電線積冰形成機制

電線積冰的形成條件及物理過程，包括氣象條件、氣流動力學(xué)、液滴運動軌跡以及熱力學(xué)過程。

通過外場觀測、室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬研究的不斷開展，揭示出電線積冰質(zhì)量增長過程決定于云降水粒子譜分布、碰撞效率、黏性率 、凍結(jié)率 、碰撞速度和角度等微物理參數(shù)，這 些參數(shù)又受控于降水率、云霧含水量、溫度、濕度、風(fēng)向 、風(fēng)速等宏觀氣象條件。通過數(shù)值模式已可進(jìn)行電線積冰量和積冰持續(xù)時間的定量研究和預(yù)測，進(jìn)而在開發(fā)垂冰模式和形態(tài)模式等方面也取得了新的進(jìn)展 。

電線積冰研究歷史

自20世紀(jì)50年代以來，世界各國的學(xué)者在電線積冰領(lǐng)域積累了豐富的資料，取得了有意義的成果。為了加速積冰研究成果、經(jīng)驗的交流，美國電力科學(xué)研究院(EPRI))、低溫地帶工程與研究實驗室(CRREI，)和加拿大魁北克水電公司于1982年組織召開了大氣結(jié)冰研討會(IWAIS，International Workshop on Atmospheric Icing of Structures)，以后每隔2~4年在世界各地輪流召開。最近的第十三屆IWAIS會議于2009年9月在瑞士與歐洲科學(xué)技術(shù)合作組織(European Cooperation in Science and Technology)聯(lián)合舉辦，會議討論了歐洲的大氣結(jié)冰研究進(jìn)展。

電線積冰重要性

據(jù)武漢電力設(shè)計院的研究，華中某輸電線路若按冰厚lOmm設(shè)計(導(dǎo)線溶冰，按冰厚15ram驗算)；每百公里投資63萬元；若按冰厚15mm設(shè)計(不溶冰，按冰厚35mm驗算)，每百公里需投資102萬元。因此準(zhǔn)確預(yù)報電線積冰，不但對指導(dǎo)輸電線路上的冰凍災(zāi)害防治具有重要意義，也能夠根據(jù)氣候資料對電線積冰進(jìn)行風(fēng)險區(qū)劃，為輸電線路走向提供合理的方案，使輸電線路設(shè)計更為合理，既節(jié)省開支又能夠提供充足的保障。

從積冰架上的導(dǎo)線開始形成積冰起，至積冰消失止，稱為一次積冰過程。一次積冰過程，一般可以包括積冰的發(fā)展、保持、崩塌或消融幾個階段。這幾個階段可能順次出現(xiàn)，也可能反復(fù)交錯出現(xiàn)，時間長短不一。往往積冰在總的增長過程中，會夾雜出現(xiàn)一些較小的崩塌現(xiàn)象。有電線積冰觀測任務(wù)的氣象站，須視機測定每一次積冰過程的最大直徑和厚度，以毫米（mm）為單位，取整數(shù)。

當(dāng)所測的直徑達(dá)到以下數(shù)值時，尚須測定一次積冰最大重量，以克/米（g/m）為單位，取整數(shù)：單純的霧淞 38mm；雨淞、濕雪凍結(jié)物或包括霧淞在內(nèi)的混合積冰31mm。電線積冰觀測，應(yīng)在電線積冰架上進(jìn)行。

電線積冰按形成過程

將電線積冰按形成過程分為兩類：降水積冰和云霧積冰。

（1）降水積冰

降水產(chǎn)生的積冰包括雨淞濕雪和干雪引起的積冰，主要取決于近地面及地面以上幾百米大氣的溫度層結(jié)。當(dāng)環(huán)境溫度在-10~0℃之間時，過冷卻雨滴或毛毛雨滴碰凍在溫度低于0℃的物體上形成雨淞，呈透明玻璃狀或半透明毛玻璃狀，堅硬光滑，密度很大干雪引起的積冰密度小，通常不超過0.1g.cm-3，對輸電線路不會造成嚴(yán)重的影響。雪花下落經(jīng)過近地面溫度稍高于0℃的氣層 時，會部分融化形成濕雪濕雪的粘附力大于干雪，形成的積冰密度較大，嚴(yán)重時可對輸電線路造成一定危害。

