人工覆冰气候室制冷系统参数计算与设备选型分析

孙利朋，蒋正龙，卢杰，赵世华，杨柳

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，湖南长沙410000；3.国网湖南省电力公司岳阳分公司，湖南岳阳414000)

人工覆冰气候室制冷系统参数计算与设备选型分析

孙利朋1，蒋正龙2，卢杰3，赵世华1，杨柳3

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，湖南长沙410000；3.国网湖南省电力公司岳阳分公司，湖南岳阳414000)

维护结构和制冷设备是开展特高压设备人工覆冰的主要设备，准确选取其参数是成功开展覆冰试验的关键。本文提出了维护结构和制冷设备的参数计算方法，并对实际的特高压人工覆冰气候室的各项制冷参数进行了测量，验证了参数选型的正确性。

特高压；覆冰；气候实验室；制冷

覆冰是严重威胁输变电设备安全运行的自然灾害之一〔1－7〕，特高压输电线路是连接全国区域电网的骨干电网，其覆冰事故对电网的安全运行危害极大。特高压人工覆冰气候试验室是研究特高压输变电设备覆冰问题的主要平台，通过在其室内开展覆冰试验，可以为特高压输变电设备在覆冰地区的设计和运行维护提供大量的技术支撑〔8－10〕。维护结构和制冷设备是特高压人工覆冰气候试验室覆冰试验的主要设备，准确选取其参数是开展覆冰试验的关键。

根据特高压人工覆冰气候室保温性能的要求，计算围护结构的参数；根据特高压设备覆冰的不同试验阶段对制冷量的需求，计算制冷设备的参数并进行设备选型；通过对实际的特高压人工覆冰气候室的降温和保温性能以及覆冰试验过程中各项参数的实测，进一步验证参数计算及设备选型的正确。

1 特高压人工覆冰气候试验室制冷系统关键参数计算说明

特高压人工覆冰气候试验室的布置图如图1所示，其内部净空尺寸为22 m(长)×22 m(宽)× 27.5 m(高)，总体积为13 310 m3，维护结构采用内保温型式。被试品为特高压绝缘子串，串长约10 m，试验时，布置在气候室的中央。在气候室外墙上安装有一支特高压环氧树脂胶浸纸绝缘穿墙套管，用于将特高压试验电压引入气候室内，其重量约为8 t。

图1 特高压人工覆冰气候试验室布置图

目前，人工覆冰试验没有IEC或国家标准可循，大部分的国内外研究机构参照Farzaneh等在20世纪90年代提出的试验方法〔9－10〕进行试验，分为4个阶段:第一阶段覆冰过程，即将被试品覆冰至预定状态，在此阶段根据制冷机组的制冷量需求不同又可分为前后两个阶段，其前阶段为气候室内空气降温过程，此过程中，覆冰喷头不喷淋覆冰水，开启所有的制冷机组，迅速将气候室的环境温度降至试验温度，后阶段为被试品覆冰过程，在此过程中，开启覆冰喷头，对被试品进行喷淋并覆冰，根据覆冰形态，控制制冷机组的开启数量和制冷功率大小，调节覆冰温度；第二阶段冰层硬化，即将冰层冷冻约20 min；第三阶段融冰过程，即关闭所有的制冷机组，开启气候室大门，让气候室内温度缓慢上升至试验温度；第四阶段试验过程，即采用升压设备进行升压试验。其中第一、二阶段需要开启制冷设备进行制冷。

2 特高压人工覆冰气候试验室制冷参数计算及设备选型

2.1 维护结构参数计算

选用的维护结构保温材料为硬质聚氨酯，该材料具有难燃、不吸水、保温性能好的特点，是特高压人工覆冰气候室的理想保温材料。

为满足保温要求，我们假定环境温度为30℃，人工气候室内温度为－15℃，保温厚度为200 mm，在制冷机组停止工作时，室内温度变化量的计算方法如下。

传热系数K:

