通过缩短线缆长度来改善超声波风速风向仪的加热效果

通过缩短线缆长度来改善超声波风速风向仪的加热效果

近年来，随着我国风电装机量的持续增加和政策导向，风场建设也逐步向弱风区发展，其中以云南、贵州、四川为重。而这些地区的风场，通常建设在山区、湖区和河谷区域。

这些地区的山区、湖区在每年初冬、冬末春初的时间往往会出现冻雨天气，以贵州出现得最为频繁。而冻雨是由冰水混合物组成的，它在略低于0℃的空气中保持过冷状态，外观与一般的雨滴相同，但当它与温度低于0℃的物体接触时就会立即冻结，成为外表光滑而透明的冰层，即为雨凇。严重的雨凇会导致风机外壳，叶片、轮毂导流罩、塔筒的外表面结冰，增加重量，严重的影响风电场的安全生产。

(图一)受到冻雨袭扰而瘫痪的输电设施

而超声波风速风向仪也经常受到冻雨的袭扰，虽然其内部具备大功率的加热器，但是如果在某种情况下，其内部的加热器实际工作的功率不足，无法使测量通道内的温度大于0℃，也必然因为测量通道内出线结冰，从而导致超声波风速风向仪精度下降、输出无效数据甚至完全无法工作的情况。

(图二)受到冻雨袭扰的超声波风速风向仪

从图中可以看出，在风电场受到长时间冻雨袭扰的条件下，超声波风速风向仪的测风通道已经部分结冰，通过查询风电场中控的数据可以发现超声波风速风向仪输出的数据是无效数据，即无法再正常的工作。而在冻雨天气结束后，超声波风速风向仪恢复正常工作也花费了较长的时间。

现在行业内采用的超声波风速风向仪的厂家通常能出具测试报告，证明其产品能在很低的气温、一定的湿度环境中不发生结冰，但到了风电现场，超声波风速风向仪受到冻雨影响而导致测量通道内结冰的现象却时有发生。经过我司长期的调查研究，认为这通常是由现场实施的时候忽略了一个因素——从超声波风速风向仪到配电柜的线缆长度而导致的。

为什么超声波风速风向仪到配电柜的线缆长度能影响超声波风速风向仪加热效果?首先，因为超声波风速风向仪的加热效果是由内部安装的加热器的实际工作功率来保证的;然后，加热器的实际工作功率往往不等于其标称功率，这是因为超声波风速风向仪均采用24V低压直流供电，为了使加热器达到足够大的标称功率，加热器的电阻会做得很低风速风向，通常只有几欧姆。然而线缆的铜芯也有一定的电阻率，当线缆长度较长时，线缆的电阻也是很可观的，但是它往往会被人忽视掉。在这种情况下，就会出现两种情况：第一，加热器和线缆会形成分压的关系，加热器本身只能分到供电电压的一部分，也就是小于24V;第二，线缆电阻使整个加热回路电阻增加，在配电电压一定的情况下，使整个加热回路的电流降低。最终，更小的电压乘以更小的电流，超声波风速风向仪内部的加热器的实际工作功率当然就比标称值的要低很多了。

下面进行量化分析。设某型超声波风速风向仪内部的加热器电阻Rh为4Ω，标配线缆长度Lc为5米，线缆采用线截面积Sc=0.5m㎡耐高低温线缆，供电电压Vs为24V，引用多芯铜导线电阻率ρ=0.01725Ω/m㎡米，内部开关接点电阻、端子接触电阻总计Rk=20mΩ，加热回路总电阻Rc的计算公式即为：

Rc = 2 Lcρ/Sc+Rh+Rk (1)

这里取2倍Lc是因为加热线缆为两根，其电流值相同，方向相反。

在供电电压Vs一定的情况下，根据功率计算公式P=U²/R，可以计算出整个加热回路的总功率，即为：

Pc = Vs² / Rc (2)

