冰量和覆冰形状进行测量，没有对覆冰过程进行实时观测。此外，水滴粒径分布影响导线覆冰增长过程，而以往试验忽略了水滴粒径对导线带电覆冰的影响。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种交直流导线带电覆冰试验装置，用于模拟实际运行导线的表面场强、负荷电流及气候条件，解决了导线难以同时施加高场强和大电流的问题以及水滴粒径分布的控制问题。

本发明为解决上述问题提出以下技术方案：

一种交直流导线带电覆冰试验装置，包括电压产生模块、高场强产生模块以及负荷电流产生模块，其中，用于覆冰的导线置于所述高场强产生模块中且导线两端分别由所述高场强产生模块的两端伸出，并且，所述导线与所述高场强产生模块同轴；所述电压产生模块用于产生试验所需电压；所述高场强产生模块用于在低于导线实际传输电压的一较低电压下产生对应于导线实际传输电压的等效场强；所述负荷电流产生模块通过发热方式来模拟负荷电流对导线的等效作用。

本发明提出的上述技术方案，一方面通过将导线和高场强产生模块设计为同轴关系，以在低于导线传输电压的相对较低电压下即可产生等效高场强；另一方面，在覆冰试验导线表面产生高场强的同时，还能通过负荷电流产生模块来模拟导线实际工作中的大电流。由于负荷电流产生模块模拟大电流的方式并非直接产生大电流，而是通过发热的方式模拟导线实际运行中大电流对其所产生的发热作用，以此来模拟大电流(因为电流对导线的影响作用主要表现在会让导线变热)，因而克服了现有技术中在施加高场强的同时，不再具备施加大电流的条件的难题，从而使得本发明的覆冰试验非常接近于导线实际运行情况，克服了现有技术中覆冰试验结果与实际输电线路的真实覆冰特性存在较大差异的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的交直流导线带电覆冰试验装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例提出的一种交直流导线带电覆冰试验装置(在以下的描述中简称“装置”)示意图，该装置用于对特高压、超高压传输线路中的导线进行覆冰试验。参考图1，该装置包括电压产生模块、高场强产生模块以及负荷电流产生模块，其中，用于覆冰的导线17置于高场强产生模块中且导线两端分别由该高场强产生模块的两端伸出，并且，导线17与高场强产生模块同轴。电压产生模块用于产生试验所需电压；高场强产生模块用于在低于导线实际传输电压的一较低电压下产生对应于导线实际传输电压的等效场强，比如超高压或特高压传输线路中的导线表面场强；负荷电流产生模块通过发热方式来模拟负荷电流对导线的等效作用，即负荷电流对导线所产生的焦耳热作用。这样一来，本发明实施例的装置即可进行高场强、大电流下，与实际情况相符的带电覆冰试验。

继续参考图1，所述电压产生模块包括试验电源1、试验调压器2和试验变压器3；其中，试验电源1与试验调压器2的一次侧相连，试验调压器2的二次侧与试验变压器3的一次侧相连，试验变压器3的二次侧一端接地、另一端经过一保护电阻4连接至导线17的左端。试验电源(SRC)1负责提供导线带电覆冰所需的交流电源或直流电源；试验调压器2调节电源的电压幅值，将一次侧输入的给定幅值的电压信号转变为二次侧输出的幅值可调的电压信号；试验变压器 3将一次侧输入的低幅值电压信号转变为二次侧输出的高幅值电压信号；保护电阻4可以起到保护作用，防止电流过大损坏装置。

在一些实施例中，可以构造一人工气候室19，并可将装置的高场强产生模块、负荷电流产生模块和覆冰试验用的导线17置于人工气候室19内，而电压产生模块位于人工气候室以外。另外，可以通过一绝缘的高压穿墙套管6来支撑高压导线使高压导线安全穿过人工气候室墙壁，具体而言，该高压穿墙套管6设置在保护电阻4与覆冰试验用的圆柱形导线17左端之间的高压导线上。此外，导线17的左端可以采用一支柱绝缘子18进行支撑。

继续参考图1，所述高场强产生模块包括电晕笼测量段14和分别设置于电晕笼测量段14两端的两个电晕笼防护段15；导线17的两端分别由两个电晕笼防护段15伸出。由于覆冰用圆柱型导线17与电晕笼测量段14之间采用同轴结构，可以在较小电晕笼直径(不大于1.2米)条件下以相对较低的电压在覆冰导线表面产生等效于实际超、特高压输电线路导线表面场强大小的等效电场强度。比如，导线实际应用于传输100kV的电压，但是由于导线与电晕笼测量段是同轴结构，因此只需要以较低的电压(比如12kV等远远低于实际传输电压的较低电压)即可产生与实际传输电压时导线表面的场强相同的高场强。

