输电线路导线覆冰机理及雨凇覆冰模型分析

黄 健

国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福建 福州 350000

输电线路导线覆冰机理及雨凇覆冰模型分析

黄 健

国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福建 福州 350000

随着我国经济的迅速发展，为了满足人们和大型企业的用电需求，国家架设了许多输电线路，在输电线路导线越来越多的今天，由于自然环境的影响，会严重影响输电线路导线的正常工作，对此，人们需要一些应对措施来消除自然灾害对输电线路导线的影响。本文对输电线路导线覆冰机理及雨凇覆冰模型进行分析探讨。

输电线路导线；覆冰机理；雨凇覆冰模型

0 前言

目前，大多数的输电线路导线是裸露在外部环境中的，在冬季湿冷的气候环境中，输电线路导线的表面非常容易发生覆冰现象，覆冰使输电线路导线全部被冰所包裹，容易发生导线随风舞动和输电线路过荷等现象的发生，严重影响电网系统的正常运行。

1 输电线路导线覆冰机理

我国对于覆冰的研究来源于对航空飞机覆冰的研究，目前，大多数的线路覆冰现象是冰冷的雨滴在空气流动的带动下，以层流的方式经过输电线路导线时，这些雨滴会被导线所吸引捕获，从而形成了输电线路导线覆冰的情况，在输电线路导线形成覆冰现象的初期，由于导线的形状和有效气流所带动雨滴的范围，一般情况下，导线覆冰的形状是有规则的圆形截面，随着雨滴的增多，导线上积冰的厚度也越来越多，而与此同时，有效气流的范围也越来越少，当积冰到达一定厚度的时候，导线附近不再具有有效的空气流动，这时候，雨滴不会在导线上形成积冰，所以说，导线的覆冰现象取决于导线的半径和其有效气流的范围，当积冰的厚度达到极限的时候，会停止积冰，不会一直增长下去。在天气寒冷、雨水较多的冬季，输电线路导线由于严重的覆冰现象，导致导线被相当厚度的冰所覆盖，这些积冰在气流的带动下，会造成输电线路导线的覆冰舞动，给我国的电力系统带来严重危害[1]。

2 输电线路导线覆冰类型和条件

由于自然环境条件的不同，在输电线路上所形成的覆冰类型也不相同，其类型主要包括以下两个方面：

2.1 首先是雨凇覆冰。雨凇覆冰是在冬季的等气候寒冷的环境下，输电线路导线的温度低于零摄氏度，在这样的情况下，冰冷的雨滴如果降落在输电线路导线上，就容易形成雨凇覆冰，这种覆冰现象一般是在冻雨时期发生在低海拔地区，一般持续较短的时间，雨凇覆冰形成的条件是要环境温度接近冰点，并且伴随有较大级别的风力，这种覆冰现象一般具有以下特点：冰在导线上的粘合力较强，并且导线积冰的密度很大。形成雨凇覆冰现象的环境条件较为特殊，所以，输电线路导线为纯粹雨凇覆冰现象的情况一般较少。

2.2 软雾凇。软雾凇的形成条件和特性与雨凇覆冰相比完全不同，软雾凇是在由低层云中的过冷水滴，在风力较小和温度极低的情况下形成，一般雾凇的结构特点仪表松散，一般为出白色不规则状，对于输电线路导线的附着力相当小，所以这种雾凇对输电线路导线的影响并不大[2]。

3 雨凇覆冰的模型分析

输电线路导线模型是为了计算在覆冰的环境气候下，导线的覆冰质量与时间之间的变化关系，若果在导线有效气流范围内捕捉到的水滴被完全冻结，这样的情况为雾凇覆冰，若果导线上的水滴并没有被完全冻结，这种情况为雨凇覆冰。在之前的介绍中，详细地介绍了雨凇覆冰和雾凇覆冰对输电线路导线的影响程度，因为雨凇覆冰对输电线路导线的危害较大，在这里对雨凇覆冰的模型进行分析。在导线覆冰模型中，一般包括覆冰强度、碰撞系数、冻结系数、收集系数、和输电线路导线覆冰情况几个方面。

3.1 雨凇覆冰的覆冰强度是在单位时间内，单位面积上的导线覆冰质量，在计算公式中，覆冰强度一般用I来表示，其具体的计算公式如下：

其中β为导线局部的碰撞系数，V和W分别为风速和水滴的含量，n为有效覆冰系数。

局部覆冰：

3.2 其次是导线局部碰撞系数，碰撞系数也被称为碰撞恢复系数，在导线覆冰上的物理定义为雨滴与导线碰撞而被吸附的雨滴质量和碰撞后过冷雨滴在导线上的水滴总质量之间的比值，这个比值一般在0到1之间，在这里的具体计算公式为：

局部碰撞系数：

3.3 然后还有冻结系数，冻结系数是指在单位时间中被冻结在导线上的雨滴质量与导线在有效气流中所捕获的雨滴质量之比，影响这个数值的因素有很多，这些因素包括环境温度、风度、雨滴的质量和导线内电流强度等，这些因素影响雨滴在导线上的冻结量，从而影响整个冻结系数，由于各个参数的不确定性，所以其计算公式十分复杂。

3.4 收集系数。收集系数是指导线在有效气流下捕获的水滴质量与风速和水滴直径之间的关系。在雨凇覆冰的情况下，一般其中的常数取1.64.

3.5 最后是导线的覆冰形状.输电线路导线的覆冰情况是导线舞动的重要参数，其形状一般包括以下几个方面：首先是有规则的或者近似圆截面形状的覆冰，这种覆冰情况一般为雨凇覆冰，因为雨凇覆冰的积冰附着力比较强，所以呈现出一种均匀的理想化覆冰情况；另外一种情况是非规则截面的覆冰情况，这种覆冰情况一般呈现出冰柱或者翼形覆冰的形状，这种覆冰情况的分析要考虑导线的半径、气候的温度、风速和气流角度等因素的影响。

4 结语

输电线路导线是国家电网系统中的重要组成部分，给人们的生活和企业生产提供了巨大的帮助，在气候温度较为寒冷湿润的时候，输电线路导线容易发生覆冰现象。输电线路导线覆冰与空气湿度、温度、风度、水滴的质量和导线的直径等多方面有关系，其中包含了雨多方面的学问，所以覆冰机理是十分复杂的，人们要注意这些因素对导线覆冰的情况，防止因导线覆冰而造成导线舞动，而对电力系统造成严重的破坏。

[1]刘春城,刘佼.输电线路导线覆冰机理及雨凇覆冰模型[J].高电压技术,2011,37(1):241-248.

[2]王健,王玮,屈志坚等.电气化铁路接触网雨凇覆冰厚度预测模型研究[J].电气化铁道,2014,(1):21-24.

[3]陈吉,蒋兴良,郭钢等.交直流电场对雨凇覆冰特性的影响研究[J].电网技术,2015,39(3):867-872.