（2）云霧積冰

指處在過冷卻狀態(tài)下的云滴 、霧滴碰到地面物體上發(fā)生凍結(jié)形成半透明毛玻璃狀 、密度較大的積冰。霧淞多 出現(xiàn)在山地或者穩(wěn)定逆溫層下形成的過冷卻霧中。根據(jù)云霧中的液水含量 云霧滴譜分布 溫度和風(fēng)速的不同，可形成軟霧淞或硬霧淞，前者密度小于后者。硬霧淞形成時的溫度一般在-10~0℃之間，軟霧淞在-20~0℃之間。一般來說 ，液滴直徑小、溫度低，同時周圍氣溫也較低 , 以致水滴凍結(jié)釋放 的潛熱能較快傳出，易形成霧淞；反之，則易形成雨淞 。

電線積冰按微物理機制

根據(jù)積冰形成的微物理機制，電線積冰增長過程可分為干增長和濕增長 。這種分類有助于分析電線積冰的形成機理及形成過程中的熱平衡及熱傳遞。霧淞和干雪積冰是干增長過程的產(chǎn)物，雨淞和濕雪積冰是濕增長過程的產(chǎn)物，而混合淞則是雨淞、霧淞交替增長的結(jié)果。

總的來說，積冰類型主要由空氣溫度風(fēng)速水成物粒子的大小液水含量和降雨強度等因素決定。

目前對電線積冰的研究一般來說有三種方法：

一是基于實地觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立積冰概率分布圖，研究電線積冰的氣象特征和微物理特征，并檢驗積冰模式效果；

二是模擬實驗，建立模擬線路，分析各種氣象因素以及電線參數(shù)對電線積冰的影響，研究電線積冰的物理過程，得到理論公式；

三是數(shù)學(xué)模型，根據(jù)流體力學(xué)和熱力學(xué)原理，建立電線積冰微物理模型，預(yù)報電線積冰的厚度和重量，如Makkonen模式和Fu模式。

影響電線積冰的因素眾多，主要有：氣象條件(包括風(fēng)向風(fēng)速、氣溫、氣壓、相對濕度)、地形及地理條件(包括迎風(fēng)坡背風(fēng)坡、山谷口、海拔高度等)、電線特征(包括電線距地高度、電線直徑、電線扭轉(zhuǎn)性能、電場強度等)、微物理特征(包括水滴直徑、含水量)等 。

電線積冰觀測應(yīng)在電線積冰架上進(jìn)行。

電線積冰電線積冰架

電線積冰架一般由兩組支架組成，一組成南北向，一組成東西向，兩組之間距離以互不影響、方便操作為宜。每一組支架，包括兩根支柱和兩根導(dǎo)線。支柱采用50mm×50mm×5mm規(guī)格的角鋼，采用直徑約4mm(又稱8號)、長100cm鐵(鋼)絲作為導(dǎo)線，兩端在距端點5cm處彎成直角。兩根導(dǎo)線分別水平橫掛在支柱的上下絆釘上，上絆釘擰在支柱上部的一側(cè)，下絆釘擰在支柱下部的相反一側(cè)，導(dǎo)線兩端須能自由地插入絆釘孔中并容易取出，但在插入絆釘孔后，導(dǎo)線應(yīng)不產(chǎn)生移動或滾動。

在積冰比較嚴(yán)重地區(qū)，可以增設(shè)一組或多組支架。

電線積冰觀測輔助工具

⑴ 合頁箱：用以截取導(dǎo)線上的積冰物。它是一個25cm長，兩端封閉的金屬圓筒，筒分開上下兩半，一邊用合頁連接。筒的直徑，一般有15cm和25cm兩種。每種規(guī)格的合頁箱應(yīng)各配兩個，一個供東西向?qū)Ь€用，另一個供南北向?qū)Ь€用。為避免記錄發(fā)生混淆，箱外應(yīng)標(biāo)明方向，定向?qū)Ｓ谩?

冰嚴(yán)重地區(qū)，配有25cm直徑合頁箱還不敷使用的氣象站，可以再配置直徑為40cm的合頁箱兩個。

電線積冰積冰過程的觀測

⑴ 進(jìn)入積冰季節(jié)，應(yīng)注意積冰架導(dǎo)線上有無積冰形成。當(dāng)積冰開始形成時，要在觀測簿當(dāng)日的電線積冰“記事”欄，分方向記載凍結(jié)現(xiàn)象符號和開始時間；積冰完全消失，應(yīng)記下終止時間。凍結(jié)現(xiàn)象為霧凇者，記∨符號；為雨凇或濕雪凍結(jié)物者，均記"para" label-module="para">

