淋雨量對絕緣子串雨凇覆冰的影響

王永強，李曉光

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003）

線路絕緣子串覆冰會導致閃絡，嚴重危害電力系統(tǒng)安全運行，自1954年我國首次記錄到輸電線路覆冰事故至今，覆冰事故不斷發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失[1-3]。2008年初我國南方大部分地區(qū)遭受的持續(xù)大面積冰凍雨雪天氣是造成此次輸電線路覆冰的主要原因，引起部分地區(qū)大面積停電，對我國經(jīng)濟和人民生活帶來很大影響。目前對絕緣子串覆冰的研究主要集中在冰閃特性及其規(guī)律上，對雨滴大小、降雨量等自然環(huán)境因素對絕緣子串覆冰的影響研究較少[4-5]。

1 雨凇的形成

雨凇是在低地過冷卻雨或毛毛雨降落在低于凍結(jié)溫度的物體上形成。形成雨凇時的典型天氣是微寒（0益耀3益）且有雨，風力強，霧滴大，多在冷空氣與暖空氣交鋒，而且暖空氣勢力較強的情況下才會發(fā)生。在雨凇覆冰情況下，粘結(jié)到絕緣子或其他物體上的水滴完全凍結(jié)之前，過冷卻水滴的碰撞是連續(xù)不斷發(fā)生的，覆冰是連續(xù)增長的。雨凇覆冰形成過程中，冰面溫度為0益，從而使覆冰表面完全由一層薄薄的水膜覆蓋。雨凇在理論上是透明的清澈的冰，密度在理論上接近純冰的密度，即0.913 g/cm3。在工程實際中常將密度大于0.9 g/cm3的冰稱為雨凇[6-7]。

1.1 雨滴凍結(jié)時間的計算

假設水滴的質(zhì)量為m（單位g），水滴過冷卻到周圍環(huán)境中空氣的溫度為Ta（單位益），碰撞到覆冰物體表面并立即開始凍結(jié)。水滴為了凍結(jié)必須完全釋放出潛熱Lf（單位J/kg）。為便于估算過冷卻水滴的凍結(jié)時間，先假設潛熱的釋放僅有以下3個過程[8-10]。

1）與接觸物體表面的熱傳導熱損失Q1。單個過冷卻水滴在冰面上凍結(jié)時的熱傳導可以看作過冷卻水滴在“半無限大物體”上的凍結(jié)。則在[0,γ]時間間隔內(nèi)，流過面積A的總熱量為：

2）從冰面水膜表面的對流換熱熱量損失Q2。對流換熱以牛頓冷卻公式為基本計算式，即Q2=hA（Ts-Ta）。以外掠等溫平板的無內(nèi)熱源的層流對流換熱問題為模型，則Nu=0.664Re1/2Pr1/3,式中Nu為奴賽爾數(shù)，無綱量。

3）冰面由于熱輻射而造成的熱量損失Q3?？梢杂嬎阍跍囟葹門s時冰的輻射熱流量為：

分析質(zhì)量為m（單位g），的半徑為a的過冷卻水滴凍結(jié)所需的時間。假設凍結(jié)由以上的傳導、對流、輻射3個過程完成，設凍結(jié)時間為γ（單位s），則γ時間內(nèi)熱平衡方程可表示為

將式（1）、式（2）、式（3）帶入式（4）并帶入相關數(shù)據(jù)可得：

解式（6）可得到γ的數(shù)學表達式為:

關于水滴撞擊物體表面積的接觸面積A，在這種情況下可假設水滴碰撞表面時擴散面積不超過仔a2的2倍，即水滴碰撞時的接觸面積[6]A=2仔a2由（7）式可以計算出凍結(jié)時間γ。圖1給出了過冷卻水滴半徑分別為10滋m、15滋m、30滋m，風速分別為5 m/s、10 m/s、20 m/s時，過冷卻水滴在冰面上的凍結(jié)時間γ。

