（高电压与绝缘技术专业论文）架空线路防冰技术研究.pdf

jf参， r e s e a r c ho na n t i - i c i n gt e c h n o l o g y f o ro v e r h e a dl i n e s b y l i uh a o l i a n g b e ( 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 ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t 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 l n h i g hv o l t a g ea n d i n s u l a t i o nt e c h n o l o g y 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 rz h o ul i x i n g s e n i o re n g i n e e rl uj i a z h e n g a p r i l ，2 0 11 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。 作者龇妒采 日期：加j 7 年s 月歹口日 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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囝。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 匆i 幺深 日期：矽l 年岁月5 口日 导师签名：1 舔夕亨 日期：知l 阵厂月多汐日 ， 摘要 输电线路覆冰对于电力系统来说是最为严重的自然灾害之一，由其引发的 倒塔、断线等事故威胁着电力系统的安全稳定运行。随着电力事业的不断发展， 电网结构也越来越复杂，对电网安全性与稳定性的要求也越来越高，电力科学 技术也逐渐发展成为多学科、多领域相融合的综合性技术。覆冰灾害的治本方 法即防冰技术。本文将尝试从气象学、热力学以及具体试验等多角度对输电线 路防覆冰进行研究探讨 论文在现有的线路覆冰增长模型基础上，从理论角度对导线覆冰的热平衡 过程进行了研究，建立了导线覆冰的热平衡方程，建立了导线融冰所需的最小 电流的仿真计算模型。 通过人工气候室的覆冰模拟试验，研究了微气象条件下的架空地线覆冰增 长规律，以及特定气象条件下l g j 3 0 0 导线的防覆冰临界电流，获取了微气象 条件下的架空地线覆冰增长模型以及导线防覆冰临界电流。研究成果结合气象 预报，可有效预测后续多日的线路覆冰厚度，并依据合理的负荷调配，可实现 线路防覆冰的目的，并已应用于湖南输电线路覆冰监测系统。 论文还分析了湖南地区覆冰成因，归纳了其历史覆冰规律，介绍了湖南输 电线路覆冰监测系统及其应用情况。 关键词：输电线路；防冰；覆冰增长模型；临界电流；监测；人工气候室 a b s t r a c t i c ec o a t i n go ne l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o n l i n ei so n eo ft h em o s t 踟0 1 l s n a t 。u r a ld i s a s t e r s f o rp o w e rs y s t e m ， a c c i d e n t ss u c ha s t o w e rc o l l a p s e s w l r c d i s c o n n e c t i o nt h r e a t t h e s a f ea n ds t e a d yo p e r a t i o n o fp o w e fs y s t e m s w i t ht h e c a u s co fe l c c t r i cp o w c rd e v e l o p i n gf a s t ，t h e s t f l l c t u r eo fg r i di sm o r e 髓dm o r 芑 c o m p l e x ，t h cs e c u r i t ya n ds t a b i l i t yr e q u i r e m e n t s o fp o w e rn e 懈o r ka r em o r e 姐d m o f es t r i c