基于記憶合金雙程形狀記憶效應(yīng)的導(dǎo)線霧凇防冰方法及現(xiàn)場試驗

曾 偉 蔣興良 楊國林 潘碧宸 張志勁

基于記憶合金雙程形狀記憶效應(yīng)的導(dǎo)線霧凇防冰方法及現(xiàn)場試驗

曾 偉1蔣興良1楊國林1潘碧宸2張志勁1

（1. 重慶大學(xué)雪峰山能源裝備安全國家野外科學(xué)觀測研究站 重慶 400044 2. 電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室 長沙 410000）

輸電線路覆冰嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行，國內(nèi)外學(xué)者對抑制導(dǎo)線覆冰的方法開展了大量研究。該文基于形狀記憶合金在不同溫度下保持不同形狀的雙程形狀記憶效應(yīng)，提出在導(dǎo)線表面布置形狀記憶合金，利用其形狀變化改變導(dǎo)線表面電場強度抑制導(dǎo)線覆冰的方法，實現(xiàn)輸電線路不停電非人工干預(yù)式防冰。建立布置形狀記憶合金導(dǎo)線的三維模型，并仿真分析其表面電場情況。結(jié)果表明，隨著形狀記憶合金形變量增大，導(dǎo)線表面電場強度逐漸增大。用兩端向上彎曲的圓柱形鋁條代替形狀發(fā)生變化后的形狀記憶合金，將其布置在LGJ-150/25導(dǎo)線表面，在重慶大學(xué)雪峰山能源裝備安全國家野外科學(xué)觀測研究站開展野外自然覆冰實驗。實驗結(jié)果表明，在導(dǎo)線表面布置代替形變后的記憶合金的鋁條能夠抑制導(dǎo)線的霧凇覆冰，且在導(dǎo)線初始表面電場強度為10 kV/cm時，效果最佳，覆冰質(zhì)量和厚度分別降低了57.1%和48.7%。

雙程形狀記憶效應(yīng) 電場強度 非人工干預(yù)式 防冰

0 引言

輸電線路覆冰嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行，極易造成絕緣子閃絡(luò)、導(dǎo)線斷裂、線路舞動、桿塔倒塌、閃絡(luò)跳閘等事故[1-3]，嚴重時，會引發(fā)電網(wǎng)長時間、大面積停電[4-6]。

2008年我國南方重大冰災(zāi)后，大量研究人員開始研究輸電線路覆冰，在輸電線路覆冰機理[7-8]、輸電線路覆冰致災(zāi)機制[9]、輸電線路防除冰技術(shù)等方面取得一定進展，有效地遏制了大面積電網(wǎng)冰災(zāi)的發(fā)生。但受覆冰隨機性、復(fù)雜性，以及電網(wǎng)覆冰的微地形、小氣候特征等因素的影響，輸電線路覆冰災(zāi)害難以杜絕[10-13]。隨著我國電網(wǎng)建設(shè)不斷完善，大量輸電線路會不可避免地經(jīng)過高寒低濕的易覆冰地區(qū)，輸電線路覆冰問題仍舊不可忽視[14-16]。

國內(nèi)外學(xué)者在長期的研究過程中，提出了熱力融冰、涂料防冰、機械除冰、電磁脈沖除冰[17]、電磁自熱環(huán)防冰[18]等諸多輸電線路防、除冰方法。雖然各種方法在特定環(huán)境下均具備一定效果，但都存在局限性，學(xué)者們尚未就完善地解決導(dǎo)線覆冰問題達成共識。目前廣泛采用的直流融冰方法，需要人工介入，工作時線路處于停電狀態(tài)，設(shè)備成本高昂，而且需要數(shù)小時的準備時間才能投入工作[19]，難以應(yīng)對快速、大范圍的電網(wǎng)覆冰問題。

重慶大學(xué)蔣興良在文獻[20]中指出，電場是影響輸電線路覆冰的關(guān)鍵因素，當(dāng)電場強度小于 5 kV/cm時，電場的作用將加速導(dǎo)線覆冰；當(dāng)電場強度超過10 kV/cm時，電場的作用將削弱導(dǎo)線覆冰。文獻[21-23]指出電場強度影響輸電線路覆冰的發(fā)展情況，電場是影響輸電線路覆冰的關(guān)鍵因素，當(dāng)輸電線路表面電場強度在15～25 kV/cm時，可抑制導(dǎo)線覆冰。文獻[24-26]指出，在直流輸電線路當(dāng)中，電場同樣是影響輸電線路覆冰的關(guān)鍵因素，當(dāng)輸電線路表面電場強度在一定區(qū)間范圍內(nèi)時，有抑制表面覆冰發(fā)展的作用。由此可見，調(diào)整輸電線路導(dǎo)線表面電場強度，具有抑制其表面覆冰的效果。

截至目前，對如何僅在覆冰發(fā)生時自動調(diào)整輸電線路表面電場強度，尚未有明確的技術(shù)手段。本文提出在導(dǎo)線表面布置具備雙程形狀記憶效應(yīng)的合金，利用其在不同環(huán)境溫度下保持不同形狀的特性，使其在環(huán)境溫度小于0℃時，在導(dǎo)線表面呈兩端凸起狀，增加導(dǎo)線表面電場強度，達到防冰效果；當(dāng)環(huán)境溫度高于0℃時，保持和導(dǎo)線表面貼合的形狀，從而實現(xiàn)根據(jù)可能發(fā)生導(dǎo)線覆冰自動調(diào)整導(dǎo)線表面電場強度進行防冰的目的。本文為輸電線路覆冰防御提供了一種非人工干預(yù)式防冰方法，具有一定意義。

