典型極端天氣環境的模擬技術研究

楊志義 諸曉穎

摘要：極端天氣給電網的穩定運行帶來重大影響，為了解及分析不同設備材料受到不同環境的影響情況，本文設計一套不同極端環境模擬技術，可以模擬光照強度、溫度、濕度、風速、降雨、起霧及降雪的控制等氣候現象，模擬一種理想的人工環境，通過控制設備可模擬出不同強度的極端環境，滿足電纜在不同環境下的性能測試要求，提升電力設備的材質要求，為電網穩定運行打下堅實的基礎。可滿足相關產品的研究與測試等要求。

關鍵詞：極端環境;環境模擬;電力設備

引言

隨著國內經濟的不斷發展，如何在現有資源儲備下保證充足的電力供應已成為產業發展與創新的重點。借助電力工程技術，建設智能電網以降低生產和輸電過程中的成本和電力資源損失，確保供電效率，已成為解決發展矛盾的主要策略之一，電網工程的主要問題是如何應對雨雪的極端環境，當冰雪，雨雪，雨雪等極端環境發生時，許多省份的電力系統運行受到嚴重影響。輸電線路，輸電塔，變電站和高壓開關上的冰雪凝結，導致系統短路。不堪重負的輸電塔坍塌，電線斷裂，導致整個電網嚴重受損。因此，有必要建立一套極端天氣的模擬實驗室，通過模擬不同的極端環境，來檢測電網設備材料性能，一方面有助于事先選擇合適的產品，另一方面通過對線纜或設備在不同氣候下的使用狀況進行監測和統計分析，可使運行人員全面掌握其工作狀況，在必要時結合實際氣候情況提出檢修計劃，避免或減少故障的發生，提高供電系統安全性、可靠性，從而促進供電企業增收節支，提高經濟效益。

1不同功能的模擬

本文主要設計一種可以模擬光照強度、溫度、濕度、風速、降雨、起霧及降雪的控制等氣候現象的高精度的冷熱恒溫設備，提供一種理想的人工氣候室環境，以滿足客戶進行相關領域的研究、測試等要求。其工作原理是在氣候艙內安裝溫度、濕度和風速傳感器等檢測設備，來對溫度、濕度和風速進行檢測，然后將檢測數據傳送到控制系統并進行數據的分析處理，根據處理的結果來控制制冷、制熱設備、加濕、除濕設備、淋雨設備、造雪設備和風機設備的工作狀態，從而達到精確控制人工氣候艙體內部的溫度、濕度和風速等參數，最終實現客戶對環境的需求。

1.1溫度、濕度和風速控制模塊

該模塊由制冷機組、蒸發器、加濕器、加熱管、鋁合金風道、空調風機等實現室內制冷和升溫，由溫控儀控制加熱管對室內加熱，雙方通過無超調PID算法共同完成室內溫度的精確控制，并通過控制設備完成對加熱、壓機和風機的手動或自動控制。由加濕、除濕器配合控制實現試驗室濕度控制。

型式試驗室風道設計為左右水平風，兩側為中央離散風口（送風道及回風道放置于實驗室的頂部，采用吊裝結構）、回風為單面風口的形式，進風和回風共用風機的設計，構成閉環風路以確保試驗室溫濕度控制。采用制冷機組、蒸發器、空調風機通過鋁合金回風道實現型式試驗室室內溫度制冷。采用2組SR93系列的帶無超調PID算法的溫控表，通過溫控表分別控制不銹鋼加熱管進行加熱，并與制冷設備聯合實現0～60℃的溫度控測范圍及不低于±0.5℃的控制精度;溫度、濕度、制冷的控制主要由PLC控制器進行調節控制。

風數模擬由變頻風機完成，風機風量不低于8000m³/h.機通過變頻器可以控制風機轉速。可模擬實驗室風速0～7.5m/s（連續可調）。

1.2降雨降雪和起霧模塊

降雨功能較為簡單，實驗室配有變頻水泵和儲水箱、水管及回水槽。回水槽由水管接入儲水箱，水管出口有過濾器。變頻泵采用變頻器可以控制流量，如此可以控制降雨的強弱。實驗室內水管布置在實驗室頂部，均勻分布，水管下方接有噴淋頭。模擬降雨時，雨滴由地面四周回水槽到儲水箱。

造雪的原理是來自水泵的高壓水與來自空氣壓縮機的高壓空氣在雙流噴嘴處混合形成細水霧，利用壓縮空氣體積膨脹帶走熱量和室內冷卻空氣冷卻形成降雪。空氣壓縮機用來產生壓縮空氣，變頻水泵提供水量，將壓縮空氣和水流提供給雙流噴嘴箱，噴嘴箱產生細顆粒水霧（平均粒徑20微米），在冷空氣下形成降雪。

噴嘴箱內含有多個雙流噴嘴，雙流噴嘴含有氣路接口和水路接口。壓縮空氣和水流在噴嘴口混合噴出，壓縮空氣將水流打碎，形成細小顆粒水霧，雙流噴嘴結構可見下圖1：

1.3光照模擬模塊

采用短弧氙燈加濾光片模擬太陽光。此種短弧氙燈可發出接近太陽光的全光譜的燈光，配合濾光片可模擬太陽光。此種燈電流可以調節，可以控制等輸出，可控制光照強度1500～6000全光譜鹵素太陽燈連續可調，短弧氙燈較鹵素燈而言模擬太陽光效果更佳。氙燈的成本比鹵素燈高，但性能優越，亮度、色溫和耐用等方面氙燈都比鹵素燈好。

通過以上功能的模擬，基本能模擬出不同的極端環境，詳細功能如表1所示。

2結束語

作為直接服務于用戶的關鍵環節，配電網在極端天氣情況下的正常運行，對保障人們生產生活、抵御災害事故、推動社會發展具有重要意義，配電網的災害應對能力由此受到了廣泛的關注。尤其沿海地區，極容易受極端天氣影響，因此迫切需要一種能用于電網設備材料檢測的典型極端氣候模擬設施，本文研究了一種可以模擬出光照強度、溫度、濕度、風速、降雨及降雪等氣候現象的高精度冷熱恒溫設備，通過控制設備可模擬出不同強度的極端環境，滿足電纜在不同環境下的性能測試要求，提升電力設備的材質要求，為電網穩定運行打下堅實的基礎。