（工程热物理专业论文）覆冰环境条件下空气横掠导线对流换热问题研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro fa i ra c r o s sw i r e s i nt h ei c i n ge n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s b y z h a n gz h a n e n b e ( s h a n x iu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a a i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uh e y u n a p r i l ，2 0 1 1 一 ， 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：涨俄、瞧、 日期：少f f 年岁月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：删愚， 导师签名： 日期：矽7 f 年岁月 弓日 日期：沙1 年r 月哆日 摘要 随着环境气候的变化，架空导线覆冰事故频繁发生，对高压线、通信线路、 电气化铁路的接触线形成了很大的危害。受气候和地形等因素的影响，我国是世 界上架空导线覆冰最为严重的国家之一，每年的导线覆冰事故给我国带来巨大的 经济损失，已成为电力、通信等行业急需解决的问题。 本文首先对国内外架空导线覆冰研究现状进行综述，介绍了现阶段各种导线 防、除冰技术的特点和方法，提出了导线覆冰的几个关键问题以及本文主要的工 作和安排。 其次介绍了架空导线覆冰的基本概念与机理，导线只有在合适的气温( o c - 1 0 ) 、较高的湿度( 8 5 以上) 和适当的风速下才会形成覆冰，覆冰的形式也 是多种多样，不同的气象条件下，覆冰类型也不相同，有雨凇、雾凇、湿雪等不 同的表观特征，覆冰的物理性质也随之发生变化。 再次，对导线覆冰过程中不同气象条件下的收集系数进行实验研究，收集系 数反应的是导线捕获空气中过冷液滴的能力，直接影响导线覆冰量的多少。本文 通过实验方法，测定在覆冰环境条件下模拟导线收集系数的大小，以及收集系数 的影响因素和随实验工况条件变化收集系数的变化规律。 接着，通过对导线覆冰表面传热过程的分析，得到导线表面对流换热的理论 分析式，以此式为实验原理，在覆冰环境条件下，对导线表面对流换热系数进行 实验研究。通过实验，得到对流换热系数随电流、风速、温度等气象参数的变化 规律，对流换热系数随风速的增加而增大，随电流增大而增大，环境温度对对流 换热基本没有影响。 最后，在覆冰环境下，实验得到模拟导线局部对流换热系数的变化情况，局 部对流换热系数随空气横掠导线角度呈现先减小、再增大的变化趋势；在此基础 上对架空导线局部对流换热与空气横掠旋转圆柱体对流换热进行比较，验证了对 流换热实验的可靠性。 本文的研究结果对防止导线覆冰有很重要的意义，对导线表面收集系数和对 流换热进行了详尽的实验理论研究，为使用临界电流防冰提供理论依据。 关键词：导线覆冰；收集系数；对流换热；实验研究 a b s t r a c t w i t ht h ec h a n g e so ft h ee n v i r o n m e n ta n dc l i m a t e ，t h ee l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nl i n e s i c i n go c c u r sf r e q u e n t l y a t m o s p h e r i ci c ea c c r e t i o no nc o n d u c t o r si sb e c o m i n go n eo f t h em a j o r p r o b l e m s i np l a n n i n ga n dc o n s t r u c i n gp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e sa n d c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s c h i n ai so n eo ft h ec o u n t r i e sw h e r ei c ea c c r e t i o ni sv e r y s e r i o u sa f f e c t e db yc l