1 導(dǎo)線表面電場計算與仿真分析

1.1 形狀記憶合金的雙程形狀記憶效應(yīng)及布置

形狀記憶合金指的是特定材料按照一定比例融合制造的合金。使具有某一形狀的金屬材料在低溫狀態(tài)下發(fā)生形變，接著對其進行加熱，當(dāng)金屬升到一定溫度時，形變會自動恢復(fù)到高溫相的形狀；冷卻時，合金恢復(fù)到低溫相的形狀，這一效應(yīng)稱為雙程形狀記憶效應(yīng)，如圖1所示。當(dāng)環(huán)境溫度下降到s時，合金開始形變；當(dāng)溫度下降到f時，合金達到最大形變點。此后，當(dāng)溫度再度上升達到s時，合金形變開始恢復(fù)；當(dāng)溫度上升到f時，合金形變完成恢復(fù)。

圖1 形狀記憶合金的雙程形狀記憶效應(yīng)

基于此效應(yīng)，本文提出在導(dǎo)線表面布置具備雙程形狀記憶效應(yīng)的形狀記憶合金，在環(huán)境溫度處于覆冰溫度區(qū)間時，合金發(fā)生形變使導(dǎo)線表面電場強度處于能夠抑制導(dǎo)線覆冰的區(qū)間減少導(dǎo)線覆冰；當(dāng)環(huán)境溫度不在覆冰溫度區(qū)間時，形狀記憶合金形變恢復(fù)，導(dǎo)線表面電場強度恢復(fù)正常。根據(jù)文獻[27-30]，通過約束時效處理，即對試品先進行高溫固溶處理，實現(xiàn)組織和成分的均勻化，隨后將試樣進行約束時效處理確定另一種形態(tài)，循環(huán)此過程獲得具備雙程形狀記憶效應(yīng)的形狀記憶合金，其形變溫度可通過調(diào)整合金成分及比例在-200～300℃范圍內(nèi)變動，由此即可獲取實際應(yīng)用所需的雙程形狀記憶合金。

如圖2a所示，將形狀記憶合金沿導(dǎo)線表面的凹槽布置，當(dāng)溫度不足以使其形變時，合金緊密貼合導(dǎo)線表面；當(dāng)溫度達到形變條件時，合金呈弧狀彎曲，達到增強導(dǎo)線表面電場強度的效果，如圖2b所示。

圖2 形狀記憶合金在導(dǎo)線表面的形變情況

1.2 導(dǎo)線表面電場有限元分析

考慮到實際導(dǎo)線由多股線絞制，其表面呈螺旋狀，運用有限元分析法，可精準地計算螺旋狀輸電導(dǎo)線表面電場強度。因此，本文采用有限元法對布置有形狀記憶合金的導(dǎo)線表面電場強度進行分析。

選取COMSOL Multiphysics為有限元計算工具，導(dǎo)線模型選用LGJ-150/25導(dǎo)線，長度為100 mm，形狀記憶合金采用Ni-Ti合金[29-30]（相對介電常數(shù)為10 000、比定壓熱容為400 J/(kg·K)、楊氏模量為46×109Pa、泊松比為0.33）。建立400 mm×200 mm× 200 mm求解場域，網(wǎng)格劃分形式采用四面體網(wǎng)格劃分，以增加導(dǎo)線與記憶合金周圍區(qū)域網(wǎng)格劃分的銜接精度。將無限遠處的零電位邊界移至有限區(qū)域邊界上，即假設(shè)傳輸線路導(dǎo)體周圍的虛擬邊界上的電位為零[31]，導(dǎo)線邊界上的電位為有限元求解的邊界條件。

1.3 電場仿真計算結(jié)果

對LGJ-150/25表面布置記憶合金和不布置記憶合金的帶電導(dǎo)線分別進行電場計算，計算時合金已發(fā)生形變。根據(jù)式（1）可計算單根標稱導(dǎo)線在外施電壓下的表面電場強度nominal，得到導(dǎo)線表面初始電場強度為3、5、15 kV/cm時，所需外施電壓分別為9.58、15.97、47.92 kV。合金呈半圓弧緊貼導(dǎo)線凹槽，曲率半徑=40 mm。

式中，1為光滑導(dǎo)線直徑，mm；2為電暈籠直徑，mm。

電場云圖和導(dǎo)線布置合金側(cè)表面電場強度隨導(dǎo)線外表面位置變化的曲線如圖3所示。從圖3可看出，記憶合金的布置可以改變導(dǎo)線的表面電場分布，導(dǎo)線表面電場畸變明顯；當(dāng)記憶合金與導(dǎo)線緊貼時，記憶合金對導(dǎo)線表面電場強度和電場分布的改變微乎其微，記憶合金的影響可以忽略不計；當(dāng)記憶合金呈弧狀彎曲時，導(dǎo)線表面電場強度顯著增加，且隨著記憶合金形變量增大，具體表現(xiàn)為合金兩端彎曲程度的增大，其對應(yīng)范圍內(nèi)導(dǎo)線表面電場強度增大。

圖3 初始3、5、15 kV/cm電場強度下帶合金與不帶合金導(dǎo)線表面電場分布

2 試驗設(shè)備與方法

本文利用彎曲的、長度為0.1 m的圓柱形鋁條替代發(fā)生形變后的形狀記憶合金，并將其布置在長度為1 m的LGJ-150/25導(dǎo)線表面，在野外自然覆冰環(huán)境開展試驗，驗證本文所提方法的有效性。

