輸電線路懸式復(fù)合絕緣子雨凇與輕霧凇覆冰形態(tài)和覆冰過程對(duì)比研究

薛藝為陽(yáng) 林郝艷捧谷 裕劉國(guó)特李立浧

（1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院 廣州 510640 2. 廣州供電局有限公司 廣州 510620）

輸電線路懸式復(fù)合絕緣子雨凇與輕霧凇覆冰形態(tài)和覆冰過程對(duì)比研究

薛藝為1,2陽(yáng) 林1郝艷捧1谷 裕1劉國(guó)特1李立浧1

（1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院 廣州 510640 2. 廣州供電局有限公司 廣州 510620）

覆冰形態(tài)是影響輸電線路絕緣子閃絡(luò)的重要因素之一。目前未見各類型覆冰形態(tài)差異及其原因的相關(guān)研究，絕緣子覆冰形態(tài)形成的微觀物理過程研究較少。覆冰過程包括水滴撞擊，捕獲和凍結(jié)三個(gè)過程。對(duì)比研究了南方電網(wǎng)電線路災(zāi)害（覆冰）預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的懸式復(fù)合絕緣子雨凇、輕霧凇覆冰形態(tài)，通過Fluent仿真研究了兩類覆冰形態(tài)的水滴與絕緣子撞擊過程，計(jì)算了絕緣子傘裙上表面、傘裙邊緣和桿徑的水滴撞擊數(shù)和撞擊密度，通過微氣象數(shù)據(jù)分析研究水滴凍結(jié)過程，從水滴撞擊和凍結(jié)兩個(gè)過程理論解釋了雨凇和輕霧凇兩類覆冰形態(tài)差異的原因。

絕緣子 覆冰形態(tài) 微氣象參數(shù) 流體力學(xué) 機(jī)理

0 引言

覆冰給輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大威脅，覆冰形態(tài)對(duì)絕緣子電氣性能有很大影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)輸電線路覆冰展開大量研究，結(jié)果表明：絕緣子覆冰主要可分為雨凇、霧凇和混合凇三種類型[1-6]，且各種覆冰類型形成與風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、濕度以及降雨量等微氣象參數(shù)密切相關(guān)[7-12]。

目前國(guó)內(nèi)外覆冰類型的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)觀冰、人工氣候室覆冰試驗(yàn)和自然觀冰站觀測(cè)等[13-16]，對(duì)各覆冰類型的形態(tài)分類已有較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但對(duì)各覆冰類型形成的微觀物理過程的相關(guān)研究甚少，且未能從理論層面解釋各類覆冰形態(tài)差別的原因。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文對(duì)南方電網(wǎng)輸電線路災(zāi)害（覆冰）預(yù)警系統(tǒng)[10,17,18]獲取的絕緣子覆冰圖像進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)雨凇和霧?。ㄓ绕涫歉脖潭容^輕的霧凇，以下簡(jiǎn)稱輕霧淞）覆冰形態(tài)上各有特點(diǎn)且差異明顯。覆冰主要包括水滴撞擊、捕獲和凍結(jié)三個(gè)過程[1]。本文獲取輸電線路相應(yīng)運(yùn)行絕緣子覆冰微氣象數(shù)據(jù)，通過流體力學(xué)軟件Fluent仿真雨凇、輕霧凇覆冰微氣象條件下的水滴與典型復(fù)合絕緣子表面碰撞的物理過程，計(jì)算水滴與絕緣子傘裙上表面、傘裙邊緣和桿徑等部位的水滴撞擊數(shù)、水滴撞擊密度等，研究了絕緣子覆冰時(shí)水滴撞擊過程。并假設(shè)捕獲系數(shù)為 1，對(duì)覆冰微氣象數(shù)據(jù)求積分計(jì)算覆冰過程平均溫度，從而確定水滴凍結(jié)系數(shù)，判斷水滴的凍結(jié)過程。

全文由覆冰的水滴撞擊、捕獲和凍結(jié)三個(gè)過程入手，理論研究了輸電線路懸式復(fù)合絕緣子雨凇、輕霧凇覆冰形成機(jī)理，以物理微觀角度探討輸電線路懸式復(fù)合絕緣子雨凇覆冰和輕霧凇覆冰形態(tài)差異的原因。重霧凇由輕霧淞發(fā)展而來(lái)，混合凇是雨凇和霧凇交替進(jìn)行的過程，研究雨凇、霧凇覆冰機(jī)理又為開展混合凇覆冰機(jī)理研究奠定了理論基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1運(yùn)行絕緣子覆冰觀測(cè)