i m a t ea n dt e r r a i n t h ee l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nl i n e si c i n gc a u s e s g r e a te c o n o m i cl o s si nc h i n ae v e r yy e a r ，i th a sb e c o m i n ga nu r g e n tp r o b l e mi np o w e r a n dc o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y f i r s t l y , t h ea r t i c l er e v i e w e dt h er e s e a r c hs t a t u so fc o n d u c t o ri c i n ga th o m ea n d a b r o a d ，i n t r o d u c e dv a r i o u sa n t i i c i n g 、d e i c i n gt e c h n o l o g yf e a t u r e sa n dm e t h o d sa n d s o m ee x i s t i n g p r o b l e m sa b o u ti c ea c c r e t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l e a r e p r o p o s e d s e c o n d l y , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p ta n dm e c h a n i s mo fi c i n g i c e a c c r e t i o nw i l lb ef o r m e do n l ya tt h er i g h tt e m p e r a t u r e ( o 一10 ( 2 ) 、h u m i d i t y ( a b o v e 8 5 ) a n dw i n dv e l o c i t y i c i n gf o r m sa r en o tt h es a m ei nd i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n s ， s u c ha sg l a z e 、r i m e 、w e ts n o wa n ds oo n t h ea p p a r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dp h y s i c a l p r o p e r t i e so fi c i n ga r ed i f f e r e n t t h i r d l y ，t h ec o l l e c t i o nc o e f f i c i e n ti so b t a i n e dt h r o u g han u m b e ro fe x p e r i m e n t a l t e s t s t h er e a c t i o no ft h ec o l l e c t i o nc o e f f i c i e n ti st h ea b i l i t yt h a tw i r e sc a p t u r et h e s u p e r c o o l e dd r o p l e t si nt h ea i r t h r o u g hc h a n g i n gt h ea i rt e m p e r a t u r e ，w i n ds p e e d ， d r o p l e td i a m e t e r a n do t h e r m e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，w eo b t a i n e dt h el a w o f c o n d u c t o ri c i n gc o l l e c t i o nc o e f f i c i e n tu n d e rd i f f e r e n tm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n d i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ec