電線積冰研究方法

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。

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(jī)制

根據(jù)積冰形成的微物理機(jī)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(jī)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(qiáng)度等因素決定。

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(yùn)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(jī)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。

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(qiáng)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(diǎn)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(jī)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(jī)。這個時機(jī)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(diǎn)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(diǎn)方向適當(dāng)擴(kuò)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(jī)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)積冰熱力學(xué)與微動力學(xué)的有機(jī)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 。