一种超高压带电热风除冰装置的作业参数优化方法与流程

本发明属于电力设备带电除冰，具体涉及一种针对超高压变电站套管带电热风除冰作业的多约束参数优化控制方法，尤其适用于750kv及以上电压等级变电站的带电除冰作业。

背景技术：

1、在冬季严寒天气条件下，超高压变电站的变压器套管外绝缘表面极易发生覆冰现象。随着覆冰厚度的增加，冰层可能在套管伞裙间形成冰凌桥接，显著降低套管的绝缘强度。在恶劣气象条件下，覆冰套管表面易发生局部电弧放电，严重时将引发冰闪事故，导致设备跳闸和大面积停电，对电网的安全稳定运行构成严重威胁。因此，及时有效地清除变电站套管表面的覆冰，是保障超高压电网冬季安全运行的重要措施。

2、目前，变电站套管的除冰技术主要包括停电人工除冰、机械振动除冰、电流焦耳热融冰以及带电热风除冰等方式。其中，停电人工除冰需要设备退出运行，直接影响供电可靠性，且在冬季用电高峰期间，调度部门难以安排足够的停电作业窗口，导致除冰时机严重滞后。机械振动除冰通过外部敲击或振动使冰层脱落，但操作难以控制，易对套管外绝缘材料造成机械损伤，且对于超高压带电设备存在较大的作业风险。电流焦耳热融冰技术主要应用于输电线路，通过增大导线电流产生焦耳热融化覆冰，但变压器套管为静止设备，无法通过增大负荷电流实现融冰，该方法对套管除冰不适用。

3、带电热风除冰技术是近年来发展起来的一种新型带电除冰手段。该技术利用鼓风机将环境空气送入加热器进行加热，产生高温气流后通过风管喷射至覆冰套管表面，利用热气流与冰层之间的对流换热及热传导效应，使冰层吸收热量后融化或剥离。与传统的停电除冰方式相比，带电热风除冰技术无需设备停电，可在设备带电运行状态下实施，极大地提高了除冰作业的灵活性和及时性；与机械除冰相比，热风除冰为非接触式作业，不会对套管外绝缘造成机械冲击损伤。因此，带电热风除冰技术已成为超高压变电站套管除冰的重要技术手段之一。

4、然而，带电热风除冰作业涉及多个相互耦合的作业参数，主要包括出风口温度、出风风速以及出风口到套管表面的作业距离。这些参数的选择直接决定了除冰效率、能耗水平以及作业安全性。在实际工程应用中，上述参数的选择目前多依赖操作人员的经验判断，缺乏科学的定量优化方法。经验性的参数选择往往存在以下问题：一是参数搭配不合理导致除冰能耗过高，造成能源浪费；二是为保证除冰效果而盲目提高温度或风速，可能超出安全约束边界，引发设备损伤或人员安全事故；三是参数选择过于保守，虽然保证了安全，但除冰效率低下，延长了作业时间，增加了带电作业风险暴露时长。

5、从学术研究现状来看，已有部分学者针对热风除冰开展了单因素试验研究，探讨了风速、温度等单一参数对融冰时间的影响规律。然而，这些研究多局限于实验室环境下的单变量分析，未考虑超高压带电作业场景下的多重安全约束条件，也未建立以能耗最小化为目标的多参数联合优化模型。在实际工程环境中，热风除冰作业必须同时满足多重安全约束：作业距离必须大于对应电压等级的带电作业最小安全距离，以防止空气间隙击穿；出风温度过高或定点吹扫时间过长可能导致套管伞裙表面局部过热，损伤硅橡胶或瓷质外绝缘材料；热风到达冰面时的温度必须高于冰点，否则无法实现有效融冰；射流冲击力过大可能导致冰块高速飞溅，损伤套管表面或危及操作人员安全。上述约束条件相互交织，形成了复杂的多约束可行域，单参数研究方法无法在此可行域内寻找到全局最优的参数组合。

6、因此，亟需建立一种能够在保障多重安全的前提下，以实现除冰总能耗最小化为目标的作业参数优化方法，将热风除冰的参数选择从经验判断提升为科学优化，从而提高带电热风除冰作业的科学性、经济性和安全性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超高压带电热风除冰装置的作业参数优化方法。该方法以除冰总能耗最小为优化目标，以带电作业安全距离、套管外绝缘材料热保护、融冰有效性和射流冲击安全性为约束条件，建立多约束优化模型，通过射流换热模型计算不同参数组合下的关键物理量，在满足全部安全约束的参数组合中选取能耗最低的最优作业参数组合，从而在保证作业安全的前提下实现除冰能耗的最小化。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种超高压带电热风除冰装置的作业参数优化方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：获取作业现场的环境参数和覆冰状态参数。