式中∂W为气候室对外热交换系数，为23.26 W/(m2·K)；∂N为气候室对内热交换系数，为11.63 W/(m2·K)；λ1为钢材热传导系数，为36.4 W/(m·K)；δ1为气候室内维护结构的钢板厚度，为0.001 m；λ2为硬质聚氨酯的热传导系数，为0.022 W/(m·K)；δ2为气候室内维护结构硬质聚氨酯的厚度。

硬质聚氨酯板的厚度按20 cm计算，其传热系数为0.137 5 W/m2·K。

传热功率P传热:

式中F为传热面积，K为传热系数，ΔT为气候室内外温差。硬质聚氨酯板的厚度为20 cm时，传热功率P传热为20.96 kW。

设人工气候室室内每小时温升为3 K，则人工气候室内空气每小时对外释放的热量为

式中C空气为空气比热容，C空气＝1.01 kJ/kg·℃；m空气为空气质量(kg)；m空气＝ρ空气×V；ΔT温差，ΔT＝3℃；Q空气为46 661 kJ；因此，折合功率为P空气为12.96 kW。

气候室内的还有电葫芦、钢梁等钢材，总重量约50 t，钢材每小时温升3 K所释放的热量为

式中C钢材为空气比热容，C钢材＝0.452 kJ/kg·℃。Q钢材为67800 kJ，则折合功率P钢材为18.83 kW。

综合上述计算，可知:

因此，选用20 cm的聚氨酯保温板即可满足要求。

2.2 制冷设备参数计算

在覆冰试验过程中，主要存在以下部分的制冷负荷:1)气候室内空气降温冷负荷；2)维护结构冷负荷；3)覆冰水冷负荷；4)电器设备冷负荷；5)套管冷负荷；6)冷却绝缘子串冷负荷；7)密封漏冷；8)其他设备冷负荷。

设特高压人工覆冰气候室内的起始降温温度T0＝35℃，其最终温度T1＝－15℃，则温差ΔT＝50℃。

2.2.1 气候室内空气降温冷负荷

空气的降温有显热和潜热两部分。按降温3 h计算，空气的显热:

式中C空气为空气比热容，1.01 kJ/kg·℃。

显热的制冷功率P显＝Q显/t＝72 kW。空气的潜热:

式中h1为常温下的空气含湿量，为14.68 g/kg，h0为－15℃时空气的含湿量，为1.01 g/kg。

潜热的制冷功率P潜＝Q潜/t＝0.98 kW。

在空气温度由35℃降至－15℃过程中，空气中的含湿量下降，且这部分水分也会凝结成冰，但耗冷量不大，按经验值估算为P凝＝2 kW。

经计算，气候室内空气降温总制冷功率为74.98 kW。

2.2.2 维护结构冷负荷

顶部和四周维护结构冷负荷P1:

式中∂W为气候室对外热交换系数，为23.26 W/(m2·K)；∂N为气候室对内热交换系数，为11.63 W/(m2·K)；λ1为钢材热传导系数，为36.4 W/(m·K)；δ1为气候室内维护结构的钢板厚度，为0.001 m；λ2为硬质聚氨酯的热传导系数，为0.022 W/(m·K)；δ2为气候室内维护结构硬质聚氨酯的厚度，为0.2 m；S1为顶部和四周维护结构的总面积，为2 904 m2。

地面冷负荷P地:

式中δ3为气候室地面的混凝土厚度，为0.01 m；λ3为混凝土热传导系数，为1.74 W/(m·K)；S2为地面的表面积，为484 m2。

经计算，维护结构的总冷负荷为71.85 kW。

2.2.3 覆冰水冷负荷

覆冰水的冷负荷主要有3部分组成，第一部分为常温下的水制冷至零度的水；第二部分为零度的水变为零度的冰；第三部分为零度的冰降温至试验温度。

根据喷淋喷头的选型参数，气候室每小时的最大喷水量约为2 195 kg。设水的起始温度T0水＝30℃，则水温变化ΔT水＝30℃。

覆冰水第一部分制冷负荷:

式中C水为水的比热容，为4.212 kJ/kg·℃；t为降温时间，为3 600 s。

覆冰水第二部分制冷负荷:

式中C结为冰的溶解热，为333.146 kJ/kg。

覆冰水第三部分制冷负荷:

式中C冰为冰的比热容，为2.09 kJ/kg·℃；m冰为冰的质量，m冰＝m水＝2 195 kg；ΔT冰为冰降低的温度，为15℃。

经计算，覆冰水总冷负荷为299.29 kW。

2.2.4 电气设备冷负荷

考虑带电覆冰时对气候室的输入电源功率P试＝25 kW；

诱导风机2台，每台18 kW，P诱＝36 kW；

冷风机，每台11kW，共计21台，P风机＝231kW；

覆冰管道加热丝，P加热丝＝20 kW；

因此，P设＝302 kW。

2.2.5 套管冷负荷

式中C套为套管的比热容，为0.837 kJ/(kg·℃)；m套为气候室内套管的重量，为3 000 kg。

2.2.6 冷却绝缘子串冷负荷

式中C绝为瓷质绝缘子的比热容，为0.837 kJ/(kg·℃)；m绝为绝缘子重量，按50片，每片20 kg考虑，共计1 000 kg。

2.2.7 密封漏冷

按工程经验值10 kW考虑。

2.2.8 其他冷负荷

主要为房间照明，500 W灯具共10盏，P灯＝5 kW。

总制冷负荷计算:

按试验的2个阶段进行:第一阶段的制冷负荷有:降温负荷、维护结构冷负荷、电气设备冷负荷、套管冷负荷、冷却绝缘子冷负荷、密封漏冷、其他冷负荷；第二阶段的制冷负荷有:覆冰水冷负荷、维护结构冷负荷、电气设备冷负荷、套管冷负荷、冷却绝缘子冷负荷、密封漏冷、其他冷负荷。经计算，第一阶段的制冷总负荷为479.31 kW，第二阶段的制冷总负荷为703.62 kW。

因此，制冷机组的最大制冷量为703.62 kW。制冷裕量系数取1.1，制冷机组的制冷量应大于773.98 kW。

2.3 制冷设备的参数选型

考虑一定的冗余量后，结合设备制造参数，制冷机组选用2台型号为LSB720DZ的机组，其单台名义工况制冷功率为720 kW，但制冷功率与冷冻水的出水温度有关:冷冻水的出水温度越低，其制冷功率越小，名义工况的冷冻水出水温度为－5℃。人工覆冰试验时最低的冷冻水出水温度为－25℃，此时的制冷功率为400 kW，选用的2台制冷机组的制冷总功率为800 kW，略大于计算值773.98 kW。

室内制冷风机型号为HLD－200/1500型，共16台，均采用分体式设计，由换热器、离心风机、冷冻水进水和排水、冲霜水进水和排水系统等模块化方式组合，多台并联运行。

3 调试情况

3.1 制冷速度及保温效率测试

为验证制冷机组的制冷能力和维护结构的保温性能，对特高压人工覆冰气候试验室进行了制冷机组的制冷速度和维护结构的保温效率测试。试验情况如下:

在气候室外部环境温度为15℃，室内温度为12.4℃时，启动制冷机组，经过7 h 40 min，室内温度降至－17.36℃；降温过程中，存在二个线性段，拐点在－12.5℃，降温曲线如图2所示；关闭制冷机组后，经过7 h 20 min，温度由－17.36℃降低至0℃，如图3所示，平均升温速率为2.4℃/ h，基本呈线性，温度越低段，速度约高于2.4℃/h，在2.4～3.0℃/h见波动，温度从－7℃见到0℃耗时约3.5h，平均升温速率为2.0℃/h，满足特高压人工覆冰气候室的平均温升速率不超过3.0℃/h的要求。

