不同時(shí)期雪中的鹽分遷移現(xiàn)象及環(huán)境溫度的影響研究

李隆基，郗曉光，劉繼平，賈志東，文清豐，王 浩，柳順楠，胥經(jīng)緯

（1.國(guó)網(wǎng)天津電力公司電力科學(xué)研究院，天津300000；2.清華大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055）

0 引言

電能是一種十分重要的二次能源，然而，電能的輸送離不開電網(wǎng)。由于電能的廣泛使用，輸電線路需要經(jīng)過寒冷地帶。在這些高寒地區(qū)，絕緣子上的覆冰積累會(huì)嚴(yán)重影響絕緣子的絕緣性能，甚至?xí)l(fā)生閃絡(luò)事故，引發(fā)輸電線路跳閘。雪是大氣覆冰的類型之一。前人對(duì)于覆冰的研究表明，對(duì)于電力系統(tǒng)外絕緣危害最大的覆冰類型是雨凇和霧凇，最后才是雪。然而，最近發(fā)生了多起絕緣子覆雪閃絡(luò)事故，引起輸電線路跳閘。因此，研究絕緣子覆雪閃絡(luò)的機(jī)理是十分必要的。目前關(guān)于絕緣子覆雪閃絡(luò)的研究主要是收集自然降雪并堆積到絕緣子上，研究在不同條件下雪閃電壓的變化[1-3]，包括雪厚、密度、染污程度和電壓類型等因素。而鹽分在雪中以污穢的形式存，也會(huì)影響覆雪的電氣性能。王康寧等人研究了過冷卻水中的鹽分遷移現(xiàn)象，得出鹽分會(huì)隨著液滴的凍結(jié)而集中到液相部分，導(dǎo)致冰層表面含鹽量增大，在融冰初期融冰水電導(dǎo)率更大，易引發(fā)閃絡(luò)事故[4]。

雪主要分為濕雪和干雪兩種類型，其主要區(qū)別在于雪中液態(tài)水含量的差異。濕雪從微觀角度主要由冰顆粒、水顆粒和空氣組成[5]；而對(duì)于干雪，其中的水大部分以冰的形式存在，微觀上水顆粒很少，含水量較低。由于含水量的差異，濕雪相對(duì)于干雪更容易引發(fā)閃絡(luò)事故。

對(duì)于積雪的含水量測(cè)量，有多種方法，包括破壞性方法和非破壞性方法兩大類。其中破壞性方法包括離心法、熱量測(cè)定法[6]；非破壞性方法包括TDR（time-domain reflectometry）[7]、SPA（snow pack analyser）、upGPR（ground-penetrating radar）以及光譜法[8-11]等。

破壞性方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以直接獲得含水量數(shù)據(jù)，不需要擬合，缺點(diǎn)在于測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)且不利于長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。而非破壞性方法正相反。在本文中，由于僅需要在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量，故采用熱量測(cè)定法更加合適。熱量測(cè)定法是通過將雪樣送入裝有鹽溶液的容器中，待溶液溫度達(dá)到平衡態(tài)時(shí)測(cè)量平衡溫度，通過熱量守恒方程計(jì)算其中的含水量。

對(duì)于覆雪絕緣子，閃絡(luò)往往發(fā)生在融雪期內(nèi)，且在融雪水電導(dǎo)率較高的情況下[12]，故研究不同時(shí)期內(nèi)雪的鹽分遷移過程有重大意義。筆者主要關(guān)注雪在不同時(shí)期的鹽分遷移情況，并對(duì)環(huán)境溫度對(duì)雪中鹽分遷移的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)設(shè)置

本試驗(yàn)在清華大學(xué)深圳研究生院的小型氣候室內(nèi)展開，示意圖如圖1所示。試驗(yàn)前，將玻璃板放入氣候室內(nèi)降溫，并設(shè)置氣候室內(nèi)溫度為-5℃。試驗(yàn)中，覆雪時(shí)間約為1.5 h，覆雪過程中氣候室內(nèi)的溫度保持在-5℃～-4℃，保證雪均勻覆到玻璃板表面，方便此后分層取樣進(jìn)行分析。

圖1 氣候室示意圖Fig.1 Schematic diagram of the climate chamber

在試驗(yàn)中，雪的鹽分通過融雪水電導(dǎo)率來反映。因?yàn)檠┲械柠}分往往以雜質(zhì)的形式存在，而在融化后，融雪水因?yàn)殡s質(zhì)的存在電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，且雪的體積電導(dǎo)率不易測(cè)量，故采用融雪水電導(dǎo)率反映鹽分的高低。

