黃 健

國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，福建 福州 350000

輸電線路導(dǎo)線覆冰機(jī)理及雨凇覆冰模型分析

黃 健

國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，福建 福州 350000

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，為了滿足人們和大型企業(yè)的用電需求，國家架設(shè)了許多輸電線路，在輸電線路導(dǎo)線越來越多的今天，由于自然環(huán)境的影響，會嚴(yán)重影響輸電線路導(dǎo)線的正常工作，對此，人們需要一些應(yīng)對措施來消除自然災(zāi)害對輸電線路導(dǎo)線的影響。本文對輸電線路導(dǎo)線覆冰機(jī)理及雨凇覆冰模型進(jìn)行分析探討。

輸電線路導(dǎo)線；覆冰機(jī)理；雨凇覆冰模型

0 前言

目前，大多數(shù)的輸電線路導(dǎo)線是裸露在外部環(huán)境中的，在冬季濕冷的氣候環(huán)境中，輸電線路導(dǎo)線的表面非常容易發(fā)生覆冰現(xiàn)象，覆冰使輸電線路導(dǎo)線全部被冰所包裹，容易發(fā)生導(dǎo)線隨風(fēng)舞動和輸電線路過荷等現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重影響電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行。

1 輸電線路導(dǎo)線覆冰機(jī)理

我國對于覆冰的研究來源于對航空飛機(jī)覆冰的研究，目前，大多數(shù)的線路覆冰現(xiàn)象是冰冷的雨滴在空氣流動的帶動下，以層流的方式經(jīng)過輸電線路導(dǎo)線時，這些雨滴會被導(dǎo)線所吸引捕獲，從而形成了輸電線路導(dǎo)線覆冰的情況，在輸電線路導(dǎo)線形成覆冰現(xiàn)象的初期，由于導(dǎo)線的形狀和有效氣流所帶動雨滴的范圍，一般情況下，導(dǎo)線覆冰的形狀是有規(guī)則的圓形截面，隨著雨滴的增多，導(dǎo)線上積冰的厚度也越來越多，而與此同時，有效氣流的范圍也越來越少，當(dāng)積冰到達(dá)一定厚度的時候，導(dǎo)線附近不再具有有效的空氣流動，這時候，雨滴不會在導(dǎo)線上形成積冰，所以說，導(dǎo)線的覆冰現(xiàn)象取決于導(dǎo)線的半徑和其有效氣流的范圍，當(dāng)積冰的厚度達(dá)到極限的時候，會停止積冰，不會一直增長下去。在天氣寒冷、雨水較多的冬季，輸電線路導(dǎo)線由于嚴(yán)重的覆冰現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)線被相當(dāng)厚度的冰所覆蓋，這些積冰在氣流的帶動下，會造成輸電線路導(dǎo)線的覆冰舞動，給我國的電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害[1]。

2 輸電線路導(dǎo)線覆冰類型和條件

由于自然環(huán)境條件的不同，在輸電線路上所形成的覆冰類型也不相同，其類型主要包括以下兩個方面：

2.1 首先是雨凇覆冰。雨凇覆冰是在冬季的等氣候寒冷的環(huán)境下，輸電線路導(dǎo)線的溫度低于零攝氏度，在這樣的情況下，冰冷的雨滴如果降落在輸電線路導(dǎo)線上，就容易形成雨凇覆冰，這種覆冰現(xiàn)象一般是在凍雨時期發(fā)生在低海拔地區(qū)，一般持續(xù)較短的時間，雨凇覆冰形成的條件是要環(huán)境溫度接近冰點，并且伴隨有較大級別的風(fēng)力，這種覆冰現(xiàn)象一般具有以下特點：冰在導(dǎo)線上的粘合力較強(qiáng)，并且導(dǎo)線積冰的密度很大。形成雨凇覆冰現(xiàn)象的環(huán)境條件較為特殊，所以，輸電線路導(dǎo)線為純粹雨凇覆冰現(xiàn)象的情況一般較少。

2.2 軟霧凇。軟霧凇的形成條件和特性與雨凇覆冰相比完全不同，軟霧凇是在由低層云中的過冷水滴，在風(fēng)力較小和溫度極低的情況下形成，一般霧凇的結(jié)構(gòu)特點儀表松散，一般為出白色不規(guī)則狀，對于輸電線路導(dǎo)線的附著力相當(dāng)小，所以這種霧凇對輸電線路導(dǎo)線的影響并不大[2]。