t l y s c i e n c e髓dt e c h n o l o g y o fe l e c t r i cp o w e r i sb e c o m i n g a c o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g ym e r g e db ym u l t i d i s c i p l i n a r y - a n t i - i c i 般t e c h n o l o g y 1 s t h eb a s i cm e t h o do fp r e v e n t i n gi c ec o a t i n gd i s a s t e r s t h i sp a p e rc a m e s r e s e a r c 量l e s o n跳t i - i c i n gt c c h n o l o g y o ft r a n s m i s s i o n l i n ef o r s o v e r a la n g l e s s u c h懿 m e t e o r o l o g yt h e r m o d y n a m i c sa n ds p e c i f i c t e s t s t h i sp a p e rc a r r i e sr e s c a t c h e so nt h ep r o c e s s o ft h e r m a lb a l a n c eo f l c ec o a t i n g t h e o r e t i c a l l yo nt h eb a s i so fe x i s t i n g l i n ei c ec o a t i n gg r o w t hm o d e l , e s t a b l l s h e s e q u a t i o n o ft h 咖a 1b a l a n c e ，e s t a b l i s h e s s i m u l a t i o nm o d e lo fm i n i m u mc u r r e n t w h i c hi sn e e d e dt om e l t i n gi c e o nl i n e b vi c ec o a t i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i na r t i f i c i a lc l i m a t ec h a m b e r , w es t u d y t h ei c ec o a t i n gg r o w t hl a wo fo v e r h e a dg r o u n dw i r e i nt h e m i c r o - m e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n ， a n di nt h es p e c i f i c w e a t h e rc o n d i t i o n ，l i n e l g j - 3 0 0 sa n t l 1 c l n g t e 珊i n a t ec r i t i c a lc u r r e n t ，a c h i e v i n gt h ei c ec o a t i n gg r o w t h m o d e la n da n t i - i c i n g t e m i n a t ec u r r e n ti nt h em i c r o m e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n t h e r 锶c a r c hc o m b i n l ? g w i t hw e a t h e rf o r e c a s tc 锄f o r e c a s tt h et h i c k n e s so fi c ec o a t i n g e f f e c t i v e l yl nt h e f o l l o w i n gd a y s ，a n db a s i n go nr e a s o n a b l el o a da l l o c a t i o n ，c 锄p r e v e n t1 c e c o a t i n g e f f e c t i v e l y ， a n da r ca p p l i e d i nt r a