在覆雪結(jié)束后，每次選取一定量的雪進(jìn)行采樣，采樣過程中按照垂直高度將雪分為三層，分別收集每層雪樣，融化后測(cè)量融雪水電導(dǎo)率。

雪中含水量的測(cè)量方法有熱量法、介電常數(shù)測(cè)量法等。本試驗(yàn)中采用熱量法進(jìn)行測(cè)量。熱量法采用將待測(cè)雪樣放入溶液中，達(dá)到平衡后測(cè)量平衡溫度、質(zhì)量以及加入雪樣前溶液的溫度、質(zhì)量和雪樣的溫度來進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)中采用6%的NaCl溶液進(jìn)行含水量的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果以液態(tài)水占總雪樣質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。熱量測(cè)定法相對(duì)于其他方法的好處在于易于在實(shí)驗(yàn)室或者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，同時(shí)可以直接得出含水量數(shù)值。

2 不同時(shí)期的鹽分遷移現(xiàn)象

一般來說，雪在融化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的液態(tài)水，而鹽分作為一種雜質(zhì)，在雪中會(huì)吸附在冰雪顆粒的表面[13]，可能會(huì)溶解在下滲的液態(tài)水中，進(jìn)而引發(fā)鹽分遷移現(xiàn)象。本節(jié)主要針對(duì)覆雪期、儲(chǔ)雪期和融雪期內(nèi)的雪，研究不同時(shí)期內(nèi)雪的鹽分遷移情況。

2.1 覆雪期內(nèi)的鹽分遷移

在覆雪期內(nèi)，干雪在絕緣子上的增長(zhǎng)方式以干增長(zhǎng)為主，因此，這個(gè)階段雪中的鹽分很難遷移。而濕雪則不同，濕雪在降雪過程中含有大量的水分，落到絕緣子表面后會(huì)存在水的凍結(jié)過程，故可能會(huì)存在鹽分遷移現(xiàn)象。試驗(yàn)針對(duì)濕雪，在濕雪覆雪完成后立即分層測(cè)量其融雪水電導(dǎo)率，直到濕雪中液態(tài)水完全凍結(jié)。測(cè)量每隔10 min進(jìn)行一次，共計(jì)3次。

圖2所示為覆雪期內(nèi)濕雪的鹽分遷移變化曲線。在30 min后，濕雪凍結(jié)成為固體的冰雪層，故試驗(yàn)停止進(jìn)行。而從圖2中可以看出，上層雪和下層雪的融雪水電導(dǎo)率發(fā)生小幅下降，而中層雪的融雪水電導(dǎo)率略有上升，說明在濕雪凍結(jié)過程中，鹽分存在一定的向下遷移現(xiàn)象。在濕雪剛剛落到絕緣子表面上時(shí)，由于液態(tài)水含量較高且流動(dòng)性較強(qiáng)，會(huì)有部分鹽分隨著水分流失，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)下層鹽分普遍偏低。由于是在濕雪覆雪結(jié)束后開始鹽分遷移測(cè)量，此時(shí)中、下層含水量較少，上層雪含水量較大，使得上層雪到中層雪的鹽分遷移比較明顯，出現(xiàn)了上層雪鹽分減小而中層雪鹽分增大的現(xiàn)象。

圖2 覆雪期內(nèi)濕雪的鹽分遷移變化Fig.2 Salt migration of wet snow in snow cover period

2.2 儲(chǔ)雪期內(nèi)的鹽分遷移

儲(chǔ)雪期內(nèi)的鹽分遷移主要是關(guān)注雪在一定的含水量程度下，不同雪層的鹽分變化。由于在儲(chǔ)雪期內(nèi)雪樣的溫度維持在-5℃以下，雪樣很難融化，故雪中的液態(tài)水含量即為雪的含水量。實(shí)驗(yàn)中通過改變雪的貯藏溫度來改變雪中的含水量，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，保持雪貯藏的溫度等條件不變，監(jiān)測(cè)24 h內(nèi)雪層的鹽分變化。鹽分的變化通過雪層的融雪水電導(dǎo)率反應(yīng)，每次采集雪樣時(shí)將雪在豎直方向上平均分為三層，收集每層的積雪，融化后測(cè)得融雪水電導(dǎo)率。試驗(yàn)中使用的覆雪水電導(dǎo)率為130 μS/cm。

試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，兩組的差異僅在雪樣的含水量，分別為10%和20%。試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同雪層融雪水電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線（含水量10%）Fig.3 Snowmelt water conductivity of different layers as a function of time（the water content of snow was 10%）

圖4 不同雪層融雪水電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線（含水量20%）Fig.4 Snowmelt water conductivity of different layers as a function of time（the water content of snow was 20%）