o l l e c t i o nc o e f f i c i e n t t h e n ，t h r o u g ha n a l y s i st h eh e a tb a l a n c ee q u a t i o no ft h eh e a t e dw i r e sa n dt h e d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s si nt h ei c ea c c r e t i o np r o c e s so n o v e r h e a dt r a n s m i s s i o nw i r e s ，t h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti s o b t a i n e d t h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ri sc a l c u l a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d yi nt h e i c i n ge n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s u l t i m a t e l y ，w eo b t a i n e dt h a tt h ec o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fw i n ds p e e da n dt h ec u r r e n tw h i c h p a s st h r o u g hl i n e sa n dt h ea i rt e m p e r a t u r eh a v eal i t t l ee f f e c t f i n a l l y , w eo b t a i n e dt h el o wo fl o c a lc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tt h r o u g h e x p e r i m e n t a ls t u d y t h el o c a lc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sd e c r e a s e df i r s ta n d t h e ni n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n ga n g l e o nt h i sb a s i s ，v e r i f i e dt h er e l i a b i l i t yo ft h e e x p e r i m e n tc o m p a r e dw i t ht h el o c a lc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rw h e na i ra c r o s sr o t a t i n g i i c y l i n d e r t h er e s u l t so ft h i sa r t i c l eh a v ev e r yi m p o r t a n tm e a n i n go ft h em e c h a n i s mo f a n t i - i c i n g t h i sa r t i c l ew a sc a r r i e do u tad e t a i l e de x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d y a b o u tt h ec o l l e c t i o nc o e 伍c i e n ta n dt h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sc a nb eu s e dt op r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o ra n t i i c i n gb a s e do nt h ej o u l e e f f e c t k e yw o r d s ：i c ea c c r e t i o n ； c o l