⑵ 開始積冰后，應(yīng)注意觀察“第一對”導(dǎo)線上積冰的變化。為便于觀察，可在這一對導(dǎo)線的一端隨時清除掉一小段冰層，視這段光裸導(dǎo)線有否冰層形成，來判別它的變化狀況。當(dāng)積冰積聚相當(dāng)數(shù)量，結(jié)合天氣條件估計已達(dá)本次積冰的最大程度，如果再保持下去有可能發(fā)生大崩塌的情況時，即應(yīng)在“第一對”導(dǎo)線上進(jìn)行該次積冰最大直徑、厚度的測量。當(dāng)直徑達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時，還應(yīng)測量最大重量。記錄分別填入相應(yīng)欄。

積冰的形成和變化是復(fù)雜的，有時會出現(xiàn)一個方向?qū)Ь€上有積冰，另一個方向上沒有；或兩者起止時間早遲不一；或一個方向達(dá)到測重標(biāo)準(zhǔn)，另一個方向末達(dá)到測重標(biāo)準(zhǔn)等等。遇到這類情況，對兩個方向的積冰應(yīng)分別按測量規(guī)定照實記載。

在積冰嚴(yán)重，一次積冰過程持續(xù)日子較長的情況下，要做到一次測量即能獲得本次過程的最大值是困難的。很可能在第一次測量后，積冰并未發(fā)生大崩塌，或在崩塌之后(未崩塌完)又開始了新的增長。此時，須在“第二對”導(dǎo)線上對冰層狀況繼續(xù)觀察，方法同“第一對”導(dǎo)線。當(dāng)“第二對”導(dǎo)線積冰直徑、厚度已超過“第一對”的測量值時，須作出判斷，選擇適當(dāng)時機再在“第二對”導(dǎo)線上進(jìn)行測定。該次測量的各項數(shù)值，也應(yīng)記入觀測簿中有關(guān)欄。

若一天內(nèi)進(jìn)行了兩次測量(不論是一次積冰過程還是兩次積冰過程)，應(yīng)將第二次記錄按照電線積冰欄的格式記入該日備注欄。

若第二次測定仍未達(dá)到要求，則應(yīng)繼續(xù)對“第三對”導(dǎo)線上的冰層進(jìn)行觀察和測定，具體要求同“第二對”導(dǎo)線的使用?！暗谒膶Α睂?dǎo)線的使用法同此。

⑶ 當(dāng)積冰增長至本次過程的最大程度時，在隨之而來的崩塌之前，是進(jìn)行積冰最大直徑、厚度和重量測定的時機。這個時機可在觀察的基礎(chǔ)上，結(jié)合天氣條件和實踐經(jīng)驗來具體判斷。某次若因估計不足等原因，造成在積冰發(fā)生較大崩塌前未能測定最大直徑、厚度和重量時，可在發(fā)現(xiàn)崩塌時，立即進(jìn)行測定。

⑷ 每次測定積冰重量之后，隨即還應(yīng)觀測氣溫和風(fēng)向風(fēng)速(2分鐘平均)一次，記錄在觀測簿當(dāng)天“南北”向的相應(yīng)欄中。若遇上只測定積冰直徑、厚度而不測定重量的情況時，此項觀測應(yīng)在測定厚度之后進(jìn)行。若兩個方向?qū)Ь€上的積冰不是一次相繼測定的，則在每一個方向積冰測定后，都須觀測氣溫和風(fēng)向風(fēng)速，并區(qū)別方向填入觀測簿。

電線積冰測量方法

（1）積冰直徑和厚度的測量

測積冰直徑是指垂直于導(dǎo)線的切面上冰層積結(jié)的最大數(shù)值線，導(dǎo)線直徑包括在內(nèi)；積冰厚度是指在導(dǎo)線切面上垂直于積冰直徑方向上冰層積結(jié)的最大數(shù)值線，厚度一般小于直徑，最多與直徑相等。

測定時，先把外卡鉗兩腳尖張開，對著冰層選定的部位，再慢慢收攏到腳尖剛好挨著冰層，使兩腳尖之間的距離相當(dāng)于冰層的直徑。然后把卡鉗放在米尺上，讀取兩腳尖的距離， 定時，先把外卡鉗兩腳尖張開，對著冰層選定的部位，再慢慢收攏到腳尖剛好挨著冰層，使兩腳尖之間的距離相當(dāng)于冰層的直徑。然后把卡鉗放在米尺上，讀取兩腳尖的距離， 準(zhǔn)確到1mm。隨即再依此法測量冰層的厚度。測量時應(yīng)小心，不要觸落冰層。 冰層的表面往往不很整齊，因此導(dǎo)線上各點的冰層切面不完全相同，測量時應(yīng)區(qū)別對待。一般情況下，應(yīng)在導(dǎo)線的中央部分測量。當(dāng)冰層上有較大的降突部分，但隆突部分?jǐn)?shù)量很少，分布稀疏，測量時可不予考慮，而按多數(shù)冰層的切面測定；若隆突部數(shù)量較多，分布較密，測量時應(yīng)按隆突的大小適當(dāng)?shù)丶右云骄?