運(yùn)行絕緣子覆冰觀測(cè)采用南方電網(wǎng)的輸電線路災(zāi)害（覆冰）預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)由南方電網(wǎng)在2008年冰災(zāi)后建成[10,17,18]，共裝設(shè)了 300多個(gè)覆冰監(jiān)測(cè)終端，覆蓋廣東、廣西、云南和貴州四省。該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)導(dǎo)（地）線拉力及偏角、導(dǎo)線溫度、振動(dòng)、微氣象（溫度、濕度和風(fēng)速等）、絕緣子泄漏電流等參數(shù)和獲取輸電線路覆冰圖像等。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的微氣象數(shù)據(jù)用 SQL Server 2008查詢得到，而覆冰圖像數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式存儲(chǔ)，利用Visual Studio 2008把二進(jìn)制格式的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JPG格式圖像。本文利用該系統(tǒng)的覆冰圖像研究輸電線路懸式復(fù)合絕緣子覆冰形態(tài)，并對(duì)相應(yīng)的微氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究覆冰凍結(jié)過程。

1.2水滴撞擊數(shù)Fluent仿真

本文利用Fluent仿真研究水滴與絕緣子的撞擊過程，計(jì)算了絕緣子傘裙上表面、傘裙邊緣和桿徑的水滴撞擊數(shù)以及撞擊密度。

1.2.1模型建立

以復(fù)合絕緣子為例，采用AutoCAD對(duì)其建模，如圖1所示。模型考慮并假定傘裙上表面傾角12°，下表面傾角 7°，傘裙邊緣處圓角半徑 2mm，大傘裙上表面與桿徑交界處圓角半徑7mm，其余交界處圓角半徑4mm。

圖1　復(fù)合絕緣子模型及參數(shù)Fig.1 Model and parameters of composite insulator

1.2.2網(wǎng)格劃分與模型分部位

用網(wǎng)格劃分軟件Gambit建立風(fēng)洞模型，其入口的氣流方向垂直絕緣子。風(fēng)洞長(zhǎng)、寬和高分別為8.5倍傘直徑1 900mm、3.5倍傘直徑800mm和2.5倍絕緣子高1 000mm。網(wǎng)格劃分時(shí)，采用分割計(jì)算區(qū)域、由內(nèi)至外漸變網(wǎng)格尺寸的方法，既保證計(jì)算準(zhǔn)確度，同時(shí)節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。

本文將絕緣子模型分為傘裙上表面、傘裙下表面、傘裙邊緣和桿徑四個(gè)部分，如圖2所示。由圖1可知整串絕緣子可分為傘裙上表面 5個(gè)、傘裙下表面5個(gè)、傘裙邊緣5個(gè)和桿徑6個(gè)共21個(gè)部位。仿真計(jì)算時(shí)，將撞擊在傘裙上表面5個(gè)部位的水滴數(shù)相加即為撞擊到傘裙上表面的總水滴數(shù)，其余部位類似。

圖2　絕緣子分塊示意圖Fig.2 Insulator blocks diagram

絕緣子各部位在自由來(lái)流方向的投影面積S分別為：傘裙上表面107.06cm2；傘裙邊緣40cm2；桿徑62.4cm2。

利用S計(jì)算絕緣子各部位在自由來(lái)流方向的水滴撞擊密度D為

式中，N為絕緣子某部位表面的水滴撞擊數(shù)。

1.2.3計(jì)算條件

采用Fluent進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算中湍流模型為k-epsilon[19]，其湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε 可求解[20]式（2）和式（3）得到。

式中，Gk為層流動(dòng)能（J）；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能（J）；YM為可壓縮流湍流整體分散數(shù)擴(kuò)張變化的貢獻(xiàn)；Sk、Sε為定義的源條件；常數(shù) C1ε、C2ε和C3ε分別為 1.44、1.92和?0.33；σk為 k的噪聲普朗數(shù)，σk=1；σε為ε 的噪聲普朗數(shù)，σε=1.3；μt可表示為

