溫度對導(dǎo)線覆冰的影響試驗(yàn)研究

康 健，劉建紅

（1.國網(wǎng)西安供電公司，陜西 西安 710032；2.國網(wǎng)陽泉供電公司，山西 陽泉 045028）

0 引言

輸電線路覆冰是許多國家電力系統(tǒng)所面臨的最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一［1］。

覆冰類型按覆冰特性可以分為雨凇、霧凇、混合凇、積雪、白霜［2］。大多數(shù)情況下，雨凇是由過冷卻雨滴或毛毛雨發(fā)展起來的，密度在0.6～0.9 g／cm3之間，與導(dǎo)線表面的粘合力強(qiáng)大，不易脫落。霧凇是輸電線路最常見的一種覆冰形式，有粒狀和晶狀兩種。粒狀霧凇是乳白色不透明體，質(zhì)地松脆，中間含有氣泡空隙，密度在0.1～0.3 g／cm3之間；晶狀霧松是白色結(jié)晶，質(zhì)地疏松而軟，冰體內(nèi)含有較多的氣泡，與導(dǎo)線表面的附著力較弱，容易脫落，密度在0.08～0.1 g／cm3之間［3］。當(dāng)溫度在冰點(diǎn)以下，風(fēng)比較猛時(shí)，則形成混合凇，呈乳白色，體積大，氣隙較多，密度在0.2～0.8 g／cm3之間?；旌馅∈且粋€(gè)交替覆冰過程，是由雨凇和霧凇在導(dǎo)線上交替凍結(jié)而成的，生長速度快，對導(dǎo)線危害特別嚴(yán)重［4］。

覆冰類型按覆冰增長過程可以分為干增長過程和濕增長過程［5］。干增長過程中，在第二個(gè)過冷卻水滴到達(dá)導(dǎo)線表面之前，第一個(gè)過冷卻水滴已全部凍結(jié)在導(dǎo)線表面并釋放出潛熱。此時(shí)主要形成霧凇覆冰，覆冰的空隙比較大。濕增長過程是指第二個(gè)過冷卻水滴到達(dá)導(dǎo)線表面時(shí)，第一個(gè)過冷卻水滴沒有全部凍結(jié)，潛熱還沒有完全釋放出來。在這種情況下可能產(chǎn)生連續(xù)液膜，容易形成雨凇覆冰。雨凇覆冰質(zhì)地較密，與導(dǎo)線表面有很強(qiáng)的粘附力。

對導(dǎo)線覆冰過程的觀測能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的減災(zāi)防災(zāi)工作提供參考。本文探討了溫度對導(dǎo)線覆冰的類型、形狀及重量的影響。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 導(dǎo)線

使用不同型號的4種導(dǎo)線，導(dǎo)線長度為1.2 m，導(dǎo)線型號和直徑如表1所示。

表1 試驗(yàn)用導(dǎo)線基本參數(shù)

1.2 導(dǎo)線支架

樹形導(dǎo)線支架結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1。為了避免上方導(dǎo)線滴下過冷卻水影響下方導(dǎo)線上的覆冰過程，將支架同側(cè)相鄰導(dǎo)線的水平距離固定為15 cm，垂直距離固定為30 cm。

圖1 樹形導(dǎo)線支架及試品布置示意圖

1.3 人工氣候室

氣候室直徑為5.2 m，高9 m，溫度調(diào)節(jié)范圍在-60℃至50℃間。

1.4 覆冰重量測量系統(tǒng)

導(dǎo)線覆冰重量由導(dǎo)線支架上的一對MS-1稱重傳感器來測量。

1.5 噴淋系統(tǒng)

氣候室的噴淋系統(tǒng)由布置在導(dǎo)線上方的環(huán)形噴霧嘴陣列構(gòu)成，噴霧嘴陣列裝在導(dǎo)線上方約50 cm處，這樣霧滴到達(dá)導(dǎo)線時(shí)溫度恰好下降至0℃左右。冷卻水通過高壓水泵從噴霧嘴噴出，通過更換不同直徑的噴霧嘴，配合噴霧壓力和水流量調(diào)節(jié)，可以將霧滴直徑控制在5～500 μm之間。

2 試驗(yàn)方法

2.1 覆冰方法

按試驗(yàn)要求布置好試品后，關(guān)閉氣候室艙門，開始制冷，待環(huán)境溫度下降至目標(biāo)溫度后，開啟噴霧水泵，將稱重顯示儀表歸零，開始計(jì)時(shí)，每15 min記錄1次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 覆冰形態(tài)的測量方法

覆冰類型包括雨凇、霧凇和混合凇。試驗(yàn)過程中，每30 min從不同角度（順線方向、垂直于導(dǎo)線方向等）、不同位置（與導(dǎo)線處于同一水平線、導(dǎo)線下方、導(dǎo)線上方等）用相機(jī)對覆冰形狀進(jìn)行拍攝，并用游標(biāo)卡尺測量覆冰的長徑、短徑、冰棱長度和傾斜角度等參數(shù)，測量方法如圖2所示。

圖2 覆冰形態(tài)測量方法示意圖

覆冰厚度增長率通過實(shí)時(shí)采集導(dǎo)線單位長度上覆冰重量的變化得出。其中覆冰重量與覆冰厚度、覆冰直徑的關(guān)系參見 《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》（DL／T 5188—2012），標(biāo)準(zhǔn)冰厚計(jì)算參照式（1）、（2）。