l e c t i o nc o e f f i c i e n t ；c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r ； e x p e r i m e n t a ls t u d y i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究目的及意义l 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 导线防冰除冰技术3 1 2 1 1 架空导线防冰技术3 1 2 1 2 架空导线除冰技术4 1 2 2 导线防冰除冰的关键科学问题5 1 2 2 1 收集系数5 1 2 2 2 对流换热系数7 1 2 2 3 临界电流7 l - 3 本文的主要工作和安排8 1 4 本章小结9 第二章架空导线覆冰的基本概念与机理 2 1 导线覆冰的气象条件及影响因素1 0 2 1 1 导线覆冰气象条件1 0 2 1 2 导线覆冰的影响因素一1 0 2 2 架空导线覆冰种类介绍1 1 2 2 1 按覆冰的表观特性分类1 1 2 2 2 按导线覆冰机理分类1 2 2 2 3 按覆冰在导线表而的增长过程分类1 2 2 2 4 覆冰类型的实验探究1 3 2 3 覆冰的物理性质1 5 2 3 1 覆冰密度1 5 2 3 2 冰的粘结力1 5 2 4 本章小结1 6 第三章收集系数的实验研究 3 1 引言17 3 2 实验方案设计1 7 3 2 1 试验原理1 7 3 2 2 实验台1 8 3 2 2 1 实验冰风洞搭建1 8 3 2 2 2 实验段试件安装2 0 3 2 3 收集系数实验步骤2 0 3 3 实验结果及分析2 l 3 3 1 实验参数的测量方法2 1 3 3 2 收集系数实验结果2 3 3 3 3 收集系数实验数据分析2 5 3 3 3 1 风速和圆柱直径对收集系数的影响2 5 3 3 3 2 温度和液态水含量对收集系数影响2 5 3 3 4 实验结果的可靠性验证2 6 3 4 本章小结2 8 第四章对流换热系数的实验研究 4 1 引言2 9 4 2 实验方案设计2 9 4 2 1 试验原理2 9 4 2 2 实验台3l 4 2 3 实验步骤3 2 4 3 实验结果及分析3 3 4 3 1 实验主要参数的测量3 3 4 3 2 总的对流换热实验结果3 4 4 3 3 对流换热实验数据分析3 6 4 4 局部对流换热系数的测量3 8 4 4 1 实验方法3 8 4 4 2 实验步骤3 9 4 4 3 局部对流换热实验结果4 0 4 4 4 局部对流换热系数实验结果分析4 2 4 4 4 1 局部对流换热随导线角度的变化关系4 2 4 4 4 2 局部对流换热在不同风速下变化情况4 2 4 4 4 3 局部对流换热在不同电流和温度下的变化情况4 3 4 4 5 模拟导线局部对流换热与圆柱体局部对流换热的比较4 4 4 4 5 1 圆柱体表面对流换热实验原理4 4 4 4 5 2 实验数据测量与结果4 5 4 4 5 3 实验数据分析4 6 4 5 本章小结4 6 总结与展望4 8 参考文献5 0 致谢5 4 附录a 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研情况5 5 附录b 对流换热系数实验数据表5 6 附录c 局部对流换热系数实验数据表6 0 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目：临界电流防止架空导线覆冰的机理研 究。( 项目编号：5 0 9 7 6 0 3 0 ) 该课题的研究目标：认识和揭示导线表面冰霜形成和覆冰过程中的基本热物 理现象和规律，探析相关传热传质过程特性和影响覆冰的物理机理，探究导线覆冰 相关流动与传热特性，获得临界电流的计算方法与关联式，建立临界电流防冰的 完整理论，为发展架空导线防冰技术提供理论依据与应用基础。 研究的主要内容包括：导线捕获空气中过冷却水滴的有效性研究；含有过冷 却水滴的空气横掠导线的对流换热规律研究；覆冰环境条件下，通电导线的传热 分析、建模、求解；将临界电流理论计算公式转化为与常见气象参数有关的关联 式。 本学位论文结合上述课题内容，侧重研究导线覆冰时表面对流换热问题的研 究，根据实验研究与理论分析的结果，得出架空导线表观对流换热系数的变化规 律，为使用临界电流防止架空线路覆冰提供理论依据。 1 1 2 研究目的及意义 积聚在导线表面的水分因冻结而固化成冰或霜的现象称为导线覆冰。这种现 象一般发生在初冬或初春季节，它是一种与气象学、热力学、传热学、流体力学 等有关的，受微气象、微也形以及导线本身等影响的自然随机过程【l l 。 