n s m i s s i o n l i n em o n i t o r i n gs y s t 锄 l nh u n a n p r o v i n c e t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ei c e c o a t i n gr e a s o ni nh u n a np r o v i n c e ，s 啪m a r l z e s t h eh i s t o r i c a li c e - c o a t i n gr e a s o n s ，i n t r o d u c e st h ea p p l y i n g s i t u a t i o no ft r a n s m l s s l o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi nh u n a np r o v i n c e 1 l d e d b m m 删 协 h 曲 叭 把 仃e u g c 置 以 酊 d o n c = 缸 ； g g n= 曼i 蚕 州 一 舢 m 眦 咂 u 盯 蛐 叫 一 协 略 剐 m m；l 盯wk 一j 目录 j i 自ii 蔓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 2 输电线路覆冰的类型一2 1 2 1 按覆冰特性分类2 1 2 2 按覆冰形成机理分类2 1 2 3 按覆冰增长过程分类3 1 2 4 按覆冰形状分类3 1 3 输电线路覆冰的危害4 1 4 国内外防覆冰研究现状5 1 4 1 避免线路穿越易覆冰区域一5 1 4 2 临界电流防冰法5 1 4 3 涂抹憎水性材料5 1 4 4 微波防冰技术6 1 4 5 覆冰预测模型6 1 5 本文主要工作7 第二章输电线路防冰研究 2 1 覆冰预测模型8 2 1 1 雨淞覆冰模型8 2 1 2 雾淞覆冰模型1 0 2 2 导线表面热平衡分析一l l 2 3 防覆冰临界电流的仿真计算1 3 2 3 1 湿增长过程分析1 3 2 3 2 干增长过程分析一1 3 2 3 3 干湿增长转变的临界条件1 4 2 3 4 覆冰临界电流公式的推导1 5 2 3 5 三种型号导线的覆冰临界电流仿真计算1 5 2 4 本章小结1 6 第三章线路覆冰试验及其分析 3 1 人工气候窀简介1 7 3 2 架空地线的覆冰增长试验1 7 3 3 导线覆冰临界融冰电流试验2 0 3 4 试验数据分析2 3 3 4 1 回归分析法基本原理2 4 3 4 2 数据拟合处理2 6 3 4 3 基于趋势外推法的动态趋势模型一2 6 3 4 4 覆冰增长模型的修正一2 8 3 4 5 地线覆冰试验结论2 9 3 5 导线覆冰临界融冰电流试验结果分析2 9 3 6 本章小节3 0 第四章湖南冰灾成因及覆冰监测系统 4 1 湖南冰灾气候背景3l 4 1 1 全球气候持续变暖3 1 4 1 2 拉尼娜事件处于发展阶段3 1 4 1 3 湖南气温持续多年正距平3 l 4 2 冰灾发生气象原因3 2 4 2 1 湖南特殊的地形3 2 4 2 2 寒潮的爆发3 2 4 2 3 稳定的大气环流形势一3 2 4 2 4 强大的冷高压稳定少变3 2 4 2 5 强大的逆温层保证了过冷水滴的供应3 3 4 2 6 边界层锋区稳定维持3 3 4 3 历史冰灾分析3 3 4 3 1 湖南雨凇总体分布3 3 4 3 2 建国以来共发生了四次特别严重覆冰一3 4 4 3 3 四次特别严藿雨凇年份最低温度情况一3 5 4 4 总结的相关规律3 5 4 4 1 湖南已进入一个阿凇多发期3 5 4 4 2 气温和降水与雨凇的关系3 6 4 5 湖南的地形地貌特点3 6 4 5 1 覆冰监测站布点情况3 6 4 5 2 湖南地区典型微地形覆冰气象观测结果3 7 4 6 湖南地区输电线路运行监测系统3 8 4 6 1 系统组成3 8 4 6 2 气象环境的监测3 9 4 6 3 导地线运行状态监测3 9 4 6 4 杆塔应力监测4 1 4 7 覆冰厚度自动识别技术一4 2 4 8 冰区图自动绘制及覆冰预警图自动生成4 5 4 9 电网覆冰预报方法简介4 6 4 9 1 电网覆冰长期预报方法一4 6 4 9 2 电网覆冰中期预报方法4 6 4 9 3 电网覆冰短期预报方法4 6 4 10 本章小结4 7 结论与展望4 8 参考文献5 0 致谢5 3 附录在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 架空线路的覆冰危及电力系统的稳定性，严重时会使得线路机械和电气性能 的急剧下降，导致线路发生覆冰闪络，导、地线断线，杆塔倒塌或变形受损等事 故，由此造成的停电、限电事故给国民生产带来了严重影响，目前来讲仍然是急 需解决的难题。 