圖1 不同雨滴直徑、風速條件、環(huán)境溫度與水滴的凍結(jié)時間的關系

由圖1可以看出，過冷卻雨滴的凍結(jié)時間與雨滴半徑、風速、環(huán)境溫度有關。

1）在雨滴半徑與風速都不變的情況下，溫度越低，過冷卻水滴凍結(jié)所需的時間越短。

2）過冷卻水滴顆粒的半徑越大，凍結(jié)所需時間越長。

3）在雨滴半徑不變的情況下，風速越大，過冷卻水滴凍結(jié)所需的時間越短。

4）當環(huán)境溫度小于-7益時，雨滴的凍結(jié)時間小于0.1 s。

1.2 過冷卻水滴的碰撞時間

估算2個過冷卻水滴撞擊同一區(qū)域的時間間隔，即第一個水滴碰撞冰面后第二個水滴到達同一地點的時間間隔。設n為單位體積氣流中水滴個數(shù)，v為風速，分析可得，單位時間內(nèi)碰到覆冰物體表面一個微區(qū)域內(nèi)半徑為a的水滴的個數(shù)為2仔a2nv。設△γ為碰撞時間[6]，則有

根據(jù)氣象學原理，能見度表示將一定尺寸的黑板置于霧中不可見的臨界距離S。距離S與霧粒截面積仔a2及n的乘積成反比。實驗表明：

Best[11]提出了液態(tài)水含量w(g/m3)與降水量P(mm)的關系式：

對于能見度與液態(tài)水的含量關系[12]為：將能見度同含水量直接聯(lián)系起來的是Trabert半經(jīng)驗公式

由式（8）、式（9）、式（10）、式（11）可得雨滴的碰撞時間間隔△γ與雨滴直徑a、風速v、降雨量P的關系式為：

由式（12）可知:1）在相同的風速下，降雨量越大，2個雨滴同時撞擊相同區(qū)域所需的時間越短；2）在降雨量一定的條件下，雨滴直徑與碰撞時間成正比；3）風速越大，雨滴連續(xù)碰撞同一區(qū)域的時間間隔越短。

如果水滴凍結(jié)所需時間大于連續(xù)2個水滴碰撞同一微區(qū)域的時間，這種覆冰稱為“濕增長過程”；如果水滴凍結(jié)所需時間小于連續(xù)2個水滴碰撞同一微區(qū)域的時間，這種覆冰稱為“干增長過程”。即如果γ<△γ,則覆冰為“干增長”；如果γ>△γ,則覆冰為“濕增長”；

由1.1、1.2節(jié)可知，當過冷卻水滴半徑大、風速大、空氣溫度較高、降雨量大時，覆冰類型趨向于形成雨?。欢斶^冷卻水滴半徑較小、風速小、環(huán)境溫度較低、降雨量小時，易形成為霧凇覆冰。當過冷卻水滴的凍結(jié)時間γ與連續(xù)2個水滴碰撞同一微區(qū)域的時間間隔△γ相等或者相差不大時，或者風速、溫度等劇烈變化時，此時非常容易形成介于雨凇覆冰與霧凇覆冰的混合凇覆冰。

2 實驗裝置及實驗方法

2.1 實驗裝置及試品

實驗研究在內(nèi)徑2.3 m、高4 m的人工氣候室內(nèi)進行，人工氣候室主要由制冷系統(tǒng)、過冷卻水制備系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)等組成。人工氣候室最低溫度可以達到-35益依1益，完全可以滿足絕緣子人工覆冰的要求；最低氣壓可達300 kPa，能夠模擬海拔7 000 m以下的氣象環(huán)境。氣候室內(nèi)安裝了4伊4個噴霧霧粒粒徑在30滋m的噴頭。氣候室內(nèi)的所有氣象參數(shù)可以通過傳感器在室外監(jiān)測。實驗所采用的試品為7片串XWP2-70的絕緣子。