在大气环境下，架空：乒线会出现雨凇、雾凇、湿雪、混合凇等不同种类覆冰， 覆冰后导线截面形状改变，空气动力学特性变化，线路的冰风荷载增加，常造成 导线舞动、弧垂下降、短路放电、断线断股、金具损坏、不同期脱冰导线跳跃以 及杆塔倒塌等事故，对高压输电线、通信线以及电气化铁路接触线危害极大i l 训。 世界上许多国家的架空线路均频繁遭到冰雪灾害侵袭，加拿大魁北克省、美 国中部和南部、俄罗斯的北高加索地区以及日本、南韩等国的架空线路均频遭冰 害袭击。1 9 9 4 年2 月，美国东南部遭受严重冰害袭击，导致2 0 0 万用户断电，直 接经济损失达3 0 亿美元。1 9 9 8 、2 0 0 3 年美、加再次发生大面积导线覆冰事故，造 成更大经济损失。 我国幅员辽阔、气候多变，是世界上输电线路覆冰较为严重的国家之一。云 贵高原、川陕山区、湘赣一带的架空线路也经常发生严重覆冰事故。自1 9 7 1 年以 来，鄂西地区输电路和通信线路共发生覆冰断线导致中断供电、通信的事故达上 百次，其中荆门地区于1 9 9 3 年1 1 月1 9 日和1 9 9 4 年1 1 月1 6 日出现5 0 0 k v 线路 覆冰倒塔的重大事故，直接经济损失达1 0 0 0 万元；2 0 0 0 年1 月，哈尔滨、沈阳等 北方城市因连降大雪而造成输电线路多处发生覆冰事故；2 0 0 5 年2 月，湖南省电 网遭遇1 9 5 4 年以来最严重的冰冻威胁，多条2 2 0 千伏及5 0 0 千伏主干线覆冰，多 处杆塔出现险情。2 0 0 8 年1 月，湖南、贵州等南方十多省发生罕见的冰雪灾害天 气，造成输变电设备严重覆冰，累计有5 0 3 4 条1 0 k y 及以上线路相继受灾停运， 给电网的安全稳定运行带来了严重的危害，直接经济损失上亿元。因此，对架空 导线防冰、除冰方法的原理与实验研究，已经成为急需解决的问题【5 母】。 图1 1 导线覆冰导致的倒塔事故图1 2 架空导线覆冰实例 从工程热物理的角度分析架空导线在覆冰环境条件下的传热传质规律，把握 覆冰产生气象条件，在导线将要覆冰的情况下，通过调节流过导线的电流大小， 利用焦耳热使导线表面温度高于零度，从而达到防覆冰目的。显然，对带电导线 在覆冰环境条件下的传热传质规律的认识既是了解覆冰产生条件、增长机理的基 础，也是研究使用各类主动防冰方法的前提。我国在这方面的研究起步较晚，特 别是从工程热物理的角度研究尚属空白。 本项目的研究，既具有很好的理论意义，也具有重要的工程应用意义： 在理论研究方面：目前国内外关于导线覆冰表面换热系数实验和理论研究比较 少，还相当不成熟，本课题利用人工环境室，模拟不同的覆冰环境，建立的覆冰 条件下空气横掠导线时对流换热实验模型，寻找覆冰条件下对流换热系数的规律， 对覆冰环境条件下导线对流换热规律的研究拓展了空气横掠圆柱体对流换热研究 的领域，为对流换热补充了新的知识；关于导线覆冰融冰的研究大部分是在覆冰 较为严重的基础上进行研究，而本课题研究导线覆冰初期的工况，为下一步研究 使用临界电流防冰打下基础。 在工程应用方面：输电线路覆冰一直是困扰国内外电网安全的重大问题，频 繁发生的事故给国家带来极大的经济损失；随着电气化铁路建设的扩大，铁路线 路覆冰危害也更加突出，严重影响铁路线的正常运行。本课题研究的覆冰条件下 2 空气横掠架空导线时的对流换热规律，为使用临界电流防止架空线路覆冰提供工 程应用的依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 导线防冰除冰技术 对于架空导线防冰除冰技术方面的研究，虽然国内外的研究者不少，但真正 实用的成果不多，世界各国提出很多种防冰除冰方法，而能够有效的应用于输电 线路防冰除冰的却很有限，导线的防冰除冰问题成了世界性的技术难题。 防止冰害事故发生的方法从原理上讲可分为防冰方法和除冰方法。防覆冰方 法是在覆冰物体覆冰前采取各种有效技术措施，使各种形式的冰在覆冰物体上无 法积覆，或即使积覆，其总的覆冰荷载也能控制在物体可承受的范围内；除冰方 法定义为物体覆冰达到危险状态后采取有效措施，部分或全部除去物体上覆冰的 方法或措施。在1 9 7 6 年，我国制定了“重冰区线路设计规程 及“架空送电线路 反冰( 雪) 事故措施 【l 】，提出了覆冰线路应贯彻“避、抗、融、防、改”的原 则；加拿大也是频道冰害袭击的国家，除了采用避、抗、融的基本原则外，m a n i t o b a ” 水电局对导线防冰除冰工作还采取了一些其他方法，对重冰区线路采用埋地方式 彻底消除覆冰隐患或用滑车辗压破冰等1 1 0 l ，以减小冰害损失，保证供电质量。 