2 0 0 5 年春节前后，湖南出现了罕见的大范围雨雪冰冻天气，造成5 0 0 k v 线路 跳闸3 4 条次，2 2 0 k v 线路跳闸1 2 条次，3 条5 0 0 k v 线路倒塔2 4 基、变形3 基， 5 条2 2 0 k v 线路倒塔1 8 基，中低压线路倒杆5 0 0 0 基以上。湖南骨干网架长时解 裂，主力水电站送出受阻，使湖南电网遭受了严峻的威胁，直接经济损失1 7 亿 元。2 0 0 8 年初，湖南电网再次遭受严重冰灾。受冰灾的影响，湖南电网遭受了重 创，全省电力设施大面积覆冰，电网供电中断，各电压等级线路出现倒杆、倒塔、 断线，多个区域电网与主网解列，衡阳、郴州等城市大面积停电，电网安全面临 了严峻考验。2 0 0 8 年初的湖南电网冰灾使输电线路损失惨重。截至2 0 0 8 年2 月 2 0 日，因冰灾导致湖南电网1 2 条5 0 0 k v 线路倒杆塔l8 2 基、杆塔变形8 2 基、导 线断线1 5 9 处、地线断线3 2 2 处；4 4 条2 2 0 k v 线路倒杆塔6 3 3 基、杆塔变形2 0 3 基、导线断线2 4 1 处、地线断线4 3 2 处；1 l o k v 线路倒杆塔1 4 2 7 基、杆塔变形 4 2 1 基、导线断线6 4 6 处、地线断线1 0 1 7 处；3 5 k v 线路倒杆塔1 0 6 4 基、杆塔变 形1 0 0 5 基、导线断线1 3 6 9 处、地线断线2 9 6 处。 由于冰灾，导致郴州京广铁路牵引变电站停电多日，使京广铁路湖南段中断。 冰灾给湖南电网造成的直接经济损失已经超过几十亿元。这次冰灾引起了党和国 家的高度重视，引起了国际社会的高度关切。痛定思痛，冰灾给我们的启示是积 极应对冰冻灾害势在必行。为降低输电线路覆冰对电网安全运行的影响和减少冰 灾造成的损失，需从源头来分析，探索电网大面积长时间覆冰气象规律，研究输 电线路覆冰的成因，预测电网大面积长时间覆冰气象的发生可为输电线路覆冰预 测提供理论依据，指导输电线路设计，提高电网防灾减灾能力。因此开展冰灾形 成规律和电网覆冰气象预报研究有利于将冰灾对电网安全造成的影响防范于末 然，同时对于保证电网的安全，具有明显的经济意义和苇大的社会意义。 架窄线路的覆冰是极其复杂的大气过程，涉及流体力学、气象学、工程热力 学、电气学等，使得世界上目前对此方面的研究进展缓慢。 1 2 输电线路覆冰的类型 输电线路的覆冰类型，可以按以下4 种方式分别进行分类【t 2 1 。 1 2 1 按覆冰特性分类 1 雨淞：从理论角度讲是透明、清澈的冰，又可称之冰凌或者明冰。通常情 况下，过冷却雨滴或者毛毛雨将逐渐发展成为雨凇，密度为0 6 - - 0 9 9 c m 3 之间， 雨凇和线路表面的粘合力比较大，不容易脱落。雨淞覆冰时，环境气温约在2 - - 2 之间，但是因为受风速影响，线路表面的实际温度大概为5 - - 0 1 2 间。混合淞覆 冰的初级阶段即雨凇覆冰，因为冻雨持续的时间一般较短，极易发展成混合淞覆 冰。因而输电线路上纯粹意义的雨淞覆冰情况相对会较少。 2 雾淞：雾凇是输电线路上最常见的一种覆冰形式。其形成条件为：在寒冷 的高海拔山区上过冷水滴在极低温度下和较小风速情况下形成。大致分为有粒状 和晶状两种类型。粒状雾淞为乳白色不透明的固体，质地松脆，中间包含了气泡 空隙，密度为0 1 o 3 9 c m 3 间；晶状雾松表状为白色结晶，质地疏松且软，冰 体内包含了较多的气泡，和线路表面的附着力相对较弱，极易脱落，密度为0 0 8 - o i g c m 3 间。 3 混合淞：混合淞的形成条件为当温度在冰点以下，风比较猛时形成。其表 状呈乳白色，体积大，气隙比较多，密度为0 2 - - 0 8 9 c m 3 间。混合淞为一个交替 覆冰的过程，是由雾淞与雨淞在线路上交替冻结而形成的，其发展速度比较快， 对线路危害将会特别严重。 4 积雪：大气中的干雪或者冰晶很难以粘结至线路的表面，仅当大气中的雪 为“湿雪 时，线路表面才将出现积雪现象。输电线路积雪是指当风速较小时、 温度在0 上下，“湿雪 粒子和“水体 一并通过“毛细管”的作用互相粘结且 粘附至线路表面之现象。积雪会受风速的制约，当风速很强时，雪片容易被吹落， 很难发展为覆雪现象。 5 白霜：大气中的湿气和0 以下的输电导线表层发生接触的时候，湿气在 线路表层凝华而产生的一类覆冰。