式中，Cμ為固定值0.09。

風(fēng)洞入口設(shè)置為速度入口，風(fēng)洞出口設(shè)為出流邊界條件；絕緣子表面設(shè)為無(wú)滑移壁面，處理函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

計(jì)算中假設(shè)：所有水滴都從風(fēng)洞入口射入，且認(rèn)為水滴初速與入口風(fēng)速相同，空氣流場(chǎng)不受水滴運(yùn)動(dòng)影響；水滴全部呈直徑相等的球形，均勻分布于風(fēng)洞入口，相互間不碰撞、結(jié)合和分裂，撞擊絕緣子表面后不反彈；水滴運(yùn)動(dòng)中，密度、粘度和溫度等參數(shù)保持不變；水滴運(yùn)動(dòng)過程中受到的Saffman升力、壓差力和附加質(zhì)量力等附加作用力與氣體曳力、重力相比可忽略[19]?？刂品匠屉x散采用高準(zhǔn)確度的 Quick格式，離散方程的求解采用 Simple算法[20]。

物體覆冰的物理過程可由碰撞系數(shù)、捕獲系數(shù)和凍結(jié)系數(shù)來(lái)表征[1]。根據(jù)上文的假設(shè)，不考慮水滴撞擊絕緣子后反彈的情況，因此本文仿真計(jì)算時(shí)可認(rèn)為捕獲系數(shù)為 1。前蘇聯(lián)多年的研究表明環(huán)境溫度低于?1.5℃時(shí)，即可認(rèn)為凍結(jié)系數(shù)為1[21,22]。

1.2.4計(jì)算工況

研究表明：滴徑、溫度和風(fēng)速范圍最易形成雨凇和霧凇[1,2,8,9]見表1。因此仿真模擬雨凇和霧凇時(shí)滴徑分別選取為90μm、110μm和10μm，風(fēng)速V分別為2.5m/s、5m/s、10m/s、15m/s和20m/s，共15種工況。其余條件：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

表1　覆冰類型及形成參數(shù)Tab.1 Icing type and parameters

2 結(jié)果與分析

2.1覆冰形態(tài)觀測(cè)結(jié)果

通過對(duì)南方電網(wǎng)的輸電線路災(zāi)害（覆冰）預(yù)警系統(tǒng)獲取的線路懸式絕緣子覆冰圖像進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)雨凇和輕霧凇外形上各有特點(diǎn)且差異明顯，如圖3所示。

由圖 3a、圖 3b可知，懸式復(fù)合絕緣子雨凇覆冰形態(tài)表現(xiàn)為傘裙上表面的冰層、迎風(fēng)面?zhèn)闳惯吘壍谋枰约皸U徑與傘裙上表面交界處的隆起狀覆冰，覆冰顏色透明。懸式空氣動(dòng)力型和懸式鐘罩型玻璃絕緣子雨凇覆冰形態(tài)與懸式復(fù)合絕緣子類似，如圖3c所示。

圖3　輸電線路絕緣子覆冰圖像Fig.3 Icing on insulator for transmission line

由圖3d可知，懸式復(fù)合絕緣子輕霧淞覆冰形態(tài)主要表現(xiàn)為凍結(jié)在迎風(fēng)面?zhèn)闳惯吘壍念w粒狀細(xì)小冰粒，覆冰外表呈白色，結(jié)構(gòu)松散，傘裙上表面和桿徑僅極少量的覆冰。懸式空氣動(dòng)力型瓷及懸式鐘罩型玻璃絕緣子輕霧淞覆冰形態(tài)類似，如圖3e、圖3f所示。

輸電線路運(yùn)行懸式復(fù)合絕緣子雨凇、輕霧凇覆冰形態(tài)的主要區(qū)別是覆冰部位和形貌。雨凇覆冰集中在傘裙上表面和傘裙邊緣，上表面冰層透明、質(zhì)地較厚，邊緣為冰凌；輕霧凇集中在傘裙邊緣，主要形成結(jié)構(gòu)松散、不透明的顆粒狀冰粒。