圖3和圖4分別為含水量為10%和20%條件下。從圖3和圖4可以得出，在儲(chǔ)雪期內(nèi)，上、中、下雪層的融雪水電導(dǎo)率幾乎不發(fā)生變化，也即無論含水量高低，鹽分在儲(chǔ)雪期內(nèi)幾乎不會(huì)發(fā)生變化。其原因可能是液態(tài)水的含量有限而不能在重力作用下大規(guī)模向下滲透，導(dǎo)致鹽分很難發(fā)生遷移。

2.3 融雪期內(nèi)的鹽分遷移

在融雪期內(nèi)雪的鹽分遷移試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，為了便于觀察室溫下雪中鹽分遷移的路徑，在覆雪水中加入高錳酸鉀進(jìn)行試驗(yàn)，通過高錳酸鉀的顏色來標(biāo)記鹽分的遷移路徑。試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)用玻璃絕緣子掛到氣候室內(nèi)，用稀高錳酸鉀溶液進(jìn)行覆雪，覆雪溫度控制在-5℃。覆雪結(jié)束后，絕緣子放在25℃室溫下融化，融化過程如圖5所示。

圖5 絕緣子上雪的融化過程Fig.5 Melting process of snow on insulators

從圖5可以看出，覆雪結(jié)束后雪表面呈現(xiàn)淡粉色，顏色很淺。開始融化后，雪表面顏色加深，變?yōu)闇\粉色，此時(shí)表明液態(tài)水雪表面出現(xiàn)液態(tài)水，溶解了部分高錳酸鉀，形成鹽溶液，呈現(xiàn)出較深的顏色。雪從邊緣部分開始融化，因?yàn)榇藭r(shí)邊緣部分的雪的顏色變?yōu)樽仙f明此時(shí)出現(xiàn)更多的水分，鹽分經(jīng)由融雪水進(jìn)行遷移。而邊緣部分大面積融化后會(huì)留下透明的冰層，不帶任何顏色，表明大部分鹽分已遷移完畢，同時(shí)雪層其他部分變?yōu)樽仙_始融化過程?，F(xiàn)象表明，雪融化后生成的水在下滲過程中會(huì)帶走大量的鹽分，留下透明的冰層，融化過程由邊緣向中心進(jìn)行。綜上所述，雪在融雪期內(nèi)的鹽分遷移現(xiàn)象較為明顯，且與融化過程以及溫度密切相關(guān)。

為了詳細(xì)研究鹽分遷移的過程，持續(xù)收集融雪期內(nèi)的融雪水，每收集約5 mL測(cè)量一次電導(dǎo)率，以便觀察電導(dǎo)率的變化情況。初始的覆雪水電導(dǎo)率為150 μS/cm。測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 融雪水電導(dǎo)率隨測(cè)量次數(shù)的變化曲線Fig.6 The variation of snowmelt water at each measurement

圖6中縱軸為融雪水電導(dǎo)率，橫軸為測(cè)量次數(shù)，測(cè)量連續(xù)進(jìn)行。融雪水電導(dǎo)率先增大，隨后減小，直至低于覆雪水電導(dǎo)率，達(dá)到穩(wěn)定。由于雪的融化最先由邊緣部分發(fā)生，故最初收集的融雪水的電導(dǎo)率接近覆雪水電導(dǎo)率。而后由于表層雪開始融化，融化形成的水在重力作用下向下滲透，在滲透過程中帶走大量的鹽分，故融雪水電導(dǎo)率呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。此后，由于鹽分被大量帶走，剛剛?cè)诨纬傻囊簯B(tài)水只能帶走少量鹽分，故而融雪水電導(dǎo)率到達(dá)峰值后出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。最后剩余的部分以冰層為主，其融化后電導(dǎo)率很低，使得最后收集到的融雪水的電導(dǎo)率低于覆雪水電導(dǎo)率。

綜上所述，融雪水電導(dǎo)率會(huì)在融雪初期迅速達(dá)到峰值，此后開始慢慢下降。故在融雪初期，融雪水的含鹽量較高，電導(dǎo)率更大，更加容易發(fā)生閃絡(luò)事故。

3 環(huán)境溫度對(duì)于鹽分遷移的影響

由第二節(jié)可知，環(huán)境溫度對(duì)于融雪速率和融化過程有著重大的影響。不同溫度場(chǎng)下融雪速率存在一定的差異，故試驗(yàn)中選取相同溫度下的雪樣放入不同環(huán)境溫度下進(jìn)行融雪試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

