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沙尘暴导致输电导线产生电晕的机理研究

作　者: 史耀虎
导　师: 高强
学　校: 苏州大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 高压输电导线沙尘暴计算流体动力学 PIV 电晕
分类号: TM851
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高压输电线路系统作为我国电力工业的重要基础设施,在电力能源运输方面起到了不可或缺的作用,因此保证其安全运行至关重要。沙尘暴在我国西北地区发生的次数有增多的趋势,而由沙尘暴导致的高压输电导线发生电晕放电及线路短路而引起高压输电网大面积停电事故的现象经常发生,严重影响了电网的安全运行。为了减少电力系统由于沙尘暴导致的经济损失,也为我国高压输电系统安全运行提供必要的理论支持,本文建立了沙尘暴环境下的高压输电导线周围电场分布的风沙电场耦合模型,对沙尘暴导致输电导线产生电晕放电现象的机理进行了研究。首先,建立了高压输电导线在沙尘暴情况下的风沙气固两相流模型,对不同风速、不同粒径以及不同直径输电导线的情况分别进行了数值模拟,得到了各种情况下的沙粒浓度分布。模拟结果表明:在输电导线前端会出现沙粒堆积现象,随着风速的增大,堆积沙粒的体积分数有所减小;而随着粒径的增大,堆积沙粒的体积分数减小。同时,输电导线前端的沙粒会因为与输电导线的碰撞而出现反弹,之后沙粒跟随空气继续流动,输电导线后端会出现一段无沙粒区。然后,阐述了输电导线电场的计算方法,用有限元-镜像法建立了沙尘环境下高压输电导线的沙-电耦合场模型。计算了沙尘情况下输电导线周围的电场强度的分布,并将其最大值与输电导线的起晕电场强度值进行比较,结果表明在沙尘过境情况下输电导线将发生电晕放电现象,并初步揭示了沙尘暴导致高压输电导线产生电晕放电的机理。最后,通过多功能环境风洞实验,使用粒子图像测速法(PIV),对不同风速、不同直径输电导线周围的沙粒分布情况进行了实验及分析。实验结果表明:随着风速的增大,沙床上被吹起的沙粒增多,沙粒跃起的高度增加。将实验结果与风沙气固两相流的数值模拟结果进行对比,定性的证明了流场数值模拟的正确性。本文通过对风沙气固两相流及有限元电场的数值模拟和风洞实验,初步揭示了沙尘暴情况下输电导线产生电晕的机理。沙尘暴通过高压输电导线时,由于沙粒的存在及大气湍流对沙粒的作用,输电导线周围的沙粒浓度分布不同,导致了输电导线周围介质发生了改变,且沙粒带有一定的电荷,从而使输电导线周围电场强度分布发生畸变,超过了输电导线产生放电的电场强度,使输电导线产生电晕放电现象。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-17
  1.1 研究背景  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-15
    1.2.1 风沙场研究现状  12-13
    1.2.2 风沙电场研究现状  13-15
    1.2.3 输电导线放电现象研究现状  15
  1.3 研究内容和研究目标  15-17
第二章风沙两相流理论及数值模拟  17-42
  2.1 流体力学基础理论  17-20
    2.1.1 流体力学控制方程  17-18
    2.1.2 湍流控制方程  18-19
    2.1.3 气固两相流的数学模型  19-20
  2.2 数值模拟方法  20-26
    2.2.1 计算流体动力学简介  20-21
    2.2.2 控制方程的离散  21-23
    2.2.3 湍流的数值模拟方法  23-25
    2.2.4 两相流的数值计算方法  25-26
  2.3 输电导线周围风沙两相流模型的数值模拟  26-36
    2.3.1 沙尘暴概述  26-29
    2.3.2 风速、沙粒直径及导线选择  29-33
    2.3.3 风沙气固两相流模型建立  33-36
  2.4 数值模拟结果及分析  36-40
    2.4.1 数值模拟结果  36-40
    2.4.2 结论  40
  2.5 本章小结  40-42
第三章高压输电导线周围电场计算  42-56
  3.1 高压输电线路电晕放电的产生  42
  3.2 输电导线电场强度分布计算  42-45
    3.2.1 电磁场理论基础  42-43
    3.2.2 电场强度计算方法  43-45
  3.3 输电导线电晕放电的起始场强  45-47
  3.4 输电导线周围场强计算  47-54
    3.4.1 计算方法及单元类型  47-48
    3.4.2 计算模型建立  48-53
    3.4.3 计算结果及分析  53-54
    3.4.4 结论  54
  3.5 本章小结  54-56
第四章输电导线周围沙尘分布的风洞实验  56-71
  4.1 实验目的  56
  4.2 风洞实验介绍  56-61
    4.2.1 风洞实验的优点  56
    4.2.2 风洞实验装置  56-58
    4.2.3 粒子图像测速法PIV  58-61
  4.3 实验及数据处理  61-65
    4.3.1 铺沙及连接仪器  61-62
    4.3.2 标定  62-63
    4.3.3 PIV 工作步骤  63
    4.3.4 实验数据处理  63-65
  4.4 互相关分析及结论  65-70
  4.5 本章小结  70-71
第五章结论与展望  71-73
  5.1 总结  71-72
  5.2 展望  72-73
参考文献  73-77
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文  77-78
致谢  78-79

沙尘暴导致输电导线产生电晕的机理研究

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