本文將結(jié)合圖3中的輸電線路運(yùn)行絕緣子所在桿塔及其周邊桿塔對(duì)應(yīng)的覆冰微氣象數(shù)據(jù)和懸式復(fù)合絕緣子Fluent仿真結(jié)果來(lái)分析雨凇、輕霧凇覆冰水滴撞擊和凍結(jié)兩個(gè)過程的差異，并研究雨凇、輕霧凇覆冰的形成和形態(tài)差異的原因。

2.2覆冰微氣象數(shù)據(jù)分析

圖4為某輸電線路運(yùn)行絕緣子覆冰監(jiān)測(cè)終端的典型微氣象參數(shù)在整個(gè)覆冰期的變化。本文對(duì)圖 3中絕緣子所在桿塔及其周邊桿塔的覆冰監(jiān)測(cè)終端在覆冰期內(nèi)的微氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并列舉出個(gè)別終端數(shù)據(jù)，分別見表2和表3。

覆冰時(shí)，風(fēng)速傳感器可能失靈，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)得覆冰過程的風(fēng)速情況，因此統(tǒng)計(jì)覆冰前風(fēng)速，以便作覆冰過程風(fēng)速的參考[23]。

對(duì)雨凇微氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，懸式絕緣子形成雨凇的微氣象特征為：溫度范圍?3.5～0℃，平均溫度?0.94℃，覆冰前及覆冰時(shí)的最大風(fēng)速可達(dá)7.9m/s，平均風(fēng)速5.05m/s，濕度維持在94%RH以上，覆冰持續(xù)時(shí)間約6～7天。

圖4　一個(gè)完整覆冰期的微氣象參數(shù)變化Fig.4 Variety of micro-meteorological parameters in a complete icing period

表2　雨凇微氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Summary and analysis of micro-meteorological parameters of glaze icing

表3　輕霧凇微氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Summary and analysis of micro-meteorological parameters of soft rime

對(duì)輕霧凇微氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，懸式絕緣子形成輕霧凇的微氣象特征為：溫度范圍?7.5～0℃，平均溫度?2.83℃，覆冰前及覆冰時(shí)的最大風(fēng)速可達(dá) 7m/s，平均風(fēng)速 2.21m/s，濕度基本大于90%RH，覆冰持續(xù)時(shí)間約3天。

2.3流體仿真結(jié)果

本文仿真計(jì)算了滴徑為90μm、110μm和10μm，風(fēng)速V為2.5～20m/s情況下傘裙上表面、傘裙邊緣和桿徑的水滴撞擊數(shù)及水滴撞擊密度。用Fluent仿真計(jì)算水滴撞擊數(shù)，水滴撞擊密度由式（1）計(jì)算。滴徑為90μm和110μm時(shí)仿真雨凇覆冰過程，滴徑為 10μm時(shí)仿真輕霧淞覆冰過程，典型水滴軌跡如圖5a所示。

圖5　Fluent仿真的典型水滴軌跡Fig.5 Typical trajectory of water droplets by Fluent simulation

圖6　雨凇覆冰的水滴撞擊數(shù)和撞擊密度Fig.6 Number and density of water droplets of glaze

仿真發(fā)現(xiàn)，研究工況下傘裙下表面和絕緣子背風(fēng)面捕獲水滴數(shù)近似為 0，因?yàn)閭闳瓜卤砻婧捅筹L(fēng)面在自由來(lái)流方向被絕緣子其他部位阻擋，水滴只能通過氣體回流、渦旋等現(xiàn)象才能撞擊這些部位，其水滴撞擊數(shù)相比其他位置可忽略。本文僅分析迎風(fēng)面的傘裙上表面、傘裙邊緣和桿徑的水滴撞擊情況，不考慮水滴反彈的情況，均可認(rèn)為捕獲系數(shù)為1。研究懸式復(fù)合絕緣子雨凇和輕霧淞?xí)r水滴與絕緣子的水滴撞擊數(shù)和撞擊密度值分別如圖6和圖7所示。

由圖 6a、圖 6b可知傘裙上表面水滴撞擊數(shù)最多，約占總水滴撞擊數(shù)的52%；桿徑次之，占29%左右；傘裙邊緣最少，約占19%。雨凇覆冰時(shí)水滴滴徑較大，質(zhì)量較大，其慣性和重力作用較強(qiáng)，氣體曳力作用較小，大量水滴不會(huì)隨氣流繞過絕緣子而直接碰撞在絕緣子迎風(fēng)面，如圖5c所示。雨凇水滴撞擊數(shù)主要受該部位在自由來(lái)流方向投影面積大小的影響，投影面積越大的部位，水滴撞擊數(shù)也越多。