試驗(yàn)在玻璃板表面進(jìn)行，覆雪時(shí)間約1 h，覆雪厚度約為2.5 cm，雪樣溫度為-7℃。將雪樣分別放入溫度為17℃和10℃的環(huán)境中進(jìn)行融雪試驗(yàn)，每次間隔10～20 min分層取樣，將上、中、下三層雪樣分別融化，待完全融化后，測(cè)量融雪水電導(dǎo)率。

由圖7和圖8可以得出，雪在融化過程中存在鹽分的向下遷移現(xiàn)象，上層雪的融雪水電導(dǎo)率逐漸減小，即鹽分隨著雪的融化而向下遷移；而中層雪的鹽分會(huì)隨著上層雪鹽分的下滲而先增大，而后自身的鹽分向下遷移而減少，融雪水電導(dǎo)率呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢(shì)；而下層雪即接收從上層遷移下來的鹽分，同時(shí)會(huì)以液態(tài)水的形式流失鹽分，鹽分同樣會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)。

圖7 環(huán)境溫度為10℃時(shí)融雪期鹽分遷移Fig.7 Salt migration during snowmelt period at ambient temperature of 10℃

圖8 環(huán)境溫度為17℃時(shí)融雪期鹽分遷移Fig.8 Salt migration during snowmelt period at ambient temperature of 17℃

橫向?qū)Ρ葍蓚€(gè)溫度下的鹽分遷移現(xiàn)象。在環(huán)境溫度為17℃時(shí)，中層雪和下層雪分布在20 min和10 min附近到達(dá)極值，而在環(huán)境溫度為10℃時(shí)，對(duì)應(yīng)雪層分別在60 min和40 min達(dá)到峰值。前者明顯快于后者，說明環(huán)境溫度會(huì)極大改變雪中的鹽分遷移速率，而中層雪達(dá)到極值的時(shí)間高于下層雪，也印證了雪從邊界開始向內(nèi)部融化的猜測(cè)。從圖7可知，在任意時(shí)刻，中層雪的融雪水電導(dǎo)率總是處于上層雪和下層雪之間，而在圖8中沒有這個(gè)現(xiàn)象，中層雪的融雪水電導(dǎo)率一度超過下層雪的融雪水電導(dǎo)率?，F(xiàn)象表明，圖7中的雪樣鹽分遷移較為緩慢也即環(huán)境溫度低時(shí)鹽分遷移較弱，從而導(dǎo)致上層雪鹽分緩慢遷移到中層雪，而中層雪的鹽分緩慢遷移到下層雪，而下層雪不會(huì)發(fā)生劇烈融化，鹽分不會(huì)大幅流失。而環(huán)境溫度高時(shí)，如圖8，此時(shí)上層，下層先開始劇烈融化，同時(shí)鹽分迅速遷移，上層雪中的鹽分遷移到了中層雪而中層雪此時(shí)融化速率較慢，下滲的鹽分較少，使得此時(shí)中層雪的鹽分增加，超過下層雪。

4 結(jié)論

本研究主要針對(duì)不同時(shí)期雪中的鹽分遷移現(xiàn)象進(jìn)行研究，并討論了環(huán)境溫度對(duì)雪中鹽分遷移的影響，主要有以下結(jié)論。

1）覆雪期內(nèi)干雪幾乎不發(fā)生鹽分遷移過程，而濕雪會(huì)發(fā)生部分鹽分遷移，其主要差別在于雪中液態(tài)水含量，表明雪中的鹽分遷移離不開液態(tài)水的作用。

2）在儲(chǔ)雪期內(nèi)雪樣幾乎不發(fā)生鹽分遷移現(xiàn)象，無論雪樣的含水量高低，原因在于沒有足夠的液態(tài)水，導(dǎo)致大范圍的鹽分遷移不會(huì)發(fā)生，表明鹽分遷移發(fā)生的必要條件在于足夠多的液態(tài)水。

3）在融雪期內(nèi)，雪的鹽分遷移現(xiàn)象十分明顯。雪由邊緣開始融化，且開始時(shí)融雪水電導(dǎo)率接近覆雪水電導(dǎo)率，此后隨著雪的融化，液態(tài)水會(huì)帶走大量鹽分而使得融雪水電導(dǎo)率逐漸升高，在達(dá)到峰值之后融雪水電導(dǎo)率逐漸下降，此時(shí)雪中的鹽分較少，直至鹽分幾乎被融化形成的液態(tài)水帶走，剩下含鹽量很低的冰層。

4）溫度會(huì)影響融雪期內(nèi)鹽分遷移的速率。溫度越高，雪的融化速率越快，此時(shí)的鹽分遷移越劇烈。

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