白霜的形成过程中可以不需要有过冷却小水滴 的存在，白霜基本形状是“针状 或者“树枝状”的晶体。白霜的粘合力特别地 微弱，一般不会对输电线路造成严重的影响。 1 2 2 按覆冰形成机理分类 1 降水覆冰：当气温趋近于o 。c 时，大气中的过冷却水滴将冻结至线路表层 而形成覆冰。大气中的过冷却水滴曲率半径的高低会直接影响水滴的过冷却程度， 大水滴的过冷度通常都比较小，而小水滴的过冷度将达到几度，雾粒由于曲率半 径比较大，它的过冷度有时将能达到十几度。在过冷却水滴和线路发生相碰或者 2 接触以后而产生冻结的过程中，因为水滴释放热量的速度比较慢，在线路表层将 会出现一层液水膜，在该种情况下通常形成雨淞覆冰。冻雨是雨淞覆冰形成的最 主要原因，因为雨淞密度比较大、对线路的粘附力较强，所以雨淞覆冰对输电线 路的危害是最大的。世界上经常出现雨凇覆冰的国家有俄罗斯、加拿大、美国、 中国等。 2 云中覆冰：由大气中过冷却云或雾和线路相碰触冻结后形成云中覆冰。风 速、空气中湿度等气象因子参数对云中覆冰的产生会有影响，一旦空气中存在过 冷却水滴，即可产生云中覆冰。当云中覆冰发生的时候，陆地上极少看到降水或 者降雪。在冬季，许多地方都将发生云中覆冰，因为其发生频率比较高，可以方 便科研人员通过人工气候室来模拟气象环境对其进行研究。云中覆冰是主要由雾 凇形成，因为雾粒尺寸很小，和线路表层冻结时所释放潜热的速度很快，故而不 能在线路表层形成水层。 3 升华覆冰：升华覆冰亦称为晶状雾淞，是由于大气中的水蒸气直接冻结至 线路表层所产生的一种霜。晶状雾淞和线路表层的粘附力很小，比较容易脱落， 对输电线路通常不会造成较大的危害。 国内外科研机构主要从云中覆冰和降水覆冰此两个方面开展对线路覆冰的研 究工作。 1 2 3 按覆冰增长过程分类 1 干增长过程：在第二个过冷却水滴尚未到达线路表层之前，第一个过冷却 水滴已经完全冻结至线路表层并已经释放出其潜藏热量。这种条件下主要会形成 雾淞的覆冰，且覆冰的空隙会比较大。 2 湿增长过程：当第二个过冷却水滴已经运动至线路表层时，第一个过冷却 水滴还没有完全冻结住，潜热并没有全部释放出来。在这种条件下很有可能产生 连续的液膜，极易形成雨淞的覆冰。且雨淞覆冰质地很密，和线路表层会有极强 的粘附力。 1 2 4 按覆冰形状分类 1 椭圆形或圆形的覆冰：当风向方向和线路方向平行时，因为导线会发生扭 转，导线整个会被冰层包围住，在线路周围将会形成相对均匀的覆冰，覆冰的表 状大多是圆形或者椭圆形。 2 翼型覆冰：在风向和导线方向呈直角时，冰在线路的迎风面l 将会慢慢积 聚，迎风面和背风面的冰厚相差极大，比较容易造成翼型断面形状的覆冰。 3 新月型：在大气中无风或风速度极小的情况下，冰雪将会在线路的l 表层 慢慢堆积起来，慢慢发展为新月型的覆冰。 在各种类型的覆冰中，积雪和雾凇、白霜冻结不太严实，密度相对较小，附 3 着力相对较弱，容易受到导地线振动或者风吹而形成脱落，故其对电网的危害会 相对较小；比较而言，混合淞与雨淞的密度比较大、依附力极强，会对导线和输 电杆塔的重力负载和张力负荷造成严重影响，从而对电网造成很大的危害。 1 3 输电线路覆冰的危害 大量覆冰事故统计数据可以看出，线路覆冰之主要影响危害有下面几点例： 1 覆冰输电线路荷载过重。输电线路发生覆冰情况下，其上冰的重量会增大 杆塔与金具之间的垂直荷载。线路覆冰而导致增大的线路张力以及架空地线张力 会按比例加大所有的转角杆塔和杆塔基础上的扭矩，导致杆塔发生弯曲、扭转、 基面倾斜、下沉，在严重的情况下甚至会在拉线点下部发生杆塔倒塌等等事故【4 l 。 线路覆冰将会使得迎面变大，以至于增大覆冰线路的水平负载，使得输电线路产 生比较严重的横方向串基倒塔的事故。 2 不同期脱冰和不均匀覆冰。不均匀覆冰或是不同期脱冰都将使得相邻导线 之间产生一个张力差，张力差可使得线路在线夹内滑动，严重时候会使得钢芯抽 动、导线外层铝线在线夹出口处断开【5 1 。由于相邻间导线之间的张力差，使得杆 塔上面的绝缘子串偏移距离比较大，并碰撞到横担，以致绝缘子破裂甚至损坏。 不均匀的覆冰会使得横担发生一些扭转，而不同期脱冰则将造成横担向上翘起， 严重情况下将发生折断。 3 覆冰导线舞动。因为线路覆冰的不均匀性，架空线路在自然风力的作用力 下将发生自激振荡与线路舞动，如果是长时间的线路舞动将会致使绝缘子、导线、 金具以及杆塔遭受异常的不平衡的冲击而损伤，并且会造成导地线断股断线、相 间短路、杆塔倾斜以及倒塔等等严重的事故【6 l 。 4 绝缘子覆冰闪络。在绝缘子发生覆冰或是被冰凌桥接以后，其绝缘强度会 下降，泄漏距离将变短。