由圖 6c、圖 6d可知，滴徑為 90μm時(shí)，當(dāng)風(fēng)速＜3m/s情況下傘裙上表面水滴撞擊密度最大；＞3m/s情況下傘裙邊緣的水滴撞擊密度最大。滴徑為110μm時(shí)，當(dāng)風(fēng)速＜10m/s情況下傘裙上表面的水滴撞擊密度最大，尤其在風(fēng)速為2.5m/s時(shí)傘裙上表面的水滴撞擊密度遠(yuǎn)大于其他部位；風(fēng)速＞10m/s情況下傘裙邊緣的水滴撞擊密度最大。

由圖7a可知，輕霧凇覆冰時(shí)傘裙邊緣水滴撞擊數(shù)最多，約占總水滴撞擊數(shù)的66%，桿徑次之，約占30%，傘裙上表面水滴撞擊數(shù)極少，僅占不到4%，三者水滴撞擊數(shù)隨風(fēng)速增大都增加，傘裙邊緣和桿徑的增加趨勢(shì)更為明顯。輕霧凇覆冰時(shí)水滴滴徑較小，水滴顆粒主要受空氣曳力作用，具有很好的氣流跟隨性，使其到達(dá)傘裙上表面時(shí)易隨氣流繞過傘上表面不發(fā)生碰撞，如圖5b所示。同理，滴徑較小時(shí)桿徑兩側(cè)繞流明顯，只有傘裙邊緣面與自由來(lái)流方向近似垂直，水滴運(yùn)動(dòng)方向需改變近 90°才能繞過傘裙邊緣繼續(xù)前進(jìn)，因此水滴最易碰撞在傘裙邊緣上；隨風(fēng)速增大，慣性作用增強(qiáng)，因此各部位水滴撞擊數(shù)增加，該現(xiàn)象傘裙邊緣和桿徑最明顯。

圖7　輕霧凇覆冰的水滴撞擊數(shù)和撞擊密度Fig.7 Collision density of water droplets of soft rime

由圖7b可知，絕緣子各部位水滴撞擊密度分布情況與水滴撞擊數(shù)情況類似，傘裙邊緣水滴撞擊密度最大，桿徑次之，傘裙上表面最小。

2.4覆冰機(jī)理探討

2.4.1雨凇

由表2雨凇微氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，風(fēng)速范圍為2～8m/s，平均風(fēng)速5.05m/s。根據(jù)圖6所示，該風(fēng)速水平下水滴多數(shù)撞擊在傘裙上表面，占總水滴撞擊數(shù)的50%以上，桿徑次之，傘裙邊緣最少，且傘裙上表面和傘裙邊緣的水滴撞擊密度相對(duì)桿徑要大。綜合來(lái)看傘裙上表面是絕緣子雨凇覆冰最主要的水滴來(lái)源。

前蘇聯(lián)多年研究表明，環(huán)境溫度低于?1.5℃時(shí)凍結(jié)系數(shù)為 1[21,22]。由表 2可知，本文雨凇的平均溫度為?0.94℃，根據(jù)上述研究結(jié)果，凍結(jié)系數(shù)小于1。再加上過冷卻水滴滴徑較大，水滴撞擊傘裙上表面后并未完全凍結(jié)，在風(fēng)的吹動(dòng)作用下，未完全凍結(jié)的水滴與另一個(gè)過冷卻水滴相遇，在水滴表面張力作用下越來(lái)越多水滴相互濕潤(rùn)，積聚在絕緣子傘裙上表面的迎風(fēng)面并流動(dòng)、淌開，形成一層水膜[24]，該水膜一部分在傘裙上表面凍結(jié)形成冰層，一部分順著傘裙傾角向下流動(dòng)，在傘裙邊緣形成冰凌，傘裙上表面水滴撞擊數(shù)最多且水滴撞擊密度最大，因此該現(xiàn)象最明顯。傘裙邊緣的水滴將加重冰凌的形成。桿徑處水滴撞擊數(shù)及撞擊密度最小，且桿徑表面呈垂直方向，撞擊桿徑表面的水滴將沿桿徑面往下流動(dòng)，主要在傘裙上表面凍結(jié)，如圖3a所示，可觀察到桿徑與傘裙上表面交界處有隆起狀覆冰。

