[发明专利]一种基于CFD的输电线路覆冰状态模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于CFD的输电线路覆冰状态模拟方法，属于电力系统的气象灾害预防技术领域，包括以下步骤：利用计算流体力学仿真软件建立输电线路风洞模型；对输电线路覆冰区域进行网格划分，计算输电线路周围空气流场分布；建立空气中冷却水滴运动方程，分析求解水滴运行轨迹，进而获取水滴局部撞击系数；求解输电线路覆冰质量；计算不同时间步长下的输电线路覆冰形态，确定边界移动并进行重构；分析不同因素对输电线路覆冰形态的影响。本发明采用计算流体软件进行混合网格划分，有利于呈现输电线路覆冰形态真实模拟，同时对冷却水滴运动碰撞系数、输电线路表面单元控制体冻结系数进行计算，使得输电线路覆冰形态变化结果可靠性高。

技术领域

本发明涉及电力系统的气象灾害预防技术领域，具体为一种基于CFD的输 电线路覆冰状态模拟方法。

背景技术

输电线路覆冰是大气中冻雨在输电线路表面发生冻结的自然现象，北方寒 冷气流与南方暖湿气流交汇形成的静止锋面促使空气中冷却水滴含量增加，在 微地形和微气候的共同影响下极易导致覆冰。我国是遭受覆冰灾害严重国家之 一，2004年底，重庆地区出现了罕见的冬雨天气，导致架空线路大范围覆冰， 覆冰程度重，且持续时间长，现场实测导线覆冰厚度平均60mm，局部高达100mm, 且覆冰密度大，平均达到0.9g/cm3,冻雨天气持续时间近10天，覆冰荷载严重超 出杆塔的设计承载力。严重的输电线路覆冰常导致倒塔断线、金具损坏、导线 舞动、绝缘子串冰闪跳闸等，进而引发局部或大面积停电事故，严重威胁电力 系统安全稳定运行，不仅造成巨大经济损失，而且给人民生活带来极度不便。 然而，目前对于导线覆冰机理特性研究仍是国内外亟待解决的技术难题，覆冰 受气象参数多变性和随机性的影响，难以现场模拟观测。因此，开展输电线路 覆冰状态模拟工作，对于输电线路覆冰在线监测及预警的研究具有理论指导和 工程应用价值。

目前，国内已开展了较多输电线路覆冰状态相关研究工作，专利(CN201210316715)提供了一种用于预测输电线路上的覆冰状态的方法和装置，即 从至少一个气象传感器采集实时气象数据，通过实时气象数据、初始场以及天 气预报模型，生成气象要素预测值，以及根据气象要素预测值以及输电线路的 属性信息,获取输电线路中满足覆冰条件的线路集合；专利(CN201410697521.7) 提出了一种基于BP神经网络和模糊专家系统的输电线路覆冰状态评估方法，该 方法通过环境温度、环境相对湿度判断是否达到覆冰条件，进而获取环境温度 差、覆冰持续时间和覆冰厚度，并计算出环境温度差、等效覆冰厚度和覆冰持 续时间的覆冰权重值。专利(CN110657834A)提出了一种微地形区域电网输电线路覆冰状态判断方法及装置，通过获取微地形区域电网的气象环境，并采集 微地形区域电网的气象数据，根据微地形区域电网的气象环境和微地形区域电 网的气象数据确定微地形区域电网输电线路覆冰状态(覆冰增长状态、覆冰消 融状态)，提高覆冰状态判断的准确度。然而，这些专利提出的方法均未对输 电线路覆冰形态进行数值模拟研究，不具备较强的理论合理性，导致输电线路 覆冰形态呈现的客观性有所降低的缺点，且不具有明显的经济性和高效性等优 势。

针对上述方法存在的问题，迫切需要一种效率性更快、经济性更高的输电 线路覆冰状态模拟方法，支撑输电线路覆冰灾害损失评估，提高输电线路应对 覆冰灾害的能力和安全稳定运行水平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷， 提供一种基于CFD的输电线路覆冰状态模拟方法，该方法利用计算流体力学仿 真软件建立输电线路风洞模型，采用混合网格划分对输电线路周围空气流场分 布进行计算，通过建立空气中冷却水滴运动方程、分析水滴运动轨迹，获取水 滴与输电线路局部碰撞系数，并将输电线路覆冰表面离散成控制体，通过建立 热力学模型建立质量平衡和能量平衡方程计算输电线路覆冰质量，根据环境温 度、风速大小、输电线路直径大小等因素，输出不同因素对输电线路覆冰形态 的定量影响程度，为重要输电通道的安全稳定运行提供技术支撑。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种基于CFD的输电线路 覆冰状态模拟方法，所述方法包括以下步骤：