在除冰工作中，其冰体表层或是冰晶表层的液体水膜将 较快溶解污秽物质当中的电解质，以提高冰层上液体水膜之导电率，以致于降低 绝缘子串的整体闪络电压，从而发展成为闪络事故。闪络在发展过程当中的持续 电弧将会烧伤到绝缘子，最终引起绝缘子的绝缘强度发生降低1 7 】。 在冰灾初期，电力设备发生覆冰相对来说比较轻的情况时对输电网的主要损 坏体现在导线舞动、覆冰闪络和脱冰而跳跃等等。并且随着冰灾的发展以及覆冰 状况的加剧，覆冰作用于杆塔上的负载( 水平负载、垂直负载、纵向负载等等) 将 会大大超过线路预先的设计值，从而使得铁塔发生倾覆，导致输电线路的事故。 受覆冰的影响，在输电导线的强度不能够承受由于覆冰荷载增大而加大的拉力时 候，就将导致导地线断线的事故，断线后所产生的冲击受力或者不平衡受力也极 有可能会进一步造成更严重的倒塔事故。 在覆冰受损的类型当中，倒塔以及断线对于电网所造成的危害是最大的，其 4 将直接影响到电力的输送和电力的供应，在严重的情况下将会造成电网解列甚至 于整个电力系统的瓦解。并且，在发生倒塔事故以后，其所需要的线路抢修时间 也最长，必须拆除去旧塔、重新加工杆塔并进行组和、安装、架线等，这些都会 对工农业生产以及居民的正常用电造成严重的影响。 1 4 国内外防覆冰研究现状 防冰即是在输电线路未发生覆冰之前所采取的一种积极的措施，它是在消除 冰害的一种治本的方法；不过，因为对架空线路覆冰的预测精度并不高，一般情 况下是在已经形成了覆冰以后才进行除冰，故除冰技术的发展会相对说比较快， 而防冰技术的发展则比较缓慢；现阶段，国内外的防冰技术以及方法和种类并不 多，并且很大部分暂时还处在研究及试验的阶段【s i 。 1 4 1 避免线路穿越易覆冰区域 当覆冰气象条件满足要求时，一类微地形( 大地形当中一个局部的狭小范围) 例如湖泊、分水岭、峡谷等等比较更容易发生覆冰或者覆冰状况更加严重，假如 架空线路的布置能够很好地避开这类区域，那就可消除覆冰发生的基本条件，从 而自然而然地达到防冰之目的。所以，此类方法将是实现线路防冰之首选措施。 1 4 2i 艋界电流防冰法 临界电流防冰法主要是采用电流通过输电导线时候，线路上电阻所产生的焦 耳热使得线路表层温度可维持在0 度以上从而实现防冰的一种保护线路的技术。 早在1 9 8 8 年，j f g a y e t 和p p c r s o n n e 第一次提出了采用电流通过导线时所产生 的焦耳热来实现线路防冰之概念。1 9 9 7 年陈及时教授在研究线路表层对流换热、 辐射换热和线路上所通电流而产生的焦耳热量相互平衡，以此推导出临界防冰电 流的计算公式。而于2 0 0 1 年，刘和云，周迪以及付俊萍等人在以上基础上又给热 力平衡方程中添入了线路表层因为水分蒸发而产生的潜在热量损失以及过冷却液 滴被加热至线路表层温度而产生的热损失量，从而更深层地对临界防冰电流计算 公式进行了完善。 因为只要调节线路传输的电流便能对导导线表层的温度进行控制，故而只需 依据输电线路所在的环境与条件，对导线电流值进行调节便可实现线路防冰。从 理论角度讲，这是一种简易、高效的线路防冰技术，其缺点就是能耗比较高， 对其实现方法的研究还很少。现阶段，此类防冰技术仍然还处在研究和试验的阶 段，尚未得到实际的推广应用。 1 4 3 涂抹憎水性材料 该项技术主要是于输电线路表层涂抹一类憎水性材料，以便达到防冰目的。 5 此技术听上去实施简易，但是至现前为止，各个国家的研究人员尚未研制出一种 能够从根本上阻止覆冰形成的涂料，已经制出的憎水性涂料只可在一定范畴内最 大限度得减弱冰和导线之间结合力，使得其容易除掉和脱落。日本与美国都对 t e f l o n 、硅胶和聚乙烯等一些憎水性材料进行过线路覆冰试验，当中日本所进行 的试验结果可看出缠绕聚四氟乙烯带的输电导线未能覆雪，而涂抹上黑色硅脂、 黑色氟橡胶的输电导线脱则雪相对较快。 武汉水利电力大学曾选取了四种憎水性涂抹( p v c 塑料带、聚四氟乙烯、硅 橡胶与硅油) 材料进行过线路覆冰的对照试验，其结果证明此类涂料对减少冰的附 着无明显效果，其防冰性能较差，然而却可以较大程度地降低线路和坚冰之间之 粘附力，此脱冰力矩能够减至裸导线的六分之一至八分之一。 1 4 4 微波防冰技术 微波防冰技术是美国麻省理工学院航天航空系提出的。其主要是选用微波对 过冷却水滴加热，以让其在尚未撞击至输电线路表层之前，便已经被加热至0 度 以上，以此防止过冷却水滴在线路表层结冰。现阶段，此技术普遍应用在飞行过 程中的飞机机身防结冰，尚未应用在输电线路上面。 1 4 5 覆冰预测模型 目前，世界上各国在输电线路覆冰的预防预测问题上，已提出过多种模型。 