實驗采用的噴頭為高壓微霧化防滴漏噴嘴，噴霧顆粒的平均有效直徑為30滋m。實驗過程中通過更換噴頭的型號來控制噴頭的噴水流量，4伊4噴頭在單位時間內(nèi)、單位面積的噴水量如表1所示。整個實驗的溫度控制在-3益～-1.5益之間。噴淋用的過冷卻水為0益的冰水混合物。

表1 噴頭技術參數(shù)mm/h

2.2 實驗方法

首先，使用空氣壓縮機給噴頭噴氣30 min，排凈噴頭中殘留的過冷卻水，避免在降溫的過程中凍住噴頭而影響噴淋效果。將氣候室內(nèi)的溫度降到-5益后關閉噴氣系統(tǒng)，打開噴淋設備，給絕緣子噴灑過冷卻水，并控制整個人工氣候室的溫度在-2益。實驗從開始至結(jié)束每隔10 min通過人工氣候室的觀察窗觀察絕緣子串的覆冰效果，并記錄覆冰現(xiàn)象。覆冰結(jié)束后，對絕緣子串的覆冰現(xiàn)象記錄并拍照，觀察并記錄覆冰厚度、冰凌橋接、測量冰的密度。通過更換噴頭的型號改變噴淋的淋雨量，重復實驗，得到實驗數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果及其分析

通過改變噴頭的型號來模擬自然環(huán)境中的噴水量的變化。1、2、3號噴頭的噴水量分別為20 mm/h、40 mm/h、86.4 mm/h，整個覆冰過程控制人工氣候室的溫度為-2℃，實驗時風速為5 m/s。將數(shù)據(jù)帶入式（7）可知，在實驗的條件下，雨滴的凍結(jié)時間γ為0.581s。由式（12）可知，當降雨量分別為20 mm/h、40 mm/h、86.4 mm/h時，相鄰雨滴撞擊絕緣子表面相同位置處的時間間隔Δ子分別為1.006 s、0.559 s、0.292 s。

3.1 對雨凇覆冰密度的影響

雨凇覆冰時，所有的雨滴并不能夠完全凍結(jié)在絕緣子的表面，一部分雨滴會沿著絕緣子的表面流動并凍結(jié)形成冰蓋。而多余的過冷卻雨滴沿著傘裙邊緣滴落凍結(jié)進而形成冰凌。通過比較3組實驗數(shù)據(jù)，測定冰的密度分別為0.848 3 g/cm3、0.889 0 g/cm3、0.959 1g/cm3，當降雨量不大時，冰的質(zhì)地堅硬且透明，牢牢的粘附于絕緣子表面，對覆冰密度沒有太大影響。當降雨量繼續(xù)增大為86.4 mm/h時，冰密度顯著增大，且在絕緣子上凍結(jié)的為冰與水的混合物，用手按壓積覆在絕緣子表面上的冰時會有過冷卻水外溢，此時絕緣子上表面的冰柔軟但并不易脫落。此時冰凌非常短，且易斷裂脫落，并不時有水滴滴落（如圖2所示）。

圖2 降雨量為86.4 mm/h

3.2 對雨凇覆冰冰凌的影響

覆冰時間均為1 h，覆冰溫度為-2益時，降雨量分別為20 mm/h、40 mm/h、86.4 mm/h,其覆冰結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同淋雨量下絕緣子串覆冰圖

當淋雨量為20 mm/h時，由于噴水流量較小，且過冷卻水滴的凍結(jié)時間為0.581 s小于相鄰雨滴撞擊絕緣子表面相同位置處的時間間隔1.006 s，積覆在絕緣子上的過冷卻水釋放的熱量能快速的釋放到周圍環(huán)境中，并不利于絕緣子冰凌的形成。因此，絕緣子上表面積覆有均勻的冰蓋，但卻并不利于冰凌的形成。