（2）積冰重量的測量

積冰重量是指1m長導(dǎo)線上冰層的重量。

測量松脆冰層(例如霧淞)的重量時，應(yīng)先把張開的合頁箱的下半部分，從選定的冰層下方伸過去，讓導(dǎo)線能嵌入合頁箱橫壁上適當(dāng)?shù)娜笨谖恢?，再將合頁箱上半部分合攏扣上，導(dǎo)線上的冰層就有25cm長的一段進(jìn)入箱內(nèi)，讓合頁箱連同冰層暫時掛在導(dǎo)線上。然后，用刮刀、噴燈等著手除去導(dǎo)線兩端絆釘上的冰層，再用兩手握住導(dǎo)線兩端，把導(dǎo)線連同掛在上面的合頁箱一起水平地取下來。假使冰層很堅硬(如雨淞)，則應(yīng)在套上合頁箱之前，用鋸在選定的冰層上鋸兩個切口。切口彼此距離25cm。每個切口應(yīng)分別向?qū)Ь€端點方向適當(dāng)擴大(可用鉗子將冰夾碎)，使合頁箱能在導(dǎo)線上扣合，并恰好將25cm長的完整冰段扣在箱內(nèi)。把導(dǎo)線連同合頁箱從積冰架上水平地取下來，隨即把備份導(dǎo)線掛到積冰架上。然后將合頁箱帶回室內(nèi)，待冰層融化后，取出導(dǎo)線，把水注入毫升量杯，量得的數(shù)值就是25cm長的冰層重量值(g)。再將此值乘以4，即得一米長導(dǎo)線的冰層重量。若有臺秤，也可將帶回室內(nèi)的合頁箱直接稱量，然后扣除合頁箱和導(dǎo)線的重量(應(yīng)事先稱好，并標(biāo)明重量值)，即得25cm長冰層段的重量；再將此值乘以4，便是1m長導(dǎo)線上的冰層重量。

積冰嚴(yán)重的地區(qū)，每當(dāng)取下導(dǎo)線十分困難，或積冰直徑已超過所具備的合頁箱直徑時，在測定積冰時也可改為只取冰層，不取走導(dǎo)線的做法。其方法是：將合頁箱張開置于選定的冰層下方，用鋸、刮刀、鉗子仔細(xì)地直接取下25cm長的冰層，再將盛冰的合頁箱帶回進(jìn)行稱量。取冰時應(yīng)小心操作，不要散失應(yīng)取下的積冰。事后，應(yīng)隨即刮去這根導(dǎo)線上多余的冰層。

如果由于某種原因，從導(dǎo)線上測定的完整冰層段的長度不足25cm時，則應(yīng)按下式換算成一米長導(dǎo)線上的冰層重量。

電線積冰注意事項

⑴ 每年非積冰季節(jié)，應(yīng)將絆釘、導(dǎo)線和合頁箱等金屬器械、工具擦干凈，適當(dāng)涂油，防止銹蝕。在積冰季節(jié)臨近前，再把積冰架等各項用具檢查擦拭一次，并安裝好導(dǎo)線。

⑵ 為防止積冰時導(dǎo)線在絆釘孔中凍住，可事先在絆釘孔內(nèi)外和導(dǎo)線兩端的插入段上，涂上一些油脂(用機械油和凡士林油等量混合配制)。但要注意切勿把油脂沾到導(dǎo)線的水平段上，以免影響積冰的形成。

⑶ 在積冰過程中，為了勿使支柱上的積冰影響導(dǎo)線上積冰的發(fā)展與變化，可視具體情況，適當(dāng)刮除附著在支柱上的積冰物。

電線積冰是一種氣象災(zāi)害 ，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的正常運行。積冰可導(dǎo)致電線的舞動桿塔傾斜 倒塌、斷線、絕緣子閃絡(luò)、通訊不暢、停電斷水，給人民的生產(chǎn)生活帶來了巨大不便，并給社會經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p失。

1961年4月挪威測得至今為止記錄到的最大積冰量，每米電線上的冰重達(dá)305 kg，最大等效直徑達(dá)1.4 m；

1998年加拿大魁北克的冰災(zāi), 使900km的輸 電線路遭到破壞，1000 多基線塔倒塌，這次冰災(zāi)無論持續(xù)時間還是危害程度上都是史無前例的；