雨凇覆冰絕緣子水滴撞擊數(shù)和撞擊密度較大；風(fēng)速越大液態(tài)水含量越高，單位時(shí)間向絕緣子輸送的水滴數(shù)越多[24]，導(dǎo)致覆冰越嚴(yán)重，本文監(jiān)測(cè)到雨凇覆冰時(shí)平均風(fēng)速為5.05m/s，比輕霧凇時(shí)大；雨凇持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，約6～7天。以上原因?qū)е掠贲r(shí)傘裙上表面的冰層較厚、傘裙邊緣的冰凌較長(zhǎng)、覆冰質(zhì)地堅(jiān)硬以及覆冰程度較輕霧凇嚴(yán)重。背風(fēng)面水滴撞擊數(shù)相對(duì)迎風(fēng)面可忽略，因此雨凇覆冰的冰層和冰凌主要體現(xiàn)在迎風(fēng)面上。

此外，由圖 6a、圖 6b可知隨風(fēng)速增大，傘裙上表面水滴撞擊數(shù)減少，風(fēng)速越小，慣性作用越小[21]，滴徑較大水滴的運(yùn)動(dòng)主要受重力影響，部分位于絕緣子上方的水滴在重力作用下將呈拋物線運(yùn)動(dòng)并與傘裙上表面碰撞，使其撞擊數(shù)增大，而桿徑和傘裙邊緣水滴撞擊數(shù)隨風(fēng)速增大增加較少，導(dǎo)致總水滴數(shù)隨風(fēng)速減小而增大，因此可認(rèn)為低風(fēng)速，尤其在風(fēng)速＜3m/s后有利于雨凇的形成，該結(jié)果與覆冰試驗(yàn)提出的結(jié)論一致[4,7,25]。

2.4.2輕霧凇

由表3輕霧淞?xí)r微氣象數(shù)據(jù)分析可知，輕霧凇時(shí)最大風(fēng)速可達(dá) 7m/s，平均風(fēng)速 2.21m/s。如圖 7所示，不論風(fēng)速多大，輕霧凇時(shí)水滴多數(shù)撞擊在傘裙邊緣，桿徑次之，傘裙上表面最少，且傘裙邊緣的水滴撞擊密度是桿徑的3倍以上，遠(yuǎn)大于傘裙上表面的水滴撞擊密度。因此，輕霧凇覆冰時(shí)傘裙邊緣將成為絕緣子水滴撞擊最多且最密的部位。

前蘇聯(lián)多年的研究得到環(huán)境溫度低于?1.5℃時(shí)凍結(jié)系數(shù)為1[21,22]。本文輕霧凇時(shí)的平均溫度為?2.83℃，根據(jù)上述研究成果凍結(jié)系數(shù)為 1，水滴撞擊絕緣子表面后立即凍結(jié)，結(jié)合絕緣子水滴撞擊和凍結(jié)過程，其輕霧凇覆冰集中在傘裙邊緣。由于輕霧凇覆冰水滴滴徑很小，主要表現(xiàn)為凍結(jié)在傘裙邊緣的顆粒狀小冰粒，且輕霧凇水滴撞擊數(shù)和水滴撞擊密度明顯小于雨凇，導(dǎo)致冰粒稀疏，相互間有較多氣孔，造成白色外表和較松散的結(jié)構(gòu)。輕霧凇覆冰風(fēng)速較雨凇小，單位時(shí)間向絕緣子輸送的水滴數(shù)較少，持續(xù)時(shí)間比雨凇短，約3天，因此其覆冰量較小。此外，隨覆冰程度加重，桿徑及傘裙上表面也可能出現(xiàn)少量類似結(jié)構(gòu)的冰粒，背風(fēng)面水滴撞擊數(shù)相對(duì)迎風(fēng)面可忽略，因此輕霧凇覆冰集中在迎風(fēng)面，如圖 3b所示。