2.1 試驗設(shè)施

2.1.1 雪峰山能源裝備安全國家野外科學(xué)觀測研究站

試驗在雪峰山能源裝備安全國家野外科學(xué)觀測研究站開展，雪峰山位于湖南省西南部，東經(jīng)109°39′～110°55′，北緯26°58′～28°19′。該地域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，其全景如圖4所示。該自然覆冰試驗站海拔為1 400 m，屬于典型的微地形、小氣候覆冰區(qū)，歷史最大雨凇覆冰厚度超過500 mm，最大風(fēng)速可達25 m/s，年覆冰時間大于60天?；赜袃杉芫嚯x80 m的雨凇塔、1基500 kV真型塔塔頭、80 m試驗線路段、10 kV專用試驗電源線、電源間、實驗室、試驗數(shù)據(jù)終端監(jiān)測和研究人員工作場所等，可布置多種直徑和類型的試驗線段，是研究電網(wǎng)覆冰較為理想的場所之一。

圖4 雪峰山自然覆冰試驗站全景

2.1.2 接線原理

本文自然覆冰試驗基地采用的交流電源為600 kV·A/300 kV交流試驗電源裝置，按照圖5中的接線方法對試驗導(dǎo)線進行交流電場下的導(dǎo)線自然覆冰試驗。圖中S1為前級開關(guān)，S2為后級開關(guān)，T1為調(diào)壓器，T2為試驗變壓器，VD1、VD2為高壓硅堆，SCR為晶閘管，x為保護隔離電阻，i為采樣電阻，采用2 Ω標準電阻，J為保護放電管，C為試驗導(dǎo)線，F(xiàn)為交流電容式分壓器，SMA為用圓柱形鋁條替代的雙程形狀記憶合金。

圖5 雪峰山帶電導(dǎo)線覆冰試驗接線原理圖

2.2 試驗方法

試驗地選在1號雨凇塔前庫房樓頂山，該處遮擋物少，空間大，適合導(dǎo)線覆冰試驗。試驗現(xiàn)場布置如圖6所示，試驗用導(dǎo)線型號為LGJ-150/25，直徑為15.28 mm，長度為1 m，懸掛于復(fù)合絕緣子下。距離導(dǎo)線1 m處下方布置金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)通過 50 Ω電阻接地。通過600 kV·A/300 kV交流試驗電源裝置對導(dǎo)線施加交流電壓，實現(xiàn)導(dǎo)線表面電場強度的調(diào)整與控制。

圖6 導(dǎo)線覆冰試驗現(xiàn)場布置圖

覆冰試驗為帶電覆冰試驗，兩根LGJ-150/25串聯(lián)布置，于其中一根導(dǎo)線上方布置四根與LGJ-150/25絞線直徑相同的圓柱形鋁條，長度為0.1 m，鋁條彎曲呈圓弧狀，中部被扎帶綁定在LGJ-150/25表面相鄰鋁絞線之間的凹槽內(nèi)，四根鋁條均勻地布置在試驗導(dǎo)線上。用該鋁條替代發(fā)生形變后的形狀記憶合金開展試驗，每組試驗中，鋁條的彎曲程度保持一致。另一根導(dǎo)線作為對照組。

本文設(shè)置3、5、10、15和20 kV/cm共五個電場強度等級，由式（1）可得對應(yīng)試驗外施電壓分別為9.58、15.97、31.97、47.92和63.89 kV，下文提及的導(dǎo)線表面電場強度在未特殊說明時均指導(dǎo)線表面未覆冰時的電場強度。覆冰完成后測量整根試驗導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量，再根據(jù)導(dǎo)線質(zhì)量由式（2）換算可得導(dǎo)線覆冰厚度。

式中，為導(dǎo)線覆冰厚度；為導(dǎo)線半徑；1為導(dǎo)線自身質(zhì)量；2為導(dǎo)線覆冰質(zhì)量；為等值覆冰密度，其值為0.9[5]；為導(dǎo)線長度。

需要注意的是，由于自然條件下的覆冰試驗條件極難控制，即使是相同的試驗對象，溫度、風(fēng)速、液態(tài)水含量、水滴中值直徑的變化，均會影響試驗結(jié)果。本文為降低自然環(huán)境變化對試驗的影響，不違背試驗過程中僅改變電場強度的單一變量控制原則，從覆冰質(zhì)量出發(fā)，反向推導(dǎo)，以由果歸因的方式，認為在不同覆冰環(huán)境中，若相同的時間內(nèi)同一個圓柱體均勻覆冰的質(zhì)量相等，則近似認為這段時間內(nèi)兩個覆冰環(huán)境是相同的。

為降低誤差，試驗采用了四個圓柱體，根據(jù)四個圓柱體均勻覆冰情況下，覆冰質(zhì)量在不同冰期下是否滿足相等的條件來判定“相同覆冰環(huán)境”?；谒膫€旋轉(zhuǎn)圓柱體判定“相同覆冰環(huán)境”的具體步驟如下：記不同覆冰期相同覆冰時間2 h內(nèi)四圓柱旋轉(zhuǎn)多導(dǎo)體積冰器上四根圓導(dǎo)體的覆冰質(zhì)量為14，厚度對應(yīng)為1n4n，其中數(shù)字1～4分別對應(yīng)四根不同直徑的圓導(dǎo)體，表示不同的覆冰期，=1, 2, …，其大小由最終開展觀測的冰期數(shù)量決定。則在次覆冰觀測后，四根旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體的覆冰質(zhì)量及表面覆冰厚度可表示為矩陣與矩陣，即