式中：ρ為覆冰密度，g／cm3；B0為標(biāo)準(zhǔn)冰厚，mm；G為冰重，g；L為導(dǎo)線長度，m；a為覆冰長徑，mm；b為覆冰短徑，mm；r為導(dǎo)線半徑，mm。

3 溫度的影響

3.1 覆冰類型

將導(dǎo)線在人工氣候室內(nèi)布置好后，將霧滴直徑控制在50 μm，研究環(huán)境溫度變化對覆冰類型的影響，結(jié)果如圖（3）所示。

圖3 50 μm時(shí)不同溫度下覆冰生長情況

由圖3可知，環(huán)境溫度為-3℃時(shí)，導(dǎo)線上覆冰是濕增長過程，即過量的過冷水流過導(dǎo)線，在此溫度下過冷水并未完全結(jié)冰，沿導(dǎo)線兩側(cè)邊沿滴下，此時(shí)導(dǎo)線上形成的堅(jiān)硬透明的雨凇，導(dǎo)線下方常有冰棱形成。

環(huán)境溫度為-6℃時(shí)，導(dǎo)線上覆冰過程介于干增長和濕增長之間，形成的是乳白色的混合凇。較小體積的霧滴到達(dá)導(dǎo)線時(shí)，凝固形成白色的霧凇；而較大體積的霧滴到達(dá)導(dǎo)線時(shí)，并未能夠完全凝固，形成雨凇。因此，該溫度下形成的是雨凇和霧凇的混合物，即混合凇。導(dǎo)線兩側(cè)有可能形成懸掛的冰棱，但冰棱的長度和數(shù)量通常比-3℃時(shí)低。

環(huán)境溫度為-9℃時(shí)，導(dǎo)線上覆冰是干增長過程，霧滴在到達(dá)導(dǎo)線時(shí)，已達(dá)到凝固點(diǎn)，或者在下一個(gè)霧滴到達(dá)前已經(jīng)凝固，形成白色的霧凇。這種情況下，導(dǎo)線下方不會(huì)形成冰棱。

溫度從-3℃降低到-9℃時(shí)，導(dǎo)線表面覆冰的類型從雨凇向混合凇再向霧凇轉(zhuǎn)變，溫度越低，覆冰密度越小，冰厚越大。

3.2 覆冰形狀

霧滴直徑為50 μm，不同環(huán)境溫度下，導(dǎo)線表面覆冰形狀，如圖4所示。

由圖4可知，溫度為-3℃時(shí)，導(dǎo)線表面覆冰凹凸不平，肉眼可見許多直徑在1～10 mm的圓形或半圓形冰珠，導(dǎo)線下方有大量細(xì)長而透明的冰棱出現(xiàn)；溫度為-6℃時(shí)，覆冰表面的不平整度有所減小，但仍然能看到細(xì)小的透明冰珠，導(dǎo)線下方冰棱的數(shù)量和長度大大減少，但直徑有所增加；溫度為-9℃時(shí)，導(dǎo)線表面形成均勻、細(xì)膩的雪白冰層，無冰棱出現(xiàn)。

圖4 50 μm時(shí)不同溫度下導(dǎo)線覆冰形狀

3.3 覆冰重量增長率

將霧滴直徑控制在50 μm，試驗(yàn)研究了溫度對4種導(dǎo)線覆冰重量增長率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 4種導(dǎo)線不同溫度時(shí)覆冰重量隨時(shí)間的變化

由圖5可知，導(dǎo)線覆冰重量隨時(shí)間的增加先線性增加，當(dāng)時(shí)間足夠長，覆冰重量達(dá)到一定程度后，覆冰重量增長速度降低，呈現(xiàn)一定的飽和趨勢。環(huán)境溫度為-6℃和-9℃時(shí)，覆冰重量的增加速度差異不大，但卻顯著高于-3℃時(shí)，其主要原因是：-6℃和-9℃，導(dǎo)線表面分別為混合凇增長過程和霧凇增長過程，兩種情況下導(dǎo)線表面幾乎都以干增長為主，無水分流失，因此覆冰增長速度差異不大；-3℃時(shí)導(dǎo)線表面為雨凇濕增長過程，導(dǎo)線表面捕獲的水分流失嚴(yán)重，因此覆冰重量增加速度比-6℃和-9℃時(shí)低。

因此，當(dāng)導(dǎo)線表面覆冰以濕增長過程為主時(shí)，溫度越低覆冰速度越快；當(dāng)導(dǎo)線表面以干增長過程為主時(shí)，不同溫度下覆冰重量增長速度差異不大。

4 結(jié)論

本文研究了溫度對覆冰規(guī)律的影響，在-3℃時(shí)，導(dǎo)線是雨凇覆冰，覆冰顏色呈透明色，質(zhì)地較硬，密度高，導(dǎo)線下方有大量冰棱懸掛；在-6℃時(shí)，導(dǎo)線覆冰是雨凇和霧凇的混合物，覆冰顏色是白色的霧凇和透明的雨凇混合在一起，質(zhì)地較松，密度中等，導(dǎo)線下方懸掛的冰棱數(shù)量和長度大大降低，但直徑有所增加；在-9℃時(shí)，導(dǎo)線覆冰是霧凇覆冰，覆冰呈白色，質(zhì)地很軟，很容易除去，密度低，導(dǎo)線下方無冰棱。導(dǎo)線覆冰重量隨覆冰時(shí)間增大而增大，當(dāng)導(dǎo)線表面覆冰以濕增長過程為主時(shí)，溫度越低覆冰速度越快；當(dāng)導(dǎo)線表面以干增長過程為主時(shí)，不同溫度下覆冰重量增長速度差異不大。

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