温度对导线覆冰的影响试验研究

康 健，刘建红

（1.国网西安供电公司，陕西 西安 710032；2.国网阳泉供电公司，山西 阳泉 045028）

0 引言

输电线路覆冰是许多国家电力系统所面临的最为严重的自然灾害之一［1］。

覆冰类型按覆冰特性可以分为雨凇、雾凇、混合凇、积雪、白霜［2］。大多数情况下，雨凇是由过冷却雨滴或毛毛雨发展起来的，密度在0.6～0.9 g／cm3之间，与导线表面的粘合力强大，不易脱落。雾凇是输电线路最常见的一种覆冰形式，有粒状和晶状两种。粒状雾凇是乳白色不透明体，质地松脆，中间含有气泡空隙，密度在0.1～0.3 g／cm3之间；晶状雾松是白色结晶，质地疏松而软，冰体内含有较多的气泡，与导线表面的附着力较弱，容易脱落，密度在0.08～0.1 g／cm3之间［3］。当温度在冰点以下，风比较猛时，则形成混合凇，呈乳白色，体积大，气隙较多，密度在0.2～0.8 g／cm3之间。混合凇是一个交替覆冰过程，是由雨凇和雾凇在导线上交替冻结而成的，生长速度快，对导线危害特别严重［4］。

覆冰类型按覆冰增长过程可以分为干增长过程和湿增长过程［5］。干增长过程中，在第二个过冷却水滴到达导线表面之前，第一个过冷却水滴已全部冻结在导线表面并释放出潜热。此时主要形成雾凇覆冰，覆冰的空隙比较大。湿增长过程是指第二个过冷却水滴到达导线表面时，第一个过冷却水滴没有全部冻结，潜热还没有完全释放出来。在这种情况下可能产生连续液膜，容易形成雨凇覆冰。雨凇覆冰质地较密，与导线表面有很强的粘附力。

对导线覆冰过程的观测能够为电力系统的减灾防灾工作提供参考。本文探讨了温度对导线覆冰的类型、形状及重量的影响。

1 试验装置

1.1 导线

使用不同型号的4种导线，导线长度为1.2 m，导线型号和直径如表1所示。

表1 试验用导线基本参数

1.2 导线支架

树形导线支架结构示意图，如图1。为了避免上方导线滴下过冷却水影响下方导线上的覆冰过程，将支架同侧相邻导线的水平距离固定为15 cm，垂直距离固定为30 cm。

图1 树形导线支架及试品布置示意图

1.3 人工气候室

气候室直径为5.2 m，高9 m，温度调节范围在-60℃至50℃间。

1.4 覆冰重量测量系统

导线覆冰重量由导线支架上的一对MS-1称重传感器来测量。

1.5 喷淋系统

气候室的喷淋系统由布置在导线上方的环形喷雾嘴阵列构成，喷雾嘴阵列装在导线上方约50 cm处，这样雾滴到达导线时温度恰好下降至0℃左右。冷却水通过高压水泵从喷雾嘴喷出，通过更换不同直径的喷雾嘴，配合喷雾压力和水流量调节，可以将雾滴直径控制在5～500 μm之间。

2 试验方法

2.1 覆冰方法

按试验要求布置好试品后，关闭气候室舱门，开始制冷，待环境温度下降至目标温度后，开启喷雾水泵，将称重显示仪表归零，开始计时，每15 min记录1次试验数据。

2.2 覆冰形态的测量方法

覆冰类型包括雨凇、雾凇和混合凇。试验过程中，每30 min从不同角度（顺线方向、垂直于导线方向等）、不同位置（与导线处于同一水平线、导线下方、导线上方等）用相机对覆冰形状进行拍摄，并用游标卡尺测量覆冰的长径、短径、冰棱长度和倾斜角度等参数，测量方法如图2所示。

图2 覆冰形态测量方法示意图

覆冰厚度增长率通过实时采集导线单位长度上覆冰重量的变化得出。其中覆冰重量与覆冰厚度、覆冰直径的关系参见 《电力工程气象勘测技术规程》（DL／T 5188—2012），标准冰厚计算参照式（1）、（2）。

