一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于输电线路监测设备领域，涉及一种导线覆冰过程对流换热系数测量装 置，本发明还涉及利用该测量装置进行的测量方法。
【背景技术】
[0002] 冻雨、冻雾、湿雪引起的覆冰可以导致输电线路荷重增加，绝缘性能下降，严重时 可引起断线、倒杆塔，导致输电线路大面积瘫痪。且事故发生在严冬季节，大雪封山，公路结 冻，难于抢修，造成长时间停电，造成巨大的经济损失。自20世纪40年代以来，冰灾的威胁是 半个多世纪来电力系统工业界与学术界一直竭力应对的一大技术难题。
[0003] 为抗击冰害对电网系统的影响，各国除了在线路设计阶段已经针不同地区气象条 件的差异，制定相关的设计规范和导则之外，还投入了很大力量研究线路在冰灾条件下的 抗冰融冰技术。目前，分析覆冰融冰机理，研究导线覆冰热平衡过程，实时监测融冰模型中 影响因素最大的对流换热系数，更有效地对抗冰融冰采取有效措施显得尤为重要。
[0004] 对流换热系数表达了流体与固体表面的换热能力，仅受结冰对象形状、部位以及 流体物理特性影响，而与结冰对象的密度、导热率、比热容无关，因此覆冰导线多以圆柱模 型近似计算。
[0005] 目前针对导线覆冰过程对流换热系数的测量方法通常在实验室内，通过改变环境 参数，对圆柱模型进行实验。测量费时、费材，且未能灵活地对不同规格圆柱模型、圆柱模型 局部对流换热系数重复、多组的进行实验。特别是对椭圆形、扇形、D形等异形覆冰模型的对 流换热系数进行实验，测量数据人工计算，任务重，效率低。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，解决了现有技术 中存在的实验无法灵活多组，数据无法实时、在线、准确监测尤其是异形覆冰模型的对流换 热系数问题。
[0007] 本发明的技术方案是，一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，包括一块聚苯 乙烯塑料布，聚苯乙烯塑料布上固定设置有三条属性相同间距相等的镍铬铁合金扁片，整 流电源通过并联方式与三条镍铬铁合金扁片连接，对三条镍铬铁合金扁片供电；
[0008] 在每条镍铬铁合金扁片上均设置有一组热电偶，每组热电偶包括均等布置三个热 电偶、与热电偶安装位置相对应的镍铬铁合金扁片处掏空，并从掏空处引线将每个热电偶 均与多通道温度采集处理模块连接。
[0009] 本发明的特点还在于：
[0010] 多通道温度采集处理模块，包含主控芯片，主控芯片上分别连有环境温湿度采集 模块、环境风速采集模块、电源模块、通讯模块、数据存储模块、液晶显示器，信号调理电路 还连接有多通道温湿度传感器。
[0011] 主控制芯片采用SPM32单片机。
[0012] 本发明的另一目的是提供利用该导线覆冰过程对流换热系数测量装置进行测量 的方法。
[0013] 本发明的另一技术方案是，利用导线覆冰过程对流换热系数测量装置进行测量的 方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
[0014] 步骤1，采集数据，包括主控芯片定时采集稳定下的环境温度T、来流风速V、每条镍 铬铁合金扁片上均等布置的三个热电偶，的温度为T Sij(i = 1，2，3; j = 1，2，3)，
[0015] 步骤2，输入相关数据参数，
[0016]步骤3,进行换热系数模拟计算。
[0017]本发明的特征还在于，
[0018] 步骤2具体为，输入冰形模型表面温度，即步骤1中的TSlj (i = 1，2，3; j = 1，2，3);稳 定后的电流值为I、导线半径为r，设冰形模型表面温度TSi (i = 1，2，3)为三条镍铬铁合金扁 片3上三个热电偶6温度均值。
[0019] 步骤3的具体步骤为，
[0020]建立关于环境温度T、波尔兹曼常数δ、线性辐射常数a、每条镍铬铁合金扁片3电阻 R、冰形模型表面温度TSl (i = 1，2，3)的方程，
[0021] 根据热传递的基本原理，直流融冰的热平衡过程可表示为：
[0022] Qj = Q〇+Qe (1)
[0023] 式中Qj为电流焦耳热，可表示为：