这当中最差要的模型有1 9 5 3 年所提出的l m a i 模型。此模型只研究了大气温度、 覆冰的强度由线路表层的传热控制转为湿增长的过程，还有单位长度和单位时间 上线路上的雨凇和大气温度成正比，而与降水条件无关；1 9 5 5 年提出过l e n h a r d 模型。该模型提出过简单的冰重的计算公式，而忽略了气温、风速、湿度等条件 对线路覆冰影响，其主要对降水量对覆冰影响进行了研究，而模型太过简易；1 9 7 4 年加拿大科学家提出了c h a i n e 模型，其设计了线路覆冰的圆柱形状的特点；1 9 8 3 年的g o o d w i n 模型主张所有撞击至线路表层的液态水滴完全冻结住，也就是覆冰 是干增长过程，并风速和大气湿度的作用效果考虑进去：1 9 9 6 年m a k k o n e n 推导 出m a k k o n e n 模型，该种模型在分析线路冻雨覆冰的湿增长过程中发现，导线上 尚未冻结住的液滴尚未完全掉落，而在输电线路的底端形成冰柱，最大覆冰荷载 发生于大气温度在0 左右，并且覆冰重量中，冰柱的重量占有很大一部分；在 2 0 0 1 年，刘和云教授所提到了一个输电线路覆冰的简单预测模型，该模型的观点 认为同一气象条件下不同模型所预测的覆冰载荷将出现很大的偏差，且提出了一 种简易的线路覆冰预测模型，我们将该模型和其他复杂的理论模型进行验证比对， 得出此模型的预测效果还能令人满意。这些输电线路覆冰预测模型主要针对输电 线路覆冰的微观理论过程，而目前针对输电线路覆冰预测的宏观方面研究还很少。 6 1 5 本文主要工作 针对以上问题，本文主要工作如下： 1 分析输电线路覆冰的热平衡过程，在防止导线覆冰临界电流的理论基础上， 推导出负荷电流融冰所需电流大小。 2 通过试验方法获取了微气象条件下的两种型号地线覆冰增长模型，开展导 线防覆冰临界电流的试验，并将结果和理论仿真结果进行了对比验证。 3 结合历史数据，分析湖南地区电网覆冰的气象成因。列举覆冰监测现行主 要监测手段，研究基于分割阀值技术的覆冰图像处理，实现导线覆冰厚度的自动 识别，并简单介绍冰灾预报方法。 7 第二章输电线路防冰研究 2 1 覆冰预测模型 经过长期的理论研究与试验探索，目前国内外的专家学者提出了2 0 余种导线 覆冰预测模型。援引美国气象预报服务中心专家w i l l i a m 和s c h a u b 博士的话说， 目前为止，还没有一个模型可以拿实际的覆冰数据进行完全的验证【，l 。因为各个 地区气候、环境等因素的差异，这些模型都只会在一定区域内得到比较好的应用。 2 1 1 雨淞覆冰模型 如果是在冻雨天气下，导线表面上的温度在零度或者零度以下，大气中过冷 却水滴碰撞到导线表面时，则将形成透明、坚硬、大密度的雨淞聚积，进而发展 成雨淞覆冰。y i p 和m i t t e n 将实际数据对9 类覆冰模型进行了验证，在这些验证 模型中，对于雨淞覆冰预测，c h a i n e 和s k e a t e s 模型的预测效果最佳，其次为 m a k k o n e n 模型【1 0 l 。 1 c h a i n e 和s k e a t e s 模型 1 1 1 c h a i n e 和s k e a t e s 模型是加拿大气象中心现前使用的模型，经过长期的实践 论证，该模型具有较高的预测精度，下面将主要介绍该模型的建立过程。 对水平面而说，当大气温度接近或者在零度以下时，假设d d 是在整个冻雨降 水过程中所测量到的当量水厚度，并假定已经被全部冻结成冰。则有 d o = p t ( 2 1 ) 式中：p 为降水率( e m h ) ；而t 为降水时间( h ) 。 然而在实际情况下，当风向和导线表面成一角度时候，导线表面上的雨淞覆 冰量将会大于降水率。假定导线莲直方向上的覆冰厚度为d ，假设在和风向方向 成垂直角度的每平米面板表面上所形成的雨淞层的质量增长率和降水率相关，则 覆冰厚度d ，可按照下列公式来计算： n = o 1 9 5 v p o 8 8 t ( 2 2 ) 式中：，为平均风速( m s ) 。 同时假定，对于垂直的平面板而言，其过冷却水滴的收集系数为1 ，该假定 势必会高估d ，值，但其町适用在覆冰更加严重的情况f 。 当输电线路覆冰发生时，可引用当量径向厚度之概念，假定覆冰是在导线e 均匀分布着的。故导线雨淞覆冰当量径向厚度尺是 r = 3 2 3 k r ( d ；- i - d ? ) ”2 + ，2 】1 2 一， ( 2 3 ) 式中：，为导线的半径( c m ) ；k 为修正系数，该值由导线的外径来确定，在公式 ( 2 3 ) 中，修l f 系数k 为尺寸不相同的导线在试验中得到的覆冰厚度和理论计算结 8 果的比值。 