式中：ρ为覆冰密度，g／cm3；B0为标准冰厚，mm；G为冰重，g；L为导线长度，m；a为覆冰长径，mm；b为覆冰短径，mm；r为导线半径，mm。

3 温度的影响

3.1 覆冰类型

将导线在人工气候室内布置好后，将雾滴直径控制在50 μm，研究环境温度变化对覆冰类型的影响，结果如图（3）所示。

图3 50 μm时不同温度下覆冰生长情况

由图3可知，环境温度为-3℃时，导线上覆冰是湿增长过程，即过量的过冷水流过导线，在此温度下过冷水并未完全结冰，沿导线两侧边沿滴下，此时导线上形成的坚硬透明的雨凇，导线下方常有冰棱形成。

环境温度为-6℃时，导线上覆冰过程介于干增长和湿增长之间，形成的是乳白色的混合凇。较小体积的雾滴到达导线时，凝固形成白色的雾凇；而较大体积的雾滴到达导线时，并未能够完全凝固，形成雨凇。因此，该温度下形成的是雨凇和雾凇的混合物，即混合凇。导线两侧有可能形成悬挂的冰棱，但冰棱的长度和数量通常比-3℃时低。

环境温度为-9℃时，导线上覆冰是干增长过程，雾滴在到达导线时，已达到凝固点，或者在下一个雾滴到达前已经凝固，形成白色的雾凇。这种情况下，导线下方不会形成冰棱。

温度从-3℃降低到-9℃时，导线表面覆冰的类型从雨凇向混合凇再向雾凇转变，温度越低，覆冰密度越小，冰厚越大。

3.2 覆冰形状

雾滴直径为50 μm，不同环境温度下，导线表面覆冰形状，如图4所示。

由图4可知，温度为-3℃时，导线表面覆冰凹凸不平，肉眼可见许多直径在1～10 mm的圆形或半圆形冰珠，导线下方有大量细长而透明的冰棱出现；温度为-6℃时，覆冰表面的不平整度有所减小，但仍然能看到细小的透明冰珠，导线下方冰棱的数量和长度大大减少，但直径有所增加；温度为-9℃时，导线表面形成均匀、细腻的雪白冰层，无冰棱出现。

图4 50 μm时不同温度下导线覆冰形状

3.3 覆冰重量增长率

将雾滴直径控制在50 μm，试验研究了温度对4种导线覆冰重量增长率的影响，结果如图5所示。

图5 4种导线不同温度时覆冰重量随时间的变化

由图5可知，导线覆冰重量随时间的增加先线性增加，当时间足够长，覆冰重量达到一定程度后，覆冰重量增长速度降低，呈现一定的饱和趋势。环境温度为-6℃和-9℃时，覆冰重量的增加速度差异不大，但却显著高于-3℃时，其主要原因是：-6℃和-9℃，导线表面分别为混合凇增长过程和雾凇增长过程，两种情况下导线表面几乎都以干增长为主，无水分流失，因此覆冰增长速度差异不大；-3℃时导线表面为雨凇湿增长过程，导线表面捕获的水分流失严重，因此覆冰重量增加速度比-6℃和-9℃时低。

因此，当导线表面覆冰以湿增长过程为主时，温度越低覆冰速度越快；当导线表面以干增长过程为主时，不同温度下覆冰重量增长速度差异不大。

4 结论

本文研究了温度对覆冰规律的影响，在-3℃时，导线是雨凇覆冰，覆冰颜色呈透明色，质地较硬，密度高，导线下方有大量冰棱悬挂；在-6℃时，导线覆冰是雨凇和雾凇的混合物，覆冰颜色是白色的雾凇和透明的雨凇混合在一起，质地较松，密度中等，导线下方悬挂的冰棱数量和长度大大降低，但直径有所增加；在-9℃时，导线覆冰是雾凇覆冰，覆冰呈白色，质地很软，很容易除去，密度低，导线下方无冰棱。导线覆冰重量随覆冰时间增大而增大，当导线表面覆冰以湿增长过程为主时，温度越低覆冰速度越快；当导线表面以干增长过程为主时，不同温度下覆冰重量增长速度差异不大。

［1］苑吉可，蒋兴良，易 辉，等.输电线路导线覆冰的国内外研究现状［J］.高电压技术，2004，30（1）：6-9.

［2］蒋兴良，易 辉.输电线路覆冰防护［M］.北京：中国电力出版社，2002.

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