3 試驗結(jié)果分析

3.1 單一變量原則的驗證

本文試驗于2022年2月5日—2月11日期間完成，根據(jù)2.2節(jié)中的試驗方法，選擇旋轉(zhuǎn)覆冰質(zhì)量和厚度最為接近的5組試驗結(jié)果進行分析。旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體覆冰質(zhì)量數(shù)據(jù)見表1，覆冰厚度數(shù)據(jù)見表2。

表1 5組試驗中旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體2 h的覆冰質(zhì)量

Tab.1 The icing mass of the rotating conductors for 2 h in 5 group of experiments

表2 5組試驗中旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體2 h的覆冰厚度

Tab.2 The icing thickness of the rotating conductors for 2 h in 5 group of experiments

經(jīng)式（4）驗證計算，覆冰質(zhì)量和覆冰厚度計算結(jié)果分別為7.25%和8.69%，均小于10%。該5組試驗符合2.2節(jié)中所述對單一控制變量原則的規(guī)定，其對應(yīng)施加電壓下的導(dǎo)線覆冰數(shù)據(jù)為有效試驗數(shù)據(jù)。

3.2 不同初始電場強度下的覆冰外觀

圖7為LGJ-150/25導(dǎo)線于不同電場強度下布置圓柱形鋁條后迎風(fēng)側(cè)導(dǎo)線與合金表面整體覆冰外觀，覆冰類型均為霧凇。與導(dǎo)線不帶電即導(dǎo)線初始電場強度為0 kV/cm相比，導(dǎo)線帶電后其覆冰外觀隨導(dǎo)線表面電場強度的不同而變化，進一步分析可知：

1）當(dāng)初始電場強度值為3 kV/cm時，導(dǎo)線覆冰的凸起密集、細小，形成似絨毛的細軟霧凇。在表面電場作用下，導(dǎo)線表面形成凸起狀覆冰，其尖端電場強度增加。表面布置的鋁條導(dǎo)致導(dǎo)線表面電場強度進一步增大，水滴碰撞效率與最大接觸角度增大。同時，過冷卻水滴在不均勻電場中將受到指向電場方向的力，電場的作用會改變水滴的表面張力，冰樹枝的頂部將延續(xù)發(fā)展，樹枝往外發(fā)展生長。

圖7 不同初始電場強度下布置鋁條導(dǎo)線覆冰外觀

2）當(dāng)初始電場強度值為5、10 kV/cm時，導(dǎo)線表面的覆冰外觀有明顯變化。導(dǎo)線覆冰量顯著減小，樹枝變短形成錐狀凸起，硬度大、數(shù)量少。在較大的導(dǎo)線表面初始電場強度數(shù)值下，表面布置的鋁條使導(dǎo)線表面整體電場強度增大，對空氣中過冷卻水滴的排斥力增大，使水滴不容易在導(dǎo)線表面堆積，凸起狀覆冰尖端在電場力與環(huán)境中風(fēng)的作用下脫離導(dǎo)線表面。

3）當(dāng)初始電場強度值為15、20 kV/cm時，導(dǎo)線表面覆冰量減少，覆冰厚度較小，但導(dǎo)線表面凸起狀覆冰增多。隨著導(dǎo)線表面電場強度進一步增加，部分過冷卻水滴急速極化，在導(dǎo)線表面累積為末端凸起的樹枝狀，對水滴的吸引作用增強，但尖端的電暈活動隨著電場強度的增強而增大。冰樹枝對水滴的吸引作用加速了自身生長，而其尖端的電暈活動又帶來更強的離子轟擊效應(yīng)，使冰樹枝在較強電場下容易發(fā)生形態(tài)變化，尖端變得圓潤，冰樹枝互相粘結(jié)，覆冰密度隨電場強度增大而減小，在導(dǎo)線的迎風(fēng)側(cè)形成一層硬霧凇覆冰。

3.3 鋁條對導(dǎo)線霧凇覆冰質(zhì)量的影響

LGJ-150/25導(dǎo)線與布置了圓柱形鋁條的LGJ-150/25導(dǎo)線于不同初始電場強度下2 h自然覆冰試驗的覆冰質(zhì)量如圖8所示。覆冰質(zhì)量采用稱重法得到，即（覆冰質(zhì)量）=2（覆冰導(dǎo)線質(zhì)量）-1（未覆冰導(dǎo)線質(zhì)量）。分析圖8可知：

圖8 不同初始電場強度下LGJ-150/25導(dǎo)線覆冰質(zhì)量（覆冰時間2 h）

1）隨著電場強度增大，帶鋁條的導(dǎo)線對導(dǎo)線覆冰質(zhì)量的影響規(guī)律為先促進、后抑制。當(dāng)導(dǎo)線的表面初始電場強度小于2.8 kV/cm時，布置鋁條導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量比未布置鋁條導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量大，分析為鋁條增加了導(dǎo)線表面的電場強度，使得導(dǎo)線該處的表面電場處于促進導(dǎo)線覆冰的電場區(qū)間；當(dāng)導(dǎo)線的表面電場強度大于2.8 kV/cm時，布置鋁條導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量小于未布置鋁條導(dǎo)線覆冰質(zhì)量，分析為鋁條對導(dǎo)線表面電場的畸變作用增大了導(dǎo)線表面一定區(qū)域內(nèi)的電場強度，該區(qū)域內(nèi)的強電場抑制了導(dǎo)線表面的覆冰增長。