而起到提升超声波风速风向仪测量通道温度的仅为加热器的功率Ph，由(1)式和(2)式，可得知加热器的功率Ph为：

Ph = PcRh / Rc (3)

带入数据，可以计算出Rc=4.367Ω，Pc=132W，Ph=121W。

下面，我们将线缆长度Lc加长，每增加1米，用同样的公式来做一系列的加热功率的数据，从5米做到30米，数据列在如下表格中，并以这些数据绘制出了加热器功率随线缆长度增加而变化的图形。

(图三)加热器功率VS线缆长度

从上述图表中，不难发现，线缆长度从5米加长到30米，加热器实际工作的功率从121W降低到了62W，几乎降低了一半，这样很有可能在严酷气候中，无法将壳体加热到大于0℃的温度，遇到冻雨时，就有更大的几率发生测量通道内结冰。

对于加热功率发生降低后，加热效果的变化，将通过试验来进行揭示。现取某型超声波风速风向仪，置于环境-10℃和-20℃的恒温箱中，并准备12米和25米两条相同材质、不同长度的线缆。超声波风速风向仪的测量通道内用记号笔标注4个温度测量点，用红外成像仪对测量通道进行成像，并读取4个温度测量点的温度值。详细的测试步骤如下：

① 将25米线缆连接在超声波风速风向仪接口上并引出，接入电源。

② 设定高低温柜恒温温度为-10℃，并等待10分钟。

③ 用红外热成像仪读取4个温度测量点的温度值并记录。

④ 设定高低温柜恒温温度为-20℃，并等待10分钟。

⑤ 用红外热成像仪读取4个温度测量点的温度值并记录。

⑥ 作为参照对比，将25米线缆更换为12米线缆进行步骤1~步骤5的实验。

实验现象：

当高低温柜恒温温度为-10℃时，使用25米线缆，受测设备测量通道内的4个温度测量点测温数据如下列图四所示。

(图四)

如图可见，25米线缆在-10℃恒温环境中，能保证测量通道内4个测量点的温度均高于冰点。

当高低温柜恒温温度为-20℃时，使用25米线缆，受测设备的测量通道内4个温度测量点测温数据如下列图五所示。

(图五)

如图可见，25米线缆在-20℃恒温环境中，只能保证测量通道内3个测量点的温度均高于冰点，故在此环境下的加热效果不够好，有发生测量通道内结冰的风险。

当高低温柜恒温温度为-10℃时，使用12米线缆，受测设备测量通道内的4个温度测量点测温数据如下列图六所示。

(图六)

如图可见，12米线缆在-10℃恒温环境中，能保证测量通道内的4个测量点的温度均高于冰点，而且温度比使用25米线缆时更高，故在此环境下具备更好的加热效果。

当高低温柜恒温温度为-20℃时，使用12米线缆，受测设备测量通道内的4个温度测量点测温数据如下列图七所示。

(图七)

如图可见，12米线缆在-20℃恒温环境中，能保证测量通道内的4个测量点的温度均高于冰点，而且温度比使用25米线缆时更高风速风向，故在此环境下具备更好的加热效果。

数据汇总表：

通过试验发现，在两种不同的低温环境温度条件下，采用12米线缆的实验组的温度值，普遍优于采用25米线缆的实验组的温度值，而在同等环境条件下，测量通道具有相比环境温度更高的温升。

根据比热容公式的推导公式 Q=cmΔt (Q为热量，即一段时间的加热做功，c为比热容，m为质量，Δt为温度变化量)，对于同一个受测物件，c与m为常量，其Δt越大的，Q越大，即同一段时间的加热做工更大，又由于Q=PhT，T为固定的时间(本次实验为10分钟)，则得出对应的Ph，即加热器实际工作的功率越大。

由于超声波风速风向仪的加热效果是由内部的加热器实际工作的功率来保证的，其功率数值更大，将使得超声波风速风向仪获得更好的加热效果。

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