3 雨凇覆冰的模型分析

輸電線路導(dǎo)線模型是為了計算在覆冰的環(huán)境氣候下，導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量與時間之間的變化關(guān)系，若果在導(dǎo)線有效氣流范圍內(nèi)捕捉到的水滴被完全凍結(jié)，這樣的情況為霧凇覆冰，若果導(dǎo)線上的水滴并沒有被完全凍結(jié)，這種情況為雨凇覆冰。在之前的介紹中，詳細(xì)地介紹了雨凇覆冰和霧凇覆冰對輸電線路導(dǎo)線的影響程度，因為雨凇覆冰對輸電線路導(dǎo)線的危害較大，在這里對雨凇覆冰的模型進(jìn)行分析。在導(dǎo)線覆冰模型中，一般包括覆冰強(qiáng)度、碰撞系數(shù)、凍結(jié)系數(shù)、收集系數(shù)、和輸電線路導(dǎo)線覆冰情況幾個方面。

3.1 雨凇覆冰的覆冰強(qiáng)度是在單位時間內(nèi)，單位面積上的導(dǎo)線覆冰質(zhì)量，在計算公式中，覆冰強(qiáng)度一般用I來表示，其具體的計算公式如下：

其中β為導(dǎo)線局部的碰撞系數(shù)，V和W分別為風(fēng)速和水滴的含量，n為有效覆冰系數(shù)。

局部覆冰：

3.2 其次是導(dǎo)線局部碰撞系數(shù)，碰撞系數(shù)也被稱為碰撞恢復(fù)系數(shù)，在導(dǎo)線覆冰上的物理定義為雨滴與導(dǎo)線碰撞而被吸附的雨滴質(zhì)量和碰撞后過冷雨滴在導(dǎo)線上的水滴總質(zhì)量之間的比值，這個比值一般在0到1之間，在這里的具體計算公式為：

局部碰撞系數(shù)：

3.3 然后還有凍結(jié)系數(shù)，凍結(jié)系數(shù)是指在單位時間中被凍結(jié)在導(dǎo)線上的雨滴質(zhì)量與導(dǎo)線在有效氣流中所捕獲的雨滴質(zhì)量之比，影響這個數(shù)值的因素有很多，這些因素包括環(huán)境溫度、風(fēng)度、雨滴的質(zhì)量和導(dǎo)線內(nèi)電流強(qiáng)度等，這些因素影響雨滴在導(dǎo)線上的凍結(jié)量，從而影響整個凍結(jié)系數(shù)，由于各個參數(shù)的不確定性，所以其計算公式十分復(fù)雜。

3.4 收集系數(shù)。收集系數(shù)是指導(dǎo)線在有效氣流下捕獲的水滴質(zhì)量與風(fēng)速和水滴直徑之間的關(guān)系。在雨凇覆冰的情況下，一般其中的常數(shù)取1.64.

3.5 最后是導(dǎo)線的覆冰形狀.輸電線路導(dǎo)線的覆冰情況是導(dǎo)線舞動的重要參數(shù)，其形狀一般包括以下幾個方面：首先是有規(guī)則的或者近似圓截面形狀的覆冰，這種覆冰情況一般為雨凇覆冰，因為雨凇覆冰的積冰附著力比較強(qiáng)，所以呈現(xiàn)出一種均勻的理想化覆冰情況；另外一種情況是非規(guī)則截面的覆冰情況，這種覆冰情況一般呈現(xiàn)出冰柱或者翼形覆冰的形狀，這種覆冰情況的分析要考慮導(dǎo)線的半徑、氣候的溫度、風(fēng)速和氣流角度等因素的影響。

4 結(jié)語

輸電線路導(dǎo)線是國家電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要組成部分，給人們的生活和企業(yè)生產(chǎn)提供了巨大的幫助，在氣候溫度較為寒冷濕潤的時候，輸電線路導(dǎo)線容易發(fā)生覆冰現(xiàn)象。輸電線路導(dǎo)線覆冰與空氣濕度、溫度、風(fēng)度、水滴的質(zhì)量和導(dǎo)線的直徑等多方面有關(guān)系，其中包含了雨多方面的學(xué)問，所以覆冰機(jī)理是十分復(fù)雜的，人們要注意這些因素對導(dǎo)線覆冰的情況，防止因?qū)Ь€覆冰而造成導(dǎo)線舞動，而對電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞。

[1]劉春城,劉佼.輸電線路導(dǎo)線覆冰機(jī)理及雨凇覆冰模型[J].高電壓技術(shù),2011,37(1):241-248.

[2]王健,王瑋,屈志堅等.電氣化鐵路接觸網(wǎng)雨凇覆冰厚度預(yù)測模型研究[J].電氣化鐵道,2014,(1):21-24.

[3]陳吉,蔣興良,郭鋼等.交直流電場對雨凇覆冰特性的影響研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(3):867-872.