2）布置鋁條后的導(dǎo)線對覆冰質(zhì)量的抑制效果隨著電場強度的增大逐步減弱。當(dāng)導(dǎo)線初始表面電場強度大于2.8 kV/cm且小于10 kV/cm時，布置鋁條導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量與未布置鋁條導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量差值較大，抑制效果顯著。當(dāng)導(dǎo)線初始表面電場強度處于10～20 kV/cm時，抑制導(dǎo)線覆冰效果逐漸降低。這是因為存在抑制導(dǎo)線結(jié)冰的最佳導(dǎo)線表面電場強度區(qū)間。而當(dāng)鋁條形狀一定時，導(dǎo)線表面電場強度僅由導(dǎo)線初始表面電場強度決定。

3）當(dāng)導(dǎo)線的表面初始電場強度分別為5、10、15、20 kV/cm時，布置鋁條導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量較未布置鋁條導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量下降百分比分別為30.6%、57.1%、44.4%和42.9%。顯然，當(dāng)導(dǎo)線表面的初始電場強度為10 kV/cm時，覆冰抑制效果最佳。

3.4 鋁條對帶電導(dǎo)線霧凇覆冰厚度的影響

LGJ-150/25導(dǎo)線與布置形狀記憶合金的LGJ-150/25導(dǎo)線在不同初始電場強度下2 h自然覆冰試驗的覆冰厚度如圖9所示。

圖9 不同初始電場強度下LGJ-150/25導(dǎo)線覆冰厚度（覆冰時間2 h）

Tab.9 Icing thickness of LGJ-150/25 wires under different initial electric fields (icing time: 2 h)

分析圖9可知：

1）隨著電場強度增大，帶鋁條的導(dǎo)線對導(dǎo)線覆冰厚度的影響規(guī)律同樣為先促進、后抑制。當(dāng)導(dǎo)線表面初始電場強度處于0～2.8 kV/cm時，導(dǎo)線覆冰厚度增加趨勢明顯，而后對覆冰厚度的增加趨勢逐漸下降變?yōu)橐种茖?dǎo)線厚度增加。到導(dǎo)線表面初始電場強度為5 kV/cm時，隨著電場強度持續(xù)增加，帶鋁條導(dǎo)線的覆冰厚度遠小于未帶鋁條導(dǎo)線的覆冰厚度。值得注意的是，當(dāng)帶鋁條導(dǎo)線與未帶鋁條導(dǎo)線覆冰厚度相同時，導(dǎo)線表面初始電場強度為5 kV/cm，與兩者覆冰質(zhì)量相等時的2.8 kV/cm不相等。其原因在于導(dǎo)線覆冰形狀受現(xiàn)場風(fēng)速、覆冰密度等各種因素影響，導(dǎo)致其厚度變化滯后于質(zhì)量變化。

2）隨著電場強度增大，布置鋁條后的導(dǎo)線對覆冰厚度的抑制效果呈先強后弱的規(guī)律。當(dāng)導(dǎo)線初始表面電場強度大于5 kV/cm且小于12 kV/cm時，布置鋁條的導(dǎo)線對覆冰厚度抑制效果顯著。當(dāng)導(dǎo)線初始表面電場強度處于12～20 kV/cm時，抑制導(dǎo)線覆冰效果逐漸降低。其原因同樣為存在抑制導(dǎo)線結(jié)冰的最佳導(dǎo)線表面電場強度區(qū)間，而鋁條形狀一定時，導(dǎo)線表面最終電場強度只與導(dǎo)線表面初始電場強度相關(guān)。

3）當(dāng)導(dǎo)線的表面初始電場強度分別為5、10、15、20 kV/cm時，布置鋁條導(dǎo)線的覆冰厚度較未布置鋁條導(dǎo)線的覆冰厚度下降百分比分別為0%、48.7%、40.0%和23.1%。顯然，當(dāng)表面初始電場強度為10 kV/cm時，鋁條對帶電導(dǎo)線覆冰的抑制效果最佳，覆冰厚度減小了48.7%。

3.5 鋁條對帶電導(dǎo)線覆冰影響的理論分析

隨著電場強度增大，帶鋁條的導(dǎo)線對導(dǎo)線覆冰質(zhì)量的影響規(guī)律為先促進、后抑制，具體表現(xiàn)為布置有鋁條的導(dǎo)線覆冰質(zhì)量先增加、后減小。當(dāng)電場強度較低時，鋁條的電場畸變作用有限，覆冰導(dǎo)線表面無電暈現(xiàn)象，電場對導(dǎo)線覆冰的影響主要表現(xiàn)在電場中水滴的極化作用，極化水滴受到電吸力和電斥力作用，此時電吸力較強，加速了水滴運動，增加了水滴與導(dǎo)線的碰撞率，提高了覆冰強度；當(dāng)電場強度增大時，除極化作用外，還存在極化變形水滴在臨近導(dǎo)線時產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象；當(dāng)電場強度繼續(xù)增大直到超過某一臨界值時，電場的作用削弱了導(dǎo)線覆冰。對這一現(xiàn)象的理論分析如下：

1）鋁條改變了導(dǎo)線表面的粗糙程度。隨著電場強度的增加，冰面上尚未凍結(jié)的半球形水滴在尖端堆積，半球形水滴的尖銳和錐體化以及鋁條的彎曲改變了原來密實的覆冰微結(jié)構(gòu)，降低了冰的密度，使過冷卻水滴變形固化，粘結(jié)力大大降低，在風(fēng)的作用下這種結(jié)構(gòu)的冰容易脫落。

2）鋁條附近離子風(fēng)的影響。隨著電場強度的增大，鋁條尖端會出現(xiàn)電暈放電，電暈放電的結(jié)果之一是離子風(fēng)的產(chǎn)生。彎曲的鋁條和導(dǎo)線冰尖附近產(chǎn)生的離子風(fēng)速影響過冷卻水滴的碰撞速度，改變碰撞率，從而影響熱傳遞，影響水滴的冷卻時間。