5、所述环境参数至少包括环境温度t0，所述覆冰状态参数至少包括覆冰厚度dice和覆冰类型。其中，环境温度t0通过部署在变电站现场的气象传感器实时获取，所述气象传感器安装于作业区域附近的无遮挡位置，以准确反映套管所在微环境的大气温度。覆冰厚度dice的获取方式包括人工直接观测和基于等效模型的预测方法两种：人工观测法由作业人员使用标准测厚工具在套管不同高度位置进行多点测量后取算术平均值；等效模型预测法则基于累计气象参数，包括环境温度、相对湿度、风速、降水量以及覆冰持续时间，通过物理经验模型计算得到等效覆冰厚度。覆冰类型根据形成时的气象条件和现场观测特征综合确定，主要分为雾凇、雨凇和混合凇三种类型：雾凇通常在过冷却雾滴环境下形成，外观呈白色结晶状，结构疏松，密度较小，附着力相对较弱；雨凇由过冷却雨滴在接触物体表面时冻结形成，外观呈透明或半透明状，结构致密坚硬，附着力强；混合凇则为雾凇与雨凇的混合形态，其物理特性介于两者之间。

6、步骤s2：建立以除冰总能耗e最小为优化目标、以多安全条件为约束的优化模型。

7、所述优化目标为最小化除冰总能耗e，目标函数表示为min e = p·t，其中p为热风除冰装置的加热功率，单位为千瓦；t为完成当前覆冰厚度下除冰作业所需的时间，单位为小时；e为除冰总能耗，单位为千瓦时。在除冰装置额定功率确定的情况下，优化目标等价于最小化除冰时间；在功率可调的情况下，则需在功率与时间之间寻求使乘积最小的最优平衡。

8、所述约束条件包括以下四个方面：

9、约束条件c1为安全距离约束：出风口到套管表面的作业距离l必须不小于对应电压等级的带电作业最小安全距离lmin，即l≥lmin。该约束是防止高电压击穿空气间隙、保障作业人员和设备安全的基本电气绝缘要求。对于750kv电压等级的超高压变电站，根据带电作业安全规程，最小安全距离lmin取为0.20米。对于其他电压等级，lmin按照相应国家标准和行业规范确定。

10、约束条件c2为材料保护约束：除冰过程中套管伞裙表面最高温度tsurface不得超过套管外绝缘材料的允许最高工作温度tmax，即tsurface≤tmax。该约束旨在防止热风长时间吹扫导致套管外绝缘材料局部过热，引发硅橡胶材料的热老化、开裂或瓷材料的局部热应力损伤。对于硅橡胶复合外套套管，其允许最高工作温度tmax取为170℃；对于瓷外套套管，tmax取为190℃。tsurface的数值通过射流换热模型结合套管表面与热射流的对流换热关系计算得到，其大小与出风口温度、出风风速、作业距离以及套管表面的传热特性相关。

11、约束条件c3为融冰有效性约束：热风到达冰层表面时的温度tice必须不低于0℃，即tice≥0℃。该约束是保证冰层能够从固态融化为液态的基本热力学条件。若tice低于0℃，热射流无法向冰层提供足够的融化潜热，除冰过程将无法有效进行，仅可能通过升华或微弱的热传导产生极慢的除冰效果，不满足工程实用性要求。

12、约束条件c4为射流安全约束：热风射流在冰层表面产生的动压pd不得超过冰层安全剥离压力阈值psafe，即pd≤psafe。该约束的目的是防止射流冲击力过大导致冰块以高速飞溅的方式剥离，高速飞溅的冰块可能撞击套管伞裙造成机械损伤，或对下方作业人员构成安全威胁。所述冰层安全剥离压力阈值psafe根据覆冰类型进行差异化设置：雾凇覆冰时，由于其结构疏松、附着力弱，psafe取为500pa；雨凇覆冰时，由于其结构致密坚硬、附着力强，psafe取为800pa；混合凇覆冰时，psafe取雾凇与雨凇对应阈值的中间值，即650pa。通过差异化设置阈值，在保证有效除冰的同时，针对不同覆冰类型提供相适应的安全边际。

13、步骤s3：采用射流换热模型计算不同参数组合下的关键物理量。

14、所述射流换热模型基于圆管自由射流理论建立，用于计算热风从圆形出风口喷出后，在到达冰层表面过程中的温度衰减和动压衰减特性。圆管自由射流在喷出后，其流场结构沿轴向可分为势流核心区、过渡区和充分发展区。在势流核心区内，射流中心区域的温度和速度基本保持出口值；进入过渡区和充分发展区后，射流与环境空气发生强烈的质量、动量和热量交换，导致温度和动压沿轴向显著衰减。

15、温度衰减的计算公式为：

16、tice = t0 + (tout - t0 )·η(l)

17、其中，tice为热风到达冰层表面时的温度，t0 为环境温度，tout为出风口温度，l为作业距离，η(l)为与距离l相关的温度保持系数。温度保持系数η(l)反映了射流在传输过程中因与环境冷空气掺混和热交换而导致的温度损失程度，其数值由预先标定的温度衰减试验曲线确定。标定方法为：在标准环境条件下，使用布置在不同轴向距离处的热电偶阵列测量射流截面的质量平均温度，获得不同距离l对应的温度保持率试验数据，通过数据拟合建立η(l)随l变化的衰减曲线。根据试验标定数据，在环境温度20℃、出风口温度200℃的条件下，当作业距离l为0.20米时，冰面温度约为171.7℃，对应的温度保持系数约为0.843；当作业距离l增至1.0米时，冰面温度降至约145.2℃，对应的温度保持系数约为0.696。