[0024] Qj = I2R (2)
[0025] I为流过镍铬合金扁片电流有效值，R为镍铬合金扁片电阻。
[0026]式中Qc为对流热损失，可表示为：
[0027] Qc = Ji2rhi(Tsi-T)(i = l,2,3) (3)
[0028] 式中Qe为辐射散热，可表示为：
[0029] QE = 83ira5(T+273)3(Tsi-T)(i = l,2,3) (4)
[0030] 贝lj，冰形模型表面温度TSi(i = 1，2，3)表示如下：
[0031 ] = /3. (5) J=1
[0032] 将式(2)、（3)、（4)、（5)带入(1)式，整理得到公式(6) 3 3'
[0033] lb =[i2R- Eraser + 273)； (^ 7：?/; / 3 - T)\! TsJ3-T)U = 1,2.3) (6) i=i M
[0034] 利用公式(6)即可计算出对流换热系数lu。
[0035] 本发明的有益效果是：
[0036] (1)设备成本低，易操作，效率高。可得到具有较高准确度的导线局部对流换热系 数。
[0037] (2)可实时、在线监测冰形模型局部对流换热系数，灵活、重复、多组地对不同规格 导线进行测量。
[0038] (3)通过多通道温度采集处理采集三条镍铬铁合金扁片上的三个热电偶温度、环 境温度、环境风速，利用已建立好的方程式编程推导出具有较高准确度的冰形模型局部对 流换热系数。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明型一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置的结构示意图；
[0040] 图2是本发明型多通道温度采集处理模块的结构示意图。
[0041 ]图中，1.整流电源，2.聚苯乙烯塑料布，3.镍铬铁合金扁片，4.热电偶，5.多通道温 度采集处理模块，6.液晶显示器，7 .主控芯片，8.环境温湿度采集模块，9.环境风速风向采 集模块，10.电源模块，11.通讯模块，12.数据存储模块，13.信号调理电路，14.多通道温度 传感器，15.冰形模型。
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0043]本发明提供一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，如图1所示，包括一块聚苯 乙烯塑料布2,聚苯乙烯塑料布2上固定设置有三条属性相同间距相等的镍铬铁合金扁片3， 整流电源1通过并联方式与三条镍铬铁合金扁片3连接，对三条镍铬铁合金扁片3供电。 [0044]每条镍铬铁合金扁片3上均设置有一组热电偶4,每组热电偶包括均等布置三个热 电偶4、与热电偶安装位置相对应的镍铬铁合金扁片处掏空，并从掏空处引线将每个热电偶 均与多通道温度采集处理模块5连接。实际操作时，只需将导线覆冰过程对流换热系数测量 装置包裹在冰形模型表面15上，即可进行试验。
[0045]多通道温度采集处理模块5，如图2所示，包含主控芯片7，主控芯片7上分别连有环 境温湿度采集模块8、环境风速采集模块9、电源模块10、通讯模块11、数据存储模块12、液晶 显示器6,信号调理电路13还连接有多通道温湿度传感器14。
[0046]其中，主控制芯片7采用SPM32单片机，用于测量环境温度、来流风速、导线模型表 面温度等数据并进行存储;此外，该模块还控制通信模块的工作方式与工作状态等。所述聚 苯乙烯塑料布2具有良好的绝热绝缘性，可保证三条镍铬铁合金扁片3之间温度互不干扰。 选用镍铬铁合金扁片3电阻率大，耐热且导电性差，适用于局部测温实验。每条镍铬铁合金 扁片3上布置的三个热电偶6,在相对应的镍铬铁合金扁片3处掏空，并从掏空处引线逐一与 多通道温度传感器14中的多通道温度传感器24连接，共9个接口。使布线清晰明了，便于操 作。
[0047]聚苯乙烯塑料布具有良好的绝热绝缘性，可保证三条镍铬铁合金扁片之间温度互 不干扰。镍铬铁合金扁片电阻率大，耐热且导电性差，适用于局部测温实验。
[0048] 冰形模型15这里是根据真实覆冰导线样子设计的不锈钢筒，可定制不同尺寸、形 状，如:椭