3 結(jié)論

本文結(jié)合輸電線路運(yùn)行的懸式絕緣子雨凇、輕霧凇覆冰圖像、微氣象數(shù)據(jù)和Fluent仿真懸式復(fù)合絕緣子覆冰水滴撞擊情況，從覆冰的水滴撞擊和凍結(jié)兩個(gè)過程入手，理論探討了輸電線路懸式復(fù)合絕緣子雨凇、輕霧凇覆冰形成機(jī)理，解釋了輸電線路覆冰圖像中觀察到的懸式復(fù)合絕緣子雨凇、輕霧凇覆冰的形態(tài)差異。

1）研究的國(guó)內(nèi)南方地區(qū)絕緣子雨凇覆冰典型微氣象特征為：溫度范圍?3.5～0℃，平均溫度?0.94℃，覆冰前及覆冰時(shí)的最大風(fēng)速可達(dá)7.9m/s，平均風(fēng)速5.05m/s，濕度基本維持在94%以上，覆冰持續(xù)時(shí)間約6～7天。

2）研究的國(guó)內(nèi)南方地區(qū)絕緣子輕霧凇覆冰的典型微氣象特征為：溫度范圍?7～0℃，平均溫度?2.83℃，覆冰前及覆冰時(shí)的最大風(fēng)速可達(dá) 7m/s，平均風(fēng)速2.21m/s，濕度基本大于90%，覆冰持續(xù)時(shí)間約3天。

3）滴徑大于90μm、風(fēng)速小于3m/s時(shí)，懸式復(fù)合絕緣子水滴撞擊數(shù)和水滴撞擊密度均有較大幅增大，因此低風(fēng)速有利于雨凇的形成。

4）雨凇時(shí)懸式復(fù)合絕緣子傘裙上表面水滴撞擊數(shù)和撞擊密度最大，且凍結(jié)系數(shù)小于 1，主要表現(xiàn)為傘裙上表面迎風(fēng)面的冰層和傘裙邊緣迎風(fēng)面的冰凌；而輕霧凇時(shí)，傘裙邊緣水滴撞擊數(shù)最多，水滴撞擊密度最大，且凍結(jié)系數(shù)為 1，主要表現(xiàn)為傘裙邊緣迎風(fēng)面的白色、結(jié)構(gòu)松散的顆粒狀冰粒。

對(duì)覆冰圖像觀察發(fā)現(xiàn)，懸式空氣動(dòng)力型和鐘罩型瓷、玻璃絕緣子雨凇、輕霧淞覆冰的形態(tài)與懸式復(fù)合絕緣子相似，考慮覆冰機(jī)理類似，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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A Comparative Study on Icing Morphology and Process of Glaze and Light Rime in Suspension Composite Insulators on Transmission Lines

Xue Yiwei1,2Yang Lin1Hao Yanpeng1Gu Yu1Liu Guote1Li Licheng1
（1. School of Electric Power South China University of Technology Guangzhou 510640 China 2. Guangzhou Power Supply Bureau Co. Ltd Guangzhou 510620 China）

Icing morphology is one of the important factors on insulator flashover. Currently, there are no related studies on various types of icing morphologies, their differences, and their causes, and less on microphysical processes of insulator icing morphogenesis. Icing process includes water droplet impacting, capturing and freezing. In this paper, a comparative study on two types of icing such as glaze and light rime on suspension composite insulator, and their differences, based on the monitored images by China southern power grid transmission line disaster (icing) early warning systems. Water droplets collide process with insulators for two types of icing morphologies was simulated via Fluent and the number and density of water droplets colliding on the top surface, the end and the roots of the sheds on the simulated composite insulator were calculated. The freezing process of water drops was investigated through an analysis on micro-meteorological parameters, the reason of icing morphology different was discuss from the drop collide with the insulator process and the drop freezing process.

Insulator, icing morphology, micro-meteorological parameter, hydromechanics, mechanism

TM216

薛藝為 男，1990年生，碩士，研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備外絕緣。

E-mail: vierixue@sina.cn

郝艷捧 女，1974年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲鄯x、覆冰和雷電下的輸變電外絕緣、大氣壓介質(zhì)阻擋放電及關(guān)鍵電力設(shè)備絕緣狀態(tài)診斷等。

E-mail: yphao@scut.edu.cn（通信作者）

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助（51177052）。

2014-04-28 改稿日期 2014-05-26