18、动压衰减的计算公式为：

19、pd= 0.5·ρ·v²·μ(l)

20、其中，pd为热风射流在冰层表面的动压，ρ为空气密度，v为射流中心风速，μ(l)为与距离l相关的动压保持系数。在势流核心区内，射流中心风速v近似等于出风风速vout；在充分发展区，中心风速随距离增加而降低。动压保持系数μ(l)反映了射流动量在传输过程中的损失程度，其数值由预先标定的动压衰减试验曲线确定。标定方法为：使用皮托管或热线风速仪在不同轴向距离处测量射流中心的动压或风速，获得不同距离l对应的动压保持率试验数据，通过数据拟合建立μ(l)随l变化的衰减曲线。根据试验标定数据，在作业距离l为0.20米处，该位置处于势流核心区内，动压保持率约为100%，即μ(l)近似为1.0；当作业距离l增至0.50米时，动压衰减至约73.5%，即μ(l)约为0.735。

21、空气密度ρ可根据当地大气压力和射流平均温度按理想气体状态方程计算，在标准大气压和常温条件下可近似取1.2千克每立方米。对于高温射流，应使用射流平均温度下的空气密度值以提高计算精度。

22、步骤s4：在满足约束条件c1至c4全部约束条件的参数组合中，选取使除冰总能耗e最小的最优参数组合。

23、所述选取过程在预设的出风口温度、出风风速和作业距离参数范围内进行。具体地，根据除冰装置的额定性能确定参数搜索空间，例如出风口温度可在常温至200℃范围内按一定步长离散化，出风风速可在装置额定风量对应的流速范围内按一定步长离散化，作业距离在满足c1的前提下在lmin至装置有效射程范围内离散化。对每个离散参数组合(tout，vout，l)，依次执行步骤s3的射流换热模型计算，得到tice、tsurface和pd，并逐一验证是否满足c1至c4的全部约束条件。对满足所有约束条件的可行参数组合，根据除冰时间t的计算结果和装置加热功率p计算除冰总能耗e = p·t，通过比较所有可行组合的能耗值，确定使e达到最小的最优参数组合(tout、vout、l)。

24、所述除冰时间t与出风口温度tout、出风风速vout、作业距离l和覆冰厚度dice相关，其具体数值通过预先标定的经验模型或试验数据库确定。所述经验模型或试验数据库的建立方法为：在不同环境温度、覆冰厚度、覆冰类型以及不同作业参数组合条件下开展系统性除冰试验，记录各条件下将覆冰完全清除所需的实际时间，采用多元回归拟合或神经网络等方法建立除冰时间t与上述影响因素之间的映射关系，或构建可直接查询的试验数据对照表。

25、当参数空间中存在多个不同的可行参数组合同时使除冰总能耗e达到最小值时，优先选择作业距离l最大的参数组合作为最优解，以最大化电气安全裕度，降低高电压环境下的作业风险。

26、步骤s5：将所述最优参数组合输出至除冰装置的控制系统，执行除冰作业。

27、所述输出方式包括数字信号输出、模拟量信号输出或通过工业通信协议传输。除冰装置的控制系统接收到最优参数组合后，自动调节加热器的输出功率以使出风口温度达到最优tout，调节鼓风机的转速以使出风风速达到最优vout，并通过机械臂或人工操作保持出风口到套管表面的作业距离为最优l，从而实现按照优化后的参数执行除冰作业。

28、本发明的有益效果在于：

29、（1）本发明将热风除冰作业中的参数选择从传统的经验判断提升为基于数学模型的科学优化，建立了明确的优化目标和量化的约束条件，使作业参数的确定有据可依，显著提高了参数选择的科学性和准确性，避免了经验判断的主观性和盲目性；

30、（2）本发明首次将带电作业安全距离、套管外绝缘材料热保护、融冰有效性和射流冲击安全性四重约束同时纳入统一的优化模型，构建了完整的多约束优化框架。通过射流换热模型的定量计算，确保优化得到的参数组合在全部安全边界内运行，有效防范了因参数选择不当引发的电气击穿、绝缘损伤、融冰失效和冰块飞溅等风险，全面保障了作业安全；

31、（3）本发明以除冰总能耗最低为优化目标，在保证安全约束的前提下实现了能源消耗的最小化，兼顾了除冰效率和经济性，减少了不必要的能源浪费，符合绿色低碳的电网运维理念，具有良好的工程应用价值和推广前景；

32、（4）本发明针对不同覆冰类型设置了差异化的射流安全压力阈值，使优化方法能够根据现场实际的覆冰物理特性自适应调整安全边界，既保证了疏松覆冰类型下的严格安全控制，又避免了致密覆冰类型下因阈值过于保守而导致的除冰效率降低，提高了方法的现场适应性和实用性。