图2 制冷速度测试结果

图3 维护结构保温性能测试结果

3.2 覆冰试验情况

为进一步验证上述计算及设备选型的可靠性，对特高压人工覆冰气候室进行了覆冰测试。自然界的覆冰(雪)主要包含雨凇、雾凇、混合淞和雪四种形态，人工环境下可以模拟的形态有雨凇、混合淞和雪，对以上3种形态进行了模拟试验。

特高压人工覆冰气候室内特高压复合绝缘子串覆雪如图4所示，试验时，气候室内温度保持为－2.8℃，覆冰水水温预冷却至2.7℃，形态为雪，覆雪时间为5 h，2台制冷机组和16台室内制冷风机全部运行，绝缘子上平均覆雪厚度为14 mm。制冷机组的能级调试输出在覆冰的降温制冷过程中显示在75%～100%之间，从而使气候室内的气温尽快达到预定温度，在覆冰喷淋阶段的输出为50%～75%之间，维持气候室内的气温。整个试验过程中，冷冻水出水温度最低值为－20℃。

图4 特高压复合绝缘子串覆雪效果图

特高压人工覆冰气候室内特高压复合绝缘子串覆混合淞如图5所示，试验时，气候室内温度保持为－2.5℃，覆冰水水温预冷却至4℃，覆冰时间为4 h 20 min，形态为混合淞(接近于雾凇)，2台制冷机组和16台室内制冷风机全部运行，绝缘子上平均冰厚为40 mm。制冷机组的能级调试输出在覆冰的降温制冷过程中显示在75%～100%之间，在覆冰喷淋阶段的输出为50%～75%之间。整个试验过程中，冷冻水出水温度最低值为－20℃。

图5 特高压复合绝缘子串覆混合淞效果图

特高压人工覆冰气候室内特高压绝缘子串覆雨淞如图6所示，试验时，气候室内温度保持为－2℃，覆冰水水温预冷却至10℃，覆冰时间为4 h，形态为雨凇，2台制冷机组和16台室内制冷风机全部运行，绝缘子上平均冰厚为28 mm。制冷机组的能级调试输出在覆冰的降温制冷过程中显示在75%～100%之间，在覆冰喷淋阶段的输出为50%～75%之间。整个试验过程中，冷冻水出水温度最低值为－20℃。

图6 特高压复合绝缘子串覆雨淞效果图

从覆冰试验的情况来看，特高压人工覆冰气候室可以模拟雨凇、混合淞和雪3种形态的覆冰，说明制冷机组的制冷效能能够满足人工覆冰制冷量的需求；制冷机组在降温制冷过程中能级调试输出为75%～100%，在覆冰喷淋过程中为50%～75%，说明制冷机组的制冷能力适当具有一定裕度，这与制冷参数的计算和机组选型结论是一致的。

4 结论

1)通过计算特高压人工覆冰气候室的传热功率与气候室内部热量的释放功率大小，核算了维护结构保温层厚度，并通过特高压人工覆冰气候试验室的保温效率测试，验证了维护结构参数计算方法是正确的；

2)根据覆冰试验过程中不同试验阶段对制冷量需求的计算，核算出制冷机组需要的最大制冷量，并通过制冷机组制冷速度测试和不同形态的覆冰试验，验证了计算结果是正确的。

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Parameters calculation and equipment selection analysis of artificial icing climate laboratories

SUN Lipeng1，JIANG Zhenglong2，LU Jie3，ZHAO Shihua1，YANG Liu3
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，Changsha 410000，China；3.State Grid Electric Power Corporation Yueyang Power Supply Company，Yueyang，414000，China)

The maintenance structure and the refrigeration equipment are the main equipments of artificial icing，accurate selection of its parameters is the key to the success development of icing test.This paper presents the calculation methods of parameters of the maintenance structure and refrigeration equipment，measures the refrigeration parameters of the actual UHV artificial icing climate chamber，and verifies the correctness of the parameter selection.

UHV；icing；artificial climate；Refrigeration

TM752.5

A

1008-0198(2016)05-0021-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.005

2016-02-25