1 2 1 1 架空导线防冰技术 导线防冰是线路抵御冰害事故的积极措施，是在导线未覆冰之前采取的措施， 它是消除冰害的治本方法。防冰技术方法主要热力防冰( 利用焦耳热使导线表面 温度保持0 。c 以上) 、导线表面涂抹防覆冰涂料、避开微地形覆冰区、降低冰点等。 热力防冰方法是指：在覆冰季节对可能覆冰的导线上，利用附加热源或其自 身焦耳热加热的押 施使其温度始终维持在冰点以上，从而达到防止导线覆冰的方 法或技术措施【i lj 。架空导线在有荷载的情况下，导线覆冰强度要小于没有荷载的 情况，这就是与导线荷载电流的焦耳热有关，把导线不覆冰时流过的最小电流称 为导线覆冰的临界电流。使用焦耳热融冰在世界各国早已被广泛采用 1 2 0 1 4 】，但是， 用焦耳热防冰的方法只处于概念性阶段，没有系统的理论与实验研究。在2 0 0 3 年， n a t e r e r 1 5 】建立了一个在电流产生焦耳热作用下导线覆冰的统一模型，且用加热不 旋转圆导线实验对模型进行了验证，模拟和实验结果一致，而利用临界电流焦耳 热防冰很难根据常用气象参数控制合适的电流大小，电流太小，发热量不足以起 到防止覆冰的目的；电流太大，则浪费能量并有可能使导线过热烧毁。 防覆冰涂覆材料大致可以分为电热型涂覆材料、光热型涂覆材料和憎水型涂 覆材料三类。电热型涂覆材料是在涂覆材料中加人一定的导电填料，通过填料漏 电作用，使涂层表面产生焦耳热效应，达到防冰的目的；光热型涂覆材料是利用 3 可吸收太阳光能量的涂层来实现防止覆冰的效果，涂层应具有良好的光学选择性； 憎水型涂覆材料是通过涂层，降低冰与基底表面的附着力，以达到防冰效果。三 种涂覆材料从理论上讲都可以达到防冰的效果，但是，三种涂覆材料又有其各自 的弊端，如漏电电流控制、需要光照等问题存在，在工程应用上受到一定的限制【16 1 。 另外利用涂覆材料防冰技术由于涂覆材料自身的原因，具有其特定的缺点，一是 使用寿命有限，由于长期暴露在户外，受太阳光照射以及尘土污染，涂层失效快， 二是憎水性涂料不一定憎冰，导线上仍然会发生覆冰，三是运行维护工作量大， 需要不断更新【l 7 。 避开微地形覆冰区【l 】，微地形是相对大地形而言的，它是大地形中的一个局部 狭小的范围，在覆冰的气象条件合适时，垭口、分水岭、湖泊、峡谷等地往往更 容易覆冰或覆冰更严重，若在线路选择时能避开这些地方，则消除了覆冰的基本 条件，自然就达到了防止导线覆冰的目的，这也是防冰五字建设方针的应用。 另外还有铺洒防冻剂、盐降低冰点的防冰方法和微波、超声防冰等，降低冰 点的防冰方法在道路除冰方面已经广泛使用，但架空导线覆冰使用不多，l a f o r t e 1 8 】 在2 0 0 5 年提出了一种防止过冷却水滴在导线表面冻结的新技术，即在导线表面涂 抹一层润滑油类粘性液体，降低冰点温度，但工作量大，效果不佳；微波、超声 防冰，一般使用于飞机和大型风机叶片，导线覆冰的使用还有待深入研究。 1 2 1 2 架空导线除冰技术 导线除冰是导线覆冰以后采取的被动措施，是为了减小冰害损失的治表方法。 除冰方法大致分为三类：机械除冰法，热力融冰法，自然脱冰法。 机械除冰方法是使用机械外力手工或自动强制使覆冰导线上覆冰脱落的除冰 方法。针对导线除冰的机械除冰有3 种基本方法【i9 】：“a dh o e ”法，强力振动法和滑 轮铲刮法。“a dh o c ”主要是手工除冰，采用木棒，竹竿等敲打导线，达到除冰效果， 这种方法适用范围很窄，而且不安全，很少有人推荐使用；强力振动法需要在导 线上外加力的作用，使导线产生疲劳，难以侄工程中实际应用；滑轮铲刮法采用 滑车式除冰器除冰，是目前唯一可行的输电线路机械除冰方法； 热力融冰方法包括焦耳热融冰、低居里磁热线融冰、高频脉冲融冰、便携式 微波加热以及便携式蒸汽热源加热等方法。焦耳热融冰【2 0 1 有直流融冰和交流融冰， 都是使用导线本身电流产生的焦耳热达到融冰效果，虽然消耗的能量要比机械除 冰大1 0 0 多倍，但使用焦耳热的融冰方法，所需人力少、除冰线路长，还是得到 广泛应用。低居里磁热线融冰【2 l j 是使用低居里点导线，这种导线制作工艺复杂， 造价昂贵，而且在导线不覆冰的情况下也存在消耗等缺点，阻碍其推广与研究。 其他方法的使用，由于存在各自本身特点，使用效果都不甚理想，如高频脉冲除 冰技术【2 引，l o o k h z 高频脉冲电场的介电损失与集肤效应所产生的热量理论上可使 4 5 0 公里线路上的覆冰融化，但此技术只在实验室中对l m 长的导线做过测试，它 的高频脉冲产生的电磁干扰会对线路通信产生很大干扰，另外需要开发特殊的感 应器来提供高电压。 