所述负荷电流产生模块包括电池单元11、发热单元和防电晕结构，所述发热单元是预埋在导线17内且连接于所述电池单元11，以利用电池单元所提供的电源而发热，模拟实际运行中负荷电流对导线的等效作用。现有技术的试验方案中，在施加了高场强的情况下，已不具备施加大电流的条件(因为再施加大电流会导致超出可承载电流范围而损毁)。而本发明并不直接施加大电流，对于超、特高压工程的实际运行导线，其负荷电流是通过产生焦耳热影响覆冰过程，因此若覆冰用圆柱型导线17的发热功率与实际运行导线的发热功率一致，那么对覆冰过程的影响也是一致的。基于此，设置了前述的负荷电流产生模块来模拟实际中大电流对导线的等效作用，从而可以模拟导线实际运行中高场强和大电流同时存在的场景。假设实际运行导线的单位长度电阻为R

所述防电晕结构用于使导线17端部电场分布均匀，避免电晕放电，同时还可屏蔽外部电场对所述电池单元11的影响。可以利用防电晕均压球12来实现，如图1，防电晕均压球12将电池单元11以及导线17的右端容纳在其内腔中，顺带地发热单元与电池单元连接的一端也位于防电晕均压球12内。这样一来，提高带电覆冰的试验安全性。

另外，电池单元11可以采用蓄电池。发热单元包括电连接于电池单元11的发热元件13和包覆于发热元件13外的导热部件16，导热部件16例如可以是导热层或导热套管等，发热元件13例如可以是电阻丝或其它电发热元件。优选地，发热元件13和导热部件16与圆柱型导线17同轴设置。利用包覆在电阻丝外部的具有较高热传导率的导热层，可将电阻丝产生的焦耳热迅速均匀传递到覆冰用圆柱型导线17各处，使得导线表面各处等温。

继续参考图1，在另一些实施例中，该装置还可进一步包括连接于所述高场强产生模块的电晕特性测量模块，以及连接于所述电晕特性测量模块与所述电压产生模块的电学量采集处理模块。其中，所述电学量采集处理模块用于收集所述电晕特性测量模块和所述电压产生模块的实时数据并进行数据处理，以供用户研究导线在覆冰条件下的性能。具体而言，所述电学量采集处理模块包括数据采集卡9和计算设备10，所述电晕特性测量模块包括并联的测试电阻(Rs)7和电流表8，电学量采集处理模块的数据采集卡9采集试验变压器3输出电压及来自于电流表8的电晕电流数据，用户可以根据数据采集卡DAQ9所采集的数据进行分析计算来获知不同的导线覆冰条件下的性能，比如可以用于分析不同覆冰强度下能量损耗，获知有效传输能量等。

在一些具体实施例中，可在电压产生模块的试验变压器3的二次侧的所述另一端连接一分压器5，分压器5采用两个串联的电容来实现，电学量采集处理模块的数据采集卡获取两个电容的中点电压然后通过计算设备10来计算试验变压器输出的高幅值电压。

继续参考图1，在另一些实施例中，该装置还可进一步包括水滴粒径控制模块，用来控制用于覆冰的水滴粒径，以模拟不同气候条件下的覆冰情况。比如，雾天的水滴粒径相对较小，雨天的水滴粒径相对较大，可以利用该模块来控制水滴大小，模拟不同气候条件下的覆冰情况。所述水滴粒径控制模块包括粒度仪 23)水压控制器24、气压控制器25和喷头26，所述喷头26与所述水压控制器 24及气压控制器25相连。通过调节水压和气压，喷头可以喷出不同粒度的水滴，粒度仪能够对水滴的粒度进行观测和记录，从而实现了水滴粒径分布的控制。

继续参考图1，在另一些实施例中，该装置还可包括实时观测记录模块，用于实时观测覆冰变化过程并记录。所述实时观测记录模块包括特制观察箱20、防雾玻璃21和高清摄像机22，通过高清摄像机实时采集覆冰过程。由于导线带电覆冰过程中，空气湿度较大，可能导致摄像机镜头起雾，因此将高清摄像机放在特制观察箱内避免干扰，观察窗口是具有除雾功能的玻璃，保证实时记录的清晰度和完整度。

综上，本发明实施例提供的如图1所示的交直流导线带电覆冰试验装置，可达成如下的功效：1)可在覆冰用圆柱型导线表面产生高场强的同时产生等效负荷电流，模拟超、特高压工程运行导线实际工况，为解决导线覆冰问题提供有效的、准确的、可靠的实验数据。2)其中利用高热传导率材料实现了覆冰用圆柱型导线表面的等温，与实际工况一致。3)满足高压试验的安全性要求，降低了设备损坏的风险，提高试验安全性。4)可控制水滴粒径分布，研究其对交、直流导线带电覆冰特性的影响。5)该发明可实时记录覆冰表面的变化情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。