3）鋁條畸變后的強電場下電子和離子的碰撞。由于彎曲鋁條提高了導(dǎo)線表面電場強度，導(dǎo)線表面正在增長的冰樹和冰枝尖端將發(fā)生粒子碰撞現(xiàn)象，粒子轟擊產(chǎn)生的能量使冰融化并擊碎微小冰凌，由于碰撞強烈而有效，使得表面冰變暖，在尖頂部位則導(dǎo)致冰的融化和質(zhì)量損失。

4 結(jié)論

本文對布置記憶合金的LGJ-150/25導(dǎo)線進行了表面電場強度的計算，對不同初始電場強度下兩種導(dǎo)線布置方式進行了自然條件下的霧凇覆冰研究?；陟F凇覆冰條件，得到主要結(jié)論如下：

1）在導(dǎo)線表面布置具有雙程形狀記憶效應(yīng)的形狀記憶合金，利用其在不同溫度下形狀不同的雙程形狀記憶效應(yīng)，可有效地改變導(dǎo)線表面電場強度。對布置形狀記憶合金導(dǎo)線的三維模型進行有限元仿真分析，結(jié)果表明，隨著形狀記憶合金形變量的增大，其對應(yīng)范圍表面電場強度也增大。

2）布置圓柱形鋁條導(dǎo)線的霧凇覆冰外觀隨施加的初始電場強度變化明顯。初始電場強度較小時，覆冰產(chǎn)生較多長樹枝，間隙分明；電場強度增大時，尖端離子轟擊效應(yīng)加強，電吸力改變，尖端圓潤，表面形成一層硬霧凇覆冰。

3）在導(dǎo)線表面布置具備形狀變化能力的形狀記憶合金可以有效地抑制導(dǎo)線霧凇覆冰。隨著導(dǎo)線初始電場強度增大，鋁條對導(dǎo)線覆冰影響規(guī)律為先促進、后抑制。其對導(dǎo)線覆冰的抑制趨勢隨電場強度增加逐漸減小，存在一抑制效果最佳的導(dǎo)線表面電場強度區(qū)間，當(dāng)鋁條形狀一定時，此區(qū)間僅與導(dǎo)線表面初始電場強度有關(guān)。長度為1 m的LGJ-150/25導(dǎo)線表面初始電場強度為10 kV/cm時，與不布置鋁條導(dǎo)線相比，布置四根鋁條導(dǎo)線的霧凇覆冰質(zhì)量和厚度分別減少了57.1%、48.7%。

4）試驗驗證了本文所提防霧凇覆冰方法的有效性，即可通過雙程形狀記憶合金在環(huán)境溫度處于覆冰區(qū)間時自動發(fā)生形變改變導(dǎo)線表面電場強度，有效地抑制導(dǎo)線覆冰增長，而當(dāng)環(huán)境溫度高于覆冰區(qū)間時，其形變恢復(fù)到不影響輸電線路正常運行的與導(dǎo)線表面嚴密貼合的狀態(tài)。關(guān)于雙程形狀記憶合金的材料比例、制備方式，以及最佳形狀尺寸等內(nèi)容還需進一步研究。

[1] 胡琴, 王歡, 邱剛, 等. 風(fēng)力發(fā)電機葉片覆冰量化分析及其應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(21): 5607-5616. Hu Qin, Wang Huan, Qiu Gang, et al. Quantitative analysis of wind turbine blade icing and its application[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(21): 5607-5616.

[2] 韓興波, 吳海濤, 郭思華, 等. 用于覆冰環(huán)境測量的旋轉(zhuǎn)多導(dǎo)體直徑選擇方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(15): 3973-3980. Han Xingbo, Wu Haitao, Guo Sihua, et al. Research on diameter selection method of rotating multi-conductor for measurement of icing environmental parameters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(15): 3973-3980.

[3] 李暉, 劉棟, 姚丹陽. 面向碳達峰碳中和目標的我國電力系統(tǒng)發(fā)展研判[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2021, 41(18): 6245-6259. Li Hui, Liu Dong, Yao Danyang. Analysis and reflection on the development of power system towards the goal of carbon emission peak and carbon neutrality[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(18): 6245-6259.

[4] 韓興波, 吳海濤, 郭思華, 等. 輸電線路單導(dǎo)線覆冰和扭轉(zhuǎn)的相互影響機制分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(17): 4508-4516. Han Xingbo, Wu Haitao, Guo Sihua, et al. Analysis of interaction mechanism between icing and torsion of single transmission lines[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(17): 4508-4516.

[5] 蔣興良, 易輝. 輸電線路覆冰及防護[M]. 北京: 中國電力出版社, 2002.

[6] 舒立春, 劉延慶, 蔣興良, 等. 盤型懸式絕緣子串自然覆冰直流放電發(fā)展路徑特點及影響因素分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(8): 1726-1733. Shu Lichun, Liu Yanqing, Jiang Xingliang, et al. Analysis on the DC discharge path of ice-covered disc type suspension insulators under natural conditions[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1726-1733.

[7] 蔣興良. 絕緣子覆冰形成與放電機理[R]. 重慶: 重慶大學(xué), 2013.

[8] 劉春城, 劉佼. 輸電線路導(dǎo)線覆冰機理及雨凇覆冰模型[J]. 高電壓技術(shù), 2011, 37(1): 241-248. Liu Chuncheng, Liu Jiao. Ice accretion mechanism and glaze loads model on wires of power transmission lines[J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(1): 241-248.

