適用于覆冰地區(qū)使用的復(fù)合絕緣子傘形結(jié)構(gòu)研究中文摘要

復(fù)合絕緣子重量輕、耐污性能好，目前已廣泛應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)中；但在覆冰環(huán)境下，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)復(fù)合絕緣子傘裙易被冰凌橋接，電氣性能下降顯著。為了提高復(fù)合絕緣子在覆冰地區(qū)的電氣性能，解決復(fù)合絕緣子在覆冰地區(qū)的適用性問題，有必要對其傘形結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化研究。本項目選取大型多功能人工氣候室與雪峰山自然覆冰試驗站作為研究場所，分別在帶電與不帶電、不同覆冰程度、不同風(fēng)速下研究不同傘形結(jié)構(gòu)復(fù)合絕緣子的覆冰規(guī)律；通過仿真計算與試驗驗證研究覆冰復(fù)合絕緣子的電位電場分布規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，建立復(fù)合絕緣子多電弧-多冰帶冰閃模型，尋求覆冰復(fù)合絕緣子的放電路徑，確定其冰閃電壓，并通過超高速攝像機拍攝的電弧發(fā)展過程與覆冰閃絡(luò)試驗，驗證所建立的冰閃模型；進而在此基礎(chǔ)上提取具有優(yōu)良冰閃性能的復(fù)合絕緣子傘形參數(shù)規(guī)律，設(shè)計適用于不同冰區(qū)的優(yōu)化傘形結(jié)構(gòu)復(fù)合絕緣子，并在人工氣候室、自然覆冰試驗站及實際線路上驗證其防冰閃效果。

項目嚴格按照項目計劃書要求展開工作，并達到了相應(yīng)的目標。本項目在國內(nèi)外首次提出在研究不同傘形結(jié)構(gòu)復(fù)合絕緣子在不同條件下的覆冰規(guī)律和研究覆冰復(fù)合絕緣子的冰閃模型與放電路徑的基礎(chǔ)上，提取具有優(yōu)良冰閃性能的傘形參數(shù)規(guī)律，針對不同冰區(qū)對復(fù)合絕緣子進行傘形結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計思路，在帶電與不帶電、不同覆冰程度、不同風(fēng)速下研究不同傘形結(jié)構(gòu)復(fù)合絕緣子的覆冰規(guī)律和冰閃特性。研究發(fā)現(xiàn)：電場、風(fēng)速、染污方式和傘形結(jié)構(gòu)均對復(fù)合絕緣子覆冰和冰閃特性有一定的影響，優(yōu)化的傘形結(jié)構(gòu)能提高復(fù)合絕緣子的電氣性能；項目首次建立“多電弧-多冰帶”冰閃模型；同時，依據(jù)試驗結(jié)果、電場仿真和所建的冰閃模型，對不同冰區(qū)復(fù)合絕緣子傘形結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果對提高復(fù)合絕緣子在覆冰地區(qū)的電氣性能，減少電網(wǎng)覆冰災(zāi)害具有重要的工程價值；項目提出的“多電弧-多冰帶”冰閃模型也有助于完善覆冰絕緣子冰閃機理與模型，具有較為重要的理論意義。 2100433B

線路覆冰雨凇覆冰

是在凍雨期發(fā)生于低海拔地區(qū)的覆冰，持續(xù)時間一般較短，環(huán)境溫度接近冰點，風(fēng)相當大，積冰透明，在導(dǎo)線上的粘合力很強，冰的密度很高，雨凇覆冰是混合凇覆冰的初級階段，由于凍雨持續(xù)期一般較短，因此，導(dǎo)線覆冰為純粹的雨凇覆冰的情況相對較少。

線路覆冰混合凇

當溫度在冰點以下，風(fēng)比較猛時，則形成混合凇。在混合凇覆冰條件下，水滴凍結(jié)比較弱，積冰有時透明，有時不透明，冰在導(dǎo)線上粘合力很強。導(dǎo)線長期暴露于濕氣中，便形成混合凇?；旌馅∈且粋€復(fù)合覆冰過程，密度較高，生長速度快，對導(dǎo)線危害特別嚴重。

線路覆冰軟霧凇

輕霧凇是由于山區(qū)低層云中含有的過冷水滴，在極低溫度與風(fēng)速較小情況下形成的。這種積冰呈白色、不透明、晶狀結(jié)構(gòu)、密度小，在導(dǎo)線上附著力相當弱。最初的結(jié)冰是單向的，由于導(dǎo)線機械失衡，逐漸圍繞導(dǎo)線均勻分布，在此情況下，這種冰對導(dǎo)線一般不構(gòu)成威脅。