自然脱冰法是通过自然环境的影响达到除冰效果，例如阵风，引力，重力、 温度变化等，无需另加能量，理论上是最好的除冰方法，可天气环境变化完全是 靠自然完成，不能人为控制，可以说是可遇不可求l l 】。然而在导线上加装某种装置 ( 如平衡重块，平衡环等) ，让导线自身的物性发生变化，使导线自身产生抗扭刚 度，在自然力的作用下除冰，也是一种不错的选择，例如河南南阳电力局就采用 防冰球，改变导线应力除冰；日本电力系统采用防雪环自然除冰【2 3 1 ，都起到一定 的效果，可是自然除冰，有其根本的缺点，需要自然环境来满足除冰要求，很难 有效的达到除冰效果。 1 2 2 导线防冰除冰的关键科学问题 1 2 2 1 收集系数 收集系数e 又称之为捕获系数，反应了导线捕获空气中的过冷水滴的有效性， 它是水滴在导线上实际积聚的水分质量与假定水滴不绕过导线时可能积聚的水分 质量之比。导线的覆冰过程正是导线捕获空气中过冷水滴的过程，收集系数e 即 是水滴的惯性积聚效率，它与过冷水滴直径d 、风速u 、空气密度几和黏度u ，以 及导线直径d 等因素有关【1 1 。导线覆冰是由于低温下湿空气流过导线时，过冷液 滴附着在导线表面冷凝冻结产生的，因此导线表面的覆冰量主要取决于导线收集 系数e 的强弱。 现有收集系数的理论计算模型主要有积分模型和水滴轨迹模型。 对积分模型来说，覆冰时，过冷却水滴有着不同的半径，水滴的惯性积聚效 率由积分收集系数e 表示【2 4 】： e = 熹p 屏一 ，) 式中：厂，一一分别为水滴半径及其平均值，p m ； f ( ，) 一一描述e 与水滴半径，、s t o k e s 数及雷诺数之间关系的函数。 给定，u 及空气的粘性系数，即可确定雷诺数和s t o k e s 数两个无因次量， 并由列线图查得f ( ，) 。式中积分上限可取水滴的最大半径r m = 5 0 l l m 。而积分下限 以是这样一个半径，即当空气中水滴半径， r c 时，水滴将绕过导线而不被捕获； 当，匕时，水滴将碰撞在导线上，被导线捕获。 积分模型的基本思想是把所有碰撞到导线表面的水滴累加起来【l 】。积分模型是 总体考虑液滴横掠导线时全部液滴的惯性积聚效率，在概念上是正确的，但水滴 半径分布复杂，运动轨迹变化频繁无序，使用这样的模型计算量很大，且对整个 计算结果和精度提高作用不大，从实际应用的角度而言是不可取的。 在水滴轨迹模型中假设离导线无穷远处含有过冷液滴的空气匀速流向导线， 并作层流流动，气流在导线附近将偏转弯曲，液滴在导线附近的运动轨迹由于受 到气流的扰动也发生偏转。设离导线无穷远处与x 轴距离为圪m 的一个水滴粒子以 速度u 向导线运动，正好在与导线成8 。角度处与导线相切，在切线内运动的所有 液滴都碰撞导线，被导线捕获，所以定义收集系数为： e ：鱼( 1 2 ) r 运用流体力学的基本理论，建立水滴运动的动量微分方程，使用计算机进行 求解，可得出在某一导线直径、风速、水滴直径和气温下的收集系数值【2 5 1 。从这 一概念出发的收集系数的定义，物理意义明确，数学描述细致【i 】。但由于运动方程 的非线性，求解起来比较困难，不便使用。 刘和云【2 6 】提出收集系数e 的量纲分析法，认为影响收集系数e 的主要因素包 括风速u 、液态水含量形、水滴直径d 、导线直径d 、空气运动粘性系数u 及密度 以等，最后得到描述导线覆冰收集系数的准则关联式为： e = f ( r e ，d e ，w e ) ( 1 3 ) 其中：r e ：丝；d e ：。d ；w e ：里。 ud p a 通过实验研究或对前任已有实验数据的重新整理即可确定e 的准则方程式。 在1 9 8 8 年，p e r s o n n e 2 7 】在法国多姆山1 4 6 5 m 高的山顶上天然条件下的风洞试验 台测试了收集系数，实验得到的收集系数和理论预测差别较大，只使用于实验条 件的范围内。 对收集系数的数值模拟，近年来也有一定的研究，通过计算机对导线覆冰过 程中空气中过冷液滴轨迹进行模拟计算，得到收集系数的影响因素。 在2 0 0 4 年，p i n gf u 2 8 】用二维模型模拟了架空输电导线的覆冰增长过程，使用 计算机c f d 模拟，用欧拉算法求解局部碰撞率，对局部收集系数经行模拟计算。通 过计算机编程，详细模拟了每一时刻的液滴运动速度和液膜运动方向，液滴的物 理运动过程和预测效果真实可靠，但他把导线模型简化成了圆柱体，也没有考虑 导线表面形成冰柱带来的影响，其结果还尚待实验验证。 国内，于洋【2 9 】也对导线覆冰时，用欧拉数值法计算局部收集系数的，提出一 种适合覆冰导线的欧拉气液两相简化模型来计算导线表面局部收集系数，模拟结 果表明：导线迎风面驻点两侧局部收集系数最大，上下两端最小，水平夹角仅影 响其在迎风面的分布；风速和水滴直径是影响局部收集系数的主要因素，空气温度 和空气含湿量对其无影响。 