當淋雨量為40 mm/h時，過冷卻水滴的凍結(jié)時間為0.581 s略小于相鄰雨滴撞擊絕緣子表面相同位置處的時間間隔0.559 s。由于過冷卻水滴的碰撞時間與凍結(jié)時間相差不大，更有利于絕緣子覆冰及冰凌的形成。單位時間內(nèi)降落到絕緣子上的過冷卻水滴多于完全凍結(jié)的過冷卻水滴，因此會有一部分未凍結(jié)的過冷卻水沿著絕緣子的邊緣流淌滴落凍結(jié)成冰凌。過冷卻水滴凍結(jié)所釋放潛熱以換熱的形式將熱量傳給周圍空間。此時所有撞擊到絕緣子上的過冷卻水滴大都會凍結(jié)在絕緣子表面，未凍結(jié)的少量過冷卻水滴沿絕緣子邊緣滴落凍結(jié)形成冰凌，且所形成的冰凌質(zhì)地堅硬，粗細均勻。

當淋雨量為86.4 mm/h時，相鄰雨滴撞擊絕緣子表面相同位置處的時間間隔遠小于雨滴的凍結(jié)時間，此時絕緣子串上滴落的過冷卻水凍結(jié)時的熱量并不能快速的釋放到周圍空間，進而在絕緣子表面上形成“水內(nèi)冰”，越靠近底端絕緣子所形成的冰凌越短且長短粗細等都不均勻，所形成的冰近似于浸透了水的雪，質(zhì)地不夠堅硬，但卻能夠牢牢的粘附于絕緣子的表面上，冰凌的形成較為困難。

通過實驗及數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在不同的降雨量條件下，覆冰密度及單位時間內(nèi)單片絕緣子的覆冰重量與淋雨量存在著密切的聯(lián)系，如圖4所示。

圖4 不同的淋雨量下，覆冰密度與單片絕緣子在單位時間內(nèi)的關系

當淋雨量較小即小于35 mm/h時，冰密和覆冰重量隨淋雨量的增加而增大。在淋雨量較小時，碰撞到絕緣子的過冷卻水滴能夠迅速凍結(jié)為堅固的結(jié)晶冰，所形成的冰中含有一定數(shù)量的細微氣泡，當淋雨量逐漸增大時，過冷卻雨滴凍結(jié)時間延長，此時所形成的冰中所含細微氣泡減少，覆冰密度也會相應的增加。由于降落到絕緣子上的過冷卻水幾乎都凍結(jié)在了絕緣子上，所以覆冰的重量隨淋雨量的增加而增加；當淋雨量為35耀60 mm/h時，由于過冷雨滴的碰撞時間略小于雨滴的凍結(jié)時間，因此會形成純粹、透明的冰。此時冰已經(jīng)接近理論上的純冰，所以冰的密度變化不大。在淋雨量逐漸增大的過程中，淋雨量相對較小時有利于冰凌的形成，當淋雨量達到某一值（如50 mm/h）時過多的過冷卻雨滴釋放的潛熱未及時釋放到周圍環(huán)境中會阻止冰凌的形成導致覆冰重量的下淋；在淋雨量大于60 mm/h時，此時的過冷卻水滴碰撞絕緣子表面所需時間大于其凍結(jié)時間。過多的過冷卻水滴已經(jīng)嚴重影響到絕緣子上表面覆冰及冰凌的形成，在絕緣子表面會形成‘水內(nèi)冰’，所形成的冰凌很短或消失，冰密逐漸接近于水的密度，覆冰重量也不斷的下降。

4 結(jié)論

1）通過計算分析在不同自然條件下過冷卻雨滴的凍結(jié)時間γ及雨滴碰撞時間間隔△γ的關系可知：如果γ<△γ,則覆冰為“干增長”；如果γ>△γ,則覆冰為“濕增長”。

2）在覆冰水顆粒、覆冰溫度、覆冰時間、覆冰水電導率等相同條件下，絕緣子表面的覆冰密度隨著淋雨量的增大而增加；絕緣子的覆冰重量隨淋雨量的增大先增大后減少。

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