輸電線路導線覆冰機理及雨凇覆冰模型分析

黃 健

國網福建省電力有限公司經濟技術研究院，福建 福州 350000

輸電線路導線覆冰機理及雨凇覆冰模型分析

黃 健

國網福建省電力有限公司經濟技術研究院，福建 福州 350000

隨著我國經濟的迅速發展，為了滿足人們和大型企業的用電需求，國家架設了許多輸電線路，在輸電線路導線越來越多的今天，由于自然環境的影響，會嚴重影響輸電線路導線的正常工作，對此，人們需要一些應對措施來消除自然災害對輸電線路導線的影響。本文對輸電線路導線覆冰機理及雨凇覆冰模型進行分析探討。

輸電線路導線；覆冰機理；雨凇覆冰模型

0 前言

目前，大多數的輸電線路導線是裸露在外部環境中的，在冬季濕冷的氣候環境中，輸電線路導線的表面非常容易發生覆冰現象，覆冰使輸電線路導線全部被冰所包裹，容易發生導線隨風舞動和輸電線路過荷等現象的發生，嚴重影響電網系統的正常運行。

1 輸電線路導線覆冰機理

我國對于覆冰的研究來源于對航空飛機覆冰的研究，目前，大多數的線路覆冰現象是冰冷的雨滴在空氣流動的帶動下，以層流的方式經過輸電線路導線時，這些雨滴會被導線所吸引捕獲，從而形成了輸電線路導線覆冰的情況，在輸電線路導線形成覆冰現象的初期，由于導線的形狀和有效氣流所帶動雨滴的范圍，一般情況下，導線覆冰的形狀是有規則的圓形截面，隨著雨滴的增多，導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，當積冰到達一定厚度的時候，導線附近不再具有有效的空氣流動，這時候，雨滴不會在導線上形成積冰，所以說，導線的覆冰現象取決于導線的半徑和其有效氣流的范圍，當積冰的厚度達到極限的時候，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，輸電線路導線由于嚴重的覆冰現象，導致導線被相當厚度的冰所覆蓋，這些積冰在氣流的帶動下，會造成輸電線路導線的覆冰舞動，給我國的電力系統帶來嚴重危害[1]。

2 輸電線路導線覆冰類型和條件

由于自然環境條件的不同，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境下，輸電線路導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線上，就容易形成雨凇覆冰，這種覆冰現象一般是在凍雨時期發生在低海拔地區，一般持續較短的時間，雨凇覆冰形成的條件是要環境溫度接近冰點，并且伴隨有較大級別的風力，這種覆冰現象一般具有以下特點：冰在導線上的粘合力較強，并且導線積冰的密度很大。形成雨凇覆冰現象的環境條件較為特殊，所以，輸電線路導線為純粹雨凇覆冰現象的情況一般較少。

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，在風力較小和溫度極低的情況下形成，一般霧凇的結構特點儀表松散，一般為出白色不規則狀，對于輸電線路導線的附著力相當小，所以這種霧凇對輸電線路導線的影響并不大[2]。

3 雨凇覆冰的模型分析

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

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

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

局部覆冰：

3.2 其次是導線局部碰撞系數，碰撞系數也被稱為碰撞恢復系數，在導線覆冰上的物理定義為雨滴與導線碰撞而被吸附的雨滴質量和碰撞后過冷雨滴在導線上的水滴總質量之間的比值，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：

3.3 然后還有凍結系數，凍結系數是指在單位時間中被凍結在導線上的雨滴質量與導線在有效氣流中所捕獲的雨滴質量之比，影響這個數值的因素有很多，這些因素包括環境溫度、風度、雨滴的質量和導線內電流強度等，這些因素影響雨滴在導線上的凍結量，從而影響整個凍結系數，由于各個參數的不確定性，所以其計算公式十分復雜。

3.4 收集系數。收集系數是指導線在有效氣流下捕獲的水滴質量與風速和水滴直徑之間的關系。在雨凇覆冰的情況下，一般其中的常數取1.64.

3.5 最后是導線的覆冰形狀.輸電線路導線的覆冰情況是導線舞動的重要參數，其形狀一般包括以下幾個方面：首先是有規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，所以呈現出一種均勻的理想化覆冰情況；另外一種情況是非規則截面的覆冰情況，這種覆冰情況一般呈現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線的半徑、氣候的溫度、風速和氣流角度等因素的影響。

4 結語

輸電線路導線是國家電網系統中的重要組成部分，給人們的生活和企業生產提供了巨大的幫助，在氣候溫度較為寒冷濕潤的時候，輸電線路導線容易發生覆冰現象。輸電線路導線覆冰與空氣濕度、溫度、風度、水滴的質量和導線的直徑等多方面有關系，其中包含了雨多方面的學問，所以覆冰機理是十分復雜的，人們要注意這些因素對導線覆冰的情況，防止因導線覆冰而造成導線舞動，而對電力系統造成嚴重的破壞。

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

[2]王健,王瑋,屈志堅等.電氣化鐵路接觸網雨凇覆冰厚度預測模型研究[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].電網技術,2015,39(3):867-872.