6 1 2 2 2 对流换热系数 导线覆冰过程是过冷液滴在导线表面凝结的一个复杂的传热传质过程，传热 过程包括导线焦耳热，对流换热，热辐射换热，水分蒸发潜热等多个不同的传热 过程，而对流换热量在导线表面热量传递过程中占有很大比重，要研究对流换热 过程，对流换热系数的确定就变的至关重要。 m a k k o n e n l 3 0 1 在1 9 8 4 年提出了对流换热系数的数学理论模型： h ：z o n ( 1 4 ) d 式中丸为空气的导热系数，盹为空气的努希尔准则数，d 为导线直径。 当空气横掠过导线时，n u 数一般为这种形式： n u = c r e ” ( 1 - 5 ) 其中c ，m 为常数，r e 为空气流动的雷诺数，一般在l0 4 以内。 通过理论分析，初步提出对流换热在导线覆冰过程中的作用，对流换热系数 影响导线覆冰的冰面形式，以及覆冰冰面的粗糙度；导线表面覆冰增长模型，是 干增长过程还是湿增长过程也受到对流换热系数的影响。 p i n gf u 2 8 】对m a k k o n e n 的理论模型和a c h e n b a c h 的实验研究【3 1 】对比，得到比 较接近实际情况的局部对流换热系数。局部对流换热系数大小与风速和导线迎风 面的夹角有一定的关系，当风速与导线夹角小于7 5 。时，对流换热系数随夹角的 增大，变化缓慢，当夹角达到7 5 。时，有一个急剧的减小过程，这是由于空气流 过导线时，热边界层发生变化的原因。 z s o l tp 6 t e r 3 2 】在2 0 0 7 年搭建试验台，研究对流换热系数与努希尔准则数( n u ) 和雷诺数( r e ) 之间的影响情况，提出了覆冰条件下导线的热平衡数学模型，进一 步在忽略导线内部温度变化和辐射损失的情况下，提出导线防冰所需最小电流强 度计算式。 1 2 2 3 临界电流 临界电流又叫防止导线覆冰的临界电流，即在覆冰环境条件下，通过焦耳热 使导线不覆冰时流过导线的最小电流，用简称厶表示。临界电流通过导线产生的 热量与导线对流、辐射、热传递等散热损失达到平衡，当导线中流过的电流大于 临界电流时，电流产生的焦耳热，提供热量，使导线不结冰，导线中电流小于临 界电流时，导线结冰，所以防止导线结冰的条件是导线表面的温度高于零度。 研究表明只有在一定的湿度、气温、风速条件下，导线才会结冰，而且在自 然环境中，不同的气象条件覆冰的类型也不相同，即使相同的气象条件，由于导 线荷载不同，导线本身焦耳热量不同，导线覆冰情况也不相同【l 】。 早在1 9 3 0 年，c 1 e m 【3 3 1 就提出临界电流的计算公式，其中只考虑了强制对流换 7 热部分而没有考虑辐射部分，具有一定的局限性；s z i l d e r l 3 4 】研究了圆柱体在覆冰 后的对流换热实验，考察了覆冰形状对n u 数的关系，计算出n u 数与雷诺数之间 的关系式：n u = 0 1 1 7 r e o 6 8 。 陈及时【35 】于1 9 9 7 年在国内首次提出i c 的概念，以导线表面温度为1 作为计 算临界电流尼的依据，在计算过程中没有涉及对流换热系数的计算和导线表面温 度设定为1 来计算临界电流，是其临界电流计算的两点不足。 刘和云【3 6 l 等通过对导线覆冰过程的传热分析，得出：防止导线覆冰的临界电流 主要受风速、气温及导线本身特性( 导线直径，导线电阻率) 的影响，风速增加， 临界电流增大；气温降低，临界电流增大，导线表面焦耳热损失主要来自对流换 热，当风速低于8 m s 时，含湿量对临界电流的影响比较小。 2 0 0 7 年，z s o l tp 6 t e r 3 2 】对其建立的数学模型进行了实验验证，在风洞中对四 种不同型号的导线进行了防冰临界电流的实验。在实验过程中，估计了导线表面 的总对流传热系数，对不同表面导线进行了对流换热系数的实验测试，得出：确 定临界电流的关键在于收集系数、对流换热系数以及修正系数的确定。 1 3 本文的主要工作和安排 通过阅读文献和收集资料分析发现： 1 架空导线覆冰是一个复杂的传热传质过程，自然环境的多变使覆冰形式 发生多种变化，所以真正解决覆冰事故的办法不多。 2 运用电流防冰耗能低，发展潜力大，但是这方面的研究不多，特别是实 验研究很少。 3 防冰临界电流的确定关键问题是如何确定收集系数和对流换热系数。 4 虽然国内为对于防冰的研究比较多，但大多是对覆冰的表面分析，理论 研究居多，实验研究较少。 本文主要工作： 1 了解导线覆冰的主要环境气象条件、不同环境下的覆冰类型；了解现有 的除