線路覆冰白霜

白霜是空氣中濕氣與0℃以下的物體接觸時，濕氣往冷物體表面凝合形成的，白霜在導(dǎo)線上的粘結(jié)力十分微弱，即使是輕輕地振動，也可以使白霜脫離所粘結(jié)導(dǎo)線的表面，與其他類型覆冰相比，白霜基本不對導(dǎo)線構(gòu)成嚴重危害。

線路覆冰干雪

空氣中的干雪或冰晶很難粘結(jié)到導(dǎo)線表面。只有當空氣中的雪為“濕雪”時，導(dǎo)線才會出現(xiàn)積雪現(xiàn)象。當有強風(fēng)時，雪片易被風(fēng)吹落，導(dǎo)線覆雪不可能發(fā)生，故導(dǎo)線覆雪受風(fēng)速制約，因此平原地區(qū)或低地勢無風(fēng)地區(qū)，導(dǎo)線覆雪現(xiàn)象較山區(qū)常見。

在寒冷海域海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，控制荷載多為冰荷載，從而抗冰結(jié)構(gòu)成為設(shè)計的主要方向之一，而能夠?qū)е卤虐l(fā)生彎曲破壞的破冰錐形結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。國際冰工程界已針對冰排與錐形結(jié)構(gòu)相互作用進程開展了一定規(guī)模的研究，但仍有較多關(guān)鍵性問題尚未得到揭示，如冰排的斷裂長度、碎冰的堆積進程、冰荷載的準確估算方法、冰激錐形結(jié)構(gòu)振動等。目前國際上最新的研究成果表明，冰排上是否有雪覆蓋對上述問題具有重要的影響，但尚未有覆雪冰排與錐形結(jié)構(gòu)相互作用進程研究開展的實例，進而覆雪情況對上問題具體的控制機理與影響水平還不得而知。本課題正是針對這一問題，通過現(xiàn)場取樣測試、理論分析與物理模型試驗相結(jié)合的方法，開展覆雪冰排與錐形結(jié)構(gòu)相互作用進程的研究。本課題將研制出室內(nèi)生成覆雪模型冰蓋的試驗技術(shù)，填補國際范圍內(nèi)冰工程模型試驗在該技術(shù)上的空白，并最終通過系統(tǒng)研究，揭示覆雪情況對冰排與錐形結(jié)構(gòu)相互作用進程的控制機理與影響水平。

在寒冷海域海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，控制載荷多為冰荷載，從而抗冰結(jié)構(gòu)成為設(shè)計的主要方向之一，而能夠?qū)е卤虐l(fā)生彎曲破壞的破冰錐形結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。國際冰工程界已針對冰蓋與錐形結(jié)構(gòu)相互作用進程開展了一定規(guī)模的研究，但仍有較多關(guān)鍵性問題尚未得到揭示，如冰排的斷裂長度、碎冰的堆積進程、冰荷載的準確估算方法、冰激錐形結(jié)構(gòu)振動等。目前國際上最新的研究成果表明，冰蓋上是否有雪覆蓋對上述問題具有重要的影響，但尚未有覆雪冰蓋與錐形結(jié)構(gòu)相互作用進程研究開展的實例，進而覆雪情況對上問題具體的控制機理與影響水平還不得而知。本項目正是針對這一問題，通過調(diào)查研究、理論分析與物理模型試驗相結(jié)合的方法，開展了覆雪冰蓋與錐形結(jié)構(gòu)相互作用進程研究。本項目首先基于現(xiàn)場取樣測試結(jié)果，結(jié)合多年冰模型試驗積累的模型冰生成與制備試驗技術(shù)，成功地開發(fā)出覆雪模型冰蓋的室內(nèi)生成試驗技術(shù)，并對覆雪冰排的物理力學(xué)性質(zhì)進行系統(tǒng)的分析研究。在取得相關(guān)進展的基礎(chǔ)上，對錐形結(jié)構(gòu)前覆雪冰排破壞模式進行了理論分析，并根據(jù)分析結(jié)果制定了相應(yīng)的試驗方案。課題組在天津大學(xué)冰工程實驗室內(nèi)進行了包括多種雪厚、冰速、錐角以及錐體水線面直徑在內(nèi)的一系列模型試驗，獲得了大量寶貴的試驗數(shù)據(jù)。項目以所有不同覆雪水平下錐體冰力時程曲線分析為基礎(chǔ)，聯(lián)系試驗影像觀測，結(jié)合已有的冰排破壞理論，歸納概括覆雪冰排斷裂的模式及機理，構(gòu)建了考慮冰排覆雪水平的錐體冰力幅值理論分析模型和冰激錐形結(jié)構(gòu)振動動力分析模型。綜合冰條件、覆雪水平、抗冰錐尺寸、碎冰塊尺寸及分布演變規(guī)律等因素，最終構(gòu)建覆雪冰排與錐形結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模型。結(jié)合課題培養(yǎng)研究生8名。發(fā)表論文8篇，其中被SCI收錄3篇，EI收錄4篇。 2100433B