[9] 李存斌, 計麗妍, 趙德福, 等. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力系統(tǒng)災(zāi)變演化及防控研究與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(9): 1-11. Li Cunbin, Ji Liyan, Zhao Defu, et al. Research and prospect of data-driven based disaster evolution and prevention of power system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(9): 1-11.

[10] 胡京, 鄧穎, 蔣興良, 等. 輸電線路覆冰埡口微地形的特征提取與識別方法[J]. 中國電力, 2022, 55(8): 135-142. Hu Jing, Deng Ying, Jiang Xingliang, et al. Feature extraction and identification method of ice-covered saddle mircotopography for transmission lines[J]. Electric Power, 2022, 55(8): 135-142.

[11] 莊文兵, 祁創(chuàng), 熊小伏, 等. 計及氣象因素時間累積效應(yīng)的輸電線路覆冰預(yù)測[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2019, 47(17): 6-13. Zhuang Wenbing, Qi Chuang, Xiong Xiaofu, et al. Transmission line icing forecast considering the time cumulative effect of meteorological factors[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(17): 6-13.

[12] 黃帥, 郭新春. 輸電線路微氣象研究綜述[J]. 電力勘測設(shè)計, 2019(增刊1): 112-116. Huang Shuai, Guo Xinchun. Research and prospect in micrometeorological area of transmission lines[J]. Electric Power Survey & Design, 2019(S1): 112-116.

[13] 巢亞鋒, 劉明, 岳一石, 等. 湖南電網(wǎng)輸電線路防融冰閃現(xiàn)狀及對策研究[J]. 湖南電力, 2017, 37(3): 30-33. Chao Yafeng, Liu Ming, Yue Yishi, et al. Analysis and countermeasures of prevent ice-melting flashover for Hunan power grid transmission lines[J]. Hunan Electric Power, 2017, 37(3): 30-33.

[14] 張志勁, 梁田, 向纓竹, 等. 去粉化對硅橡膠復(fù)合絕緣子性能的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(8): 2126-2135. Zhang Zhijin, Liang Tian, Xiang Yingzhu, et al. Effect of de-powdering on the performance of silicone rubber composite insulator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(8): 2126-2135.

[15] 李隆基, 郗曉光, 李志堅, 等. 微地形環(huán)境下輸電線路微氣象分析與預(yù)測技術(shù)[J]. 中國電力, 2020, 53(3): 76-83. Li Longji, Xi Xiaoguang, Li Zhijian, et al. Analysis and prediction of micro-meteorological parameters for power transmission lines in micro-terrain environment[J]. Electric Power, 2020, 53(3): 76-83.

[16] Tomaszewski M, Ruszczak B, Michalski P, et al. The study of weather conditions favourable to the accretion of icing that pose a threat to transmission power lines[J]. International Journal of Critical Infrastructure Protection, 2019, 25: 139-151.

[17] 胡琴, 姜濤, 蔣興良, 等. 地線電磁脈沖除冰系統(tǒng)的振動加速度試驗研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2022, 46(11): 4541-4548. Hu Qin, Jiang Tao, Jiang Xingliang, et al. Vibration acceleration experiments of ground wire deicing system with electromagnetic pulses[J]. Power System Technology, 2022, 46(11): 4541-4548.

[18] 黃亞飛, 蔣興良, 任曉東, 等. 采用渦流自熱環(huán)防止輸電線路冰雪災(zāi)害的方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(10): 2169-2177. Huang Yafei, Jiang Xingliang, Ren Xiaodong, et al. Study on preventing icing disasters of transmission lines by use of eddy self-heating ring[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(10): 2169-2177.

[19] 蔣興良, 畢茂強, 黎振宇, 等. 自然條件下導(dǎo)線直流融冰與脫冰過程研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(9): 2626-2631. Jiang Xingliang, Bi Maoqiang, Li Zhenyu, et al. Study on DC ice melting and ice shedding process under natural condition[J]. Power System Technology, 2013, 37(9): 2626-2631.

[20] 蔣興良. 帶電導(dǎo)線覆冰及電場對導(dǎo)線覆冰的影響[J]. 高電壓技術(shù), 1999, 25(2): 58-60. Jiang Xingliang. Energized conductor icing and effect of electric field[J]. High Voltage Engineering, 1999, 25(2): 58-60.

[21] 尹芳輝, 蔣興良, Masoud Farzaneh. 導(dǎo)線表面電場強度對導(dǎo)線覆冰的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2018, 44(3): 1023-1033. Yin Fanghui, Jiang Xingliang, Farzaneh M. Influences of electric field of conductors surface on conductor icing[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(3): 1023-1033.

[22] Yin Fanghui, Farzaneh M, Jiang Xingliang. Study on the collision efficiency of water droplets approaching an energized conductor[C]//2015 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Ann Arbor, MI, USA, 2015: 427-430.

[23] Yin Fanghui, Farzaneh M, Jiang Xingliang. A finite element approach to calculate corona losses on bipolar DC transmission lines[C]//2015 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Ann Arbor, MI, USA, 2015: 423-426.

[24] 何高輝. 基于電暈籠實驗的覆冰導(dǎo)線直流電暈效應(yīng)研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2020. He Gaohui. Study on DC corona performance of ice-covered wire based on corona cage experiments[D]. Chongqing: Chongqing University, 2020.

[25] 張海兵, 吳海濤, 胡琴, 等. 直流電場強度對導(dǎo)線雨淞覆冰及其電暈損失的影響[J]. 高壓電器, 2022, 58(8): 275-279. Zhang Haibing, Wu Haitao, Hu Qin, et al. Influence of DC electric field intensity on conductor glaze icing and its corona loss[J]. High Voltage Apparatus, 2022, 58(8): 275-279.