2 m a k k o n e n 模型 m a k k o n e n 考虑冻雨条件下而造成的导线雨淞覆冰时是这样认为的，一方面， 导线表层和覆冰冰层的表面有一层液体水膜存在，被导线捕获的过冷却水滴并没 有完全冻结成冰，其中有一部分将流向导线的底端；另一方面，一部分流向导线 底端的水滴并未直接掉落，而是形成了冰柱，而另一部分水滴会顺着冰柱掉落下 去，此时覆冰为湿增长过程。 导线底端形成的冰棱冰柱的会使得冰的表面积增大，故其又会增大其捕获空 气中过冷却水滴的概率，从而造成整条导线水流量的增大，然而，要对这样一个 复杂的过程进行模拟，要知道现场大气气温，而且最少需要测量导线的外径广， 降水率p ，还有风速y ；对于更为复杂的模型来说，应当要了解到导线与风向之交 角秒，雨滴的下落速度咐，来计算出雨滴撞击导线表面时候的速度，假如确定 空气中的液水含量0 2 ，可以由，；计算出撞击导线表面上的水流量f 。 空气中液水含量可以按照以下公式来计算 w ：- w p( 2 4 ) 屹 式中：风是水密度。 m a k k o n e n 特地作出了以下假设以对该类型导线雨凇覆冰模型进行理论上的 分析计算： ( 1 ) 导线上面过冷却水滴的收集系数是l 。主要原因是冻雨天气时，过冷却 水滴的直径比较大，不会容易改变运动轨迹。 ( 2 ) 当导线覆冰增长处于湿增长的阶段时，从圆形导线上流至每根冰柱的水 流量都是相等的，并且可将总流失量除以全部冰柱根数获得。 ( 3 ) 空气相对湿度是8 5 。 ( 4 ) 冰柱的形成是圆形生长。 ( 5 ) 导线底端生成的冰柱分布均匀，而且每米长导线底端有4 5 根冰柱。这些 都已经被试验研究所证实。 在实际应用中须将下列参数当做模型计算的输入量：导线外径、大气温度、 风速、降水率、风向和导线的夹角、覆冰持续时间等。模型计算的输出量为：每 米长冰重，导线上覆冰当量径向厚度，冰柱的径向尺寸，还有冰柱的长度等。 该模型最突出的一个特点就是对导线覆冰生长形式进行了模拟，覆冰过程是 以冰柱式地发展，并且给整条导线覆冰量增加了一个正分量。简而言之，就是在 其他气象条件不变情况下，覆冰荷载会随温度的上升而增加。 为证明该模型预测的准确度和有效性，m a k k o n e n 将理论计算结果和风洞试 验数据进行了比较。结果证明，该模型的预测结果能够比较好地和有冰凌冰柱生 9 成的复杂情况下的覆冰过程相吻合。 2 1 2 雾淞覆冰模型 在温度很低、风速较高的情况下，在空气中的过冷却云雾如果碰撞到导线表 层时，比较容易形成雾淞，因为过冷却云雾的直径特别小，故当其撞击到导线表 层时将很难铺展开来，再者导线表层温度较低，导线的覆冰增长属于干增长过程。 对于雾淞覆冰，相对有用的是m c c o m b e r 和g o v o n i 模型i l 。 m e c o m b e r 和g o v o n i 于1 9 7 8 - - 1 9 8 0 年间在新罕布什尔市的华盛顿山上进行 了野外雾淞试验。试验导线选用外径6 4 m m 的钢丝绞线，并将导线架设于距离地 面高度为2 5 m 的地方，使得风从垂直于导线的方向吹向导线。试验测量并记录 了风速、气温、液滴直径、冰重、液水含量、最大覆冰直径等参数。在选取5 组 覆冰数据进行分析后，均可发现覆冰率在随时间的增加而增大。因此，m c c o m b e r 和g o v o n i 考虑采用指数增长模型。也即 m = m o e 詹 ( 2 5 ) 式中：m o 是每米长导线的平均初始冰重，k g m ：m 是每米长导线冰重，k g m ；试 验中的平均初始冰重均为l k g m ：k 为常数；t 为覆冰时间，h 。 在公式( 2 5 ) 中，常数k 可按照以下公式算出 k = 4 x 1 0 屯e ，_ ( 2 6 ) p l d 上式中系数4 x 1 0 包含将时间由秒换算成小时的转换关系和平均典型覆冰直 径的修正等内容，1 ，为为平均风速，m s ：e 为导线的捕获系数；d 为为导线直 径，a 为冰的密度。 公式( 2 5 ) 中的覆冰后的导线外径d 和冰重m 有关 m = o 7 8 5 d 2 肛 ( 2 7 ) 从公式( 2 7 ) 中可求出覆冰导线的外径d 为 ，。“一 d ：1 2 7 m ( 2 8 ) f 岛 m c c o m b e r 和g o v o n i 发现，通过将试验中获取的数据和该模型进行对此验证， 该指数增长模型能够较好地反映出导线雾淞的覆冰情况。 以上覆冰增长模型公式一般从理论的角度进行推导得出，在推导过程中，为 了便于