2008 年1-2月中國也出現(xiàn)了歷史罕見的冰凍天氣，13個省電力系統(tǒng)運行受到影響，最嚴(yán)重地區(qū)電網(wǎng)近乎癱瘓，造成的間接經(jīng)濟(jì)損失難以估計；

除此之外，日本、美國 、英國 、冰島、瑞士等地都曾發(fā)生過嚴(yán)重冰雪災(zāi)害，我國的云南、貴州、四川、江西，青海、湖南、湖北、陜西、河南、山東等省積冰也十分頻繁，比較嚴(yán)重的是云南、貴州、四川、湖北西部的山區(qū)。

近10年來，電線積冰理論和數(shù)值模式得到了全面發(fā)展，已能夠較為準(zhǔn)確地再現(xiàn)和預(yù)報積冰宏微觀物理過程，但在以下方面還有待進(jìn)行更為深人的研究：

電線積冰外場觀測試驗

觀測事實是理論和模式發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著儀器設(shè)備和觀測技術(shù)的發(fā)展，積冰過程和氣象狀況的觀測內(nèi)容不斷豐富，精度不斷提高。例如，高時間分辨率的積冰要素、云霧降水粒子尺度譜分布及落速、局地微氣象參數(shù)等均 已能實現(xiàn)在線觀測。開展經(jīng)過精心設(shè)計的外場觀測試驗有助于進(jìn)一步深人揭示 電線積 冰物理機制，為數(shù)值模式改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。同時，包含詳細(xì) 復(fù)雜物理過程的數(shù)值模式的性能也是常規(guī)觀測資料無法充分驗證的，需要開展具有針對性的同時包含宏微觀物理參數(shù)的觀測試驗支持。此外，地面氣象觀測針對通訊線路保障積累了大量歷史積冰觀測資料，如何將 其應(yīng)用到電力系統(tǒng)保障，以及針對輸 電線路安全如何進(jìn)行積冰觀測方案改進(jìn)等問題也需要解決。

電線積冰積冰物理機制

（1）碰撞效率直接決定于云霧降水粒子的尺度，目前常用的碰撞效率經(jīng)驗公式是在缺少粒子尺度譜分布條件下獲得的，在低碰撞效率時偏低，對較大積冰體和長時間積 冰會產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。此外，當(dāng)積冰體形狀不規(guī)則時(如絕緣子)，電線周圍的局部流場復(fù)雜，液滴軌跡與積冰表面的角度差異很大，其對碰撞效率 的影響也有待確定。

（2）濕雪的黏性率通常根據(jù)風(fēng)速確定，甚至在一些物理過程較為全面的數(shù)值模式中也是如此。但是，溫度、濕度、雪粒子譜分布及 由此決定的降雪強度等因素在很大程度上制約著勃性率的大小，下落雪花的熱平衡處理方 法有助于該問題的解決。同時，在一定相對速度和粒子尺度條件下，過冷卻水滴和雪花與電線碰撞時可能發(fā)生破碎現(xiàn)象，其對豁性率的影響需要進(jìn)一步討論。

（3）雖然雨淞的形成理論 比較成熟，但缺少復(fù)雜積冰表面粗糙度面的研究，造成熱傳遞過程定量計算的困難。對此需要在研究中加強積冰熱力學(xué)與微動力學(xué)的有機結(jié)合。

電線積冰積冰微氣象條件

利用理論模式預(yù)測積冰量時存在的最主要問題之一，是缺乏準(zhǔn)確的積冰微氣象條件。如過冷卻液滴中值體積直徑和液水含量對雨淞模擬影響較小，但是嚴(yán)重影響霧淞發(fā)展過程，這兩者及更為基本的粒子尺度譜分布均不屬于常規(guī)觀測 內(nèi)容 又如 對 積 冰過 程 開 始 結(jié)束 的確 定 需 要借助準(zhǔn)確的氣溫和云高等常規(guī)資料，但在一些地形復(fù)雜的偏遠(yuǎn)地獲取這些數(shù)據(jù)還相當(dāng)困難。

電線積冰積冰數(shù)值模擬

目前將高分辨云降水模式與積冰模式的耦合已成為一種趨勢，但還需要提高模式對云霧降水粒子譜分布、含水量和凍雨發(fā)生條件預(yù)測的準(zhǔn)確性 。另外，形態(tài)模式還處于起步階段，為了建立能夠反映自然過程的積冰形態(tài)演變控制方程，嚴(yán)密的支撐理論還需要進(jìn)一步發(fā)展 。