[26] 何高輝, 胡琴, 喻建波, 等. 導(dǎo)線雨凇覆冰及其直流電暈損失影響因素研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2021, 41(24): 8610-8619. He Gaohui, Hu Qin, Yu Jianbo, et al. Research on the influence factors of conductor glaze icing and cor-responding DC corona loss[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(24): 8610-8619.

[27] 王建鑫, 田新衍. 變形約束時效NiTi形狀記憶合金彈簧的雙程記憶效應(yīng)[J]. 材料導(dǎo)報, 2015, 29(10): 89-93. Wang Jianxin, Tian Xinyan. Two-way shape memory effect of NiTi shape memory springs trained by deformation constraint aging[J]. Materials Review, 2015, 29(10): 89-93.

[28] Zeng C Y, Cao S, Li Y Y, et al. Two-step constrained aging treatment enabled superior two-way shape memory effect and elevated R-phase transformation temperatures in a rapidly solidified Ni51Ti49alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 785: 1180-1188.

[29] Zhan Meng, Liu Junsheng, Chen Xiuyun, et al. Seismic response control of T-shaped porcelain column circuit breaker based on shape memory alloy cables[J]. Journal of Vibration Engineering & Tech-nologies, 2022, 10(6): 2313-2326.

[30] Shi Hu, Tan Kun, Xu Jun, et al. Design and performance analysis of magnetic shape memory alloy actuator with a compact electromagnetic coil configuration[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2020, 56(8): 1-13.

[31] Al-Hamouz Z M, Abdel-Salam M, Al-Shehri A M. Inception voltage of corona in bipolar ionized fields-effect on corona power loss[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, 34(1): 57-65.

Research on Anti-Icing Method for Fog Freezing and Field Test of Wires Based on Two-Way Shape Memory Effect of Memory Alloy

Zeng Wei1Jiang Xingliang1Yang Guolin1Pan Bichen2Zhang Zhijin1

（1. Xuefeng Mountain Energy Equipment Safety National Observation and Research Station of Chongqing University Chongqing 400044 China 2. State Key Laboratory for Disaster Prevention and Mitigation of Power Transmission and Transformation Equipment Changsha 410000 China）

Atmospheric icing of conductors poses a serious threat to the safe operation of power system. A large number of studies have been carried out to suppress conductor icing at home and abroad. The electric field has an impact on the conductor icing. When the electric field strength is large enough, the electric field can restrain the conductor icing. Based on the two-way shape memory effect that shape memory alloys maintain different shapes at different temperatures, this paper proposes an anti-icing method of wires without manual intervention. It arranges shape memory alloys on the surface of wires and use its deformation to change the electric field strength on the surface of wires to inhibit wire icing.

A three-dimensional model of the shape memory alloy wire was established, and the surface electric field was simulated and analyzed. The results show that the electric field strength of the wires’ surface gradually increases with the growth of the shape memory alloy deformation.

In order to test and verify this anti-icing method, the field natural icing experiment of LGJ-150/25 conductors was carried out at Xuefeng Mountain Energy Equipment Safety National Observation and Research Station of Chongqing University. With two ends bent upward, cylindrical aluminum bars arranged on conductors’ surface were used to replace the shape memory alloy. The icing tests under natural conditions are extremely difficult to control. Even if facing the same test subject, the change in temperature, wind speed, liquid water content, and the median diameter of water droplets will affect the test results. In order to reduce the influence of changes in the natural environment, this paper uses the rotational cylinder reference method.

Through five sets of valid experimental data, the conclusion is as follows: (1) The shape of wire icing with four cylindrical aluminum bars under different initial electric fields is different. When the initial electric field strength is low, the ice-covered branches have long branches and clear gaps. When the field strength increases, the cuspid ion bombardment effect is strengthened, the electric suction changes, icing tip is rounded. (2) Shape memory alloys arranged on the wires’ surface effectively suppress fog freezing. With the initial electric field strength of the wire increases, cylindrical aluminum bars promote the fog freezing, then inhibit. Its suppression trend on icing gradually decreases. (3) There is a best electric field strength interval. As the shape of the aluminum strip is certain, interval is only related to the initial electric field strength of wires’ surface. For length of one meter LGJ-150/25 conductor, in an initial electric field strength of 10 kV/cm, compared with no aluminum bars, the arrangement of four aluminum bars have a suppressed effect on fog freezing. Its quality and thickness of reduction percentage are 57.1%, 48.7% respectively.

Experiments have verified the effectiveness of the anti-icing method for fog freezing. Shape memory alloy with two-way shape memory effect can effectively inhibit the growth of wire icing by changing the electric field strength of the surface on the wire. It is a non-interventional anti-icing method for transmission lines, and proves patently feasible.Further research is needed on the material ratio, preparation method, and optimal size of the two-way shape memory alloy.

Two-way shape memory effect, eletric field intensity, no manual intervention, anti-icing

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230049

TM85

國家自然科學(xué)基金面上項目（52077018）和電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室項目（SGHNFZ00SHJCJ2100063）資助。

2023-01-12

2023-03-31

曾 偉 男，1999年生，碩士研究生，研究方向為輸電線路導(dǎo)線覆冰。E-mail：202111131226@cqu.edu.cn

楊國林 男，1994年生，博士研究生，研究方向為輸電線路導(dǎo)線覆冰。E-mail：824637130@qq.com（通信作者）

（編輯 李 冰）