架空輸電線路導、地線覆冰的主要影響因素

架空輸電線路導、地線(以下簡稱電線)覆冰與天氣條件、地形因素、架空輸電線路特性等三者密切相關;電線覆冰類型與空氣溫度、風速風向、空氣中或雲中過冷卻水滴直徑、空氣中液態水含量四種因素相關。

架空輸電線路導、地線覆冰的主要影響因素

1 、影響電線覆冰的氣象條件

1.1 環境溫度

對覆冰的影響最明顯。一般最易覆冰的溫度為-1℃和-5℃ ,氣溫太低,過冷卻水滴變成了雪花,形成不了導線覆冰,因此,嚴寒的北方地區冰害事故反而較南方的雲、貴、湘、鄂等南方高溼度、水汽充分的地區輕。

1.2 空氣溼度

空氣溼度的大小對導線覆冰影響甚大。溼度大,一般在85%以上,不僅較易引起導線覆冰,而且還易形成雨凇。南方覆冰最為頻繁的湖南、湖北、江西等省,每逢嚴冬和初春季節,因陰雨連綿,空氣溼度很高(90%以上),故導線極易覆冰,且多為雨凇。雲南、貴州等高海拔地區,覆冰多為霧凇或混合凇。

1.3 風速風向

由於風起著對雲和水滴的輸送作用,故對導線覆冰有重要影響。無風和微風時,有利於晶狀霧凇的形成;風速較大時則有利於粒狀霧凇的形成。幾乎所有計算導線覆冰的模型都包含有風速這一主要因素,一般而言,風速越大(0~6m/s範圍內),導線覆冰越快。而風向主要會對覆冰形狀產生影響,當風向與導線垂直時,結冰會在迎風面上先生成,產生偏心覆冰,而當風向與導線平行時,則容易產生均勻覆冰。

1.4 過冷卻水滴大小

水滴直徑越大,碰撞物體凍結過程中,其潛熱釋放緩慢,反之,則凍結迅速。導致形成覆冰的特徵有很大差異。雨凇覆冰時,過冷卻水滴直徑大,約在10~40μm之間,中值體積水滴直徑為25μm左右,是毛毛細雨;

霧凇覆冰時,水滴直徑在1~20μm之間,中值體積水滴直徑為10μm左右;

而對於混合凇,其水滴直徑在5~35μm之間,中值體積直徑為15~18μm。

1.4 凝結高度

所謂“凝結高度”是指雲中的過冷卻水滴全部變成冰晶或雪花時的海拔高度,是隨著不同的地面氣溫和露點溫度而變化的, 常用海寧(Hening)公式計算:

H=124(T-Td)

式中:

H -- 凝結高度(m);

T -- 為地面氣溫(℃);

Td -- 為露點溫度(℃)。

凝結高度是以地面為起始基準的空氣中水滴碰撞物體前可凍結的高度,它的大小對高海拔山區的導線覆冰具有決定性的影響。當山峰高度超過凝結高度時(如雲南烏蒙山東側、滇東雲貴交界地區),此區域必屬於重冰區或特重冰區。

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2、 影響電線覆冰的地形及地理環境

覆冰與山脈走向、坡向和分水嶺等因素也有明顯關係,在山區電線受地形及地理的影響更為嚴重。在受風條件比較好的突出地形,如山頂、埡口、風道和迎風坡,以及空氣水份較充足的江河、湖泊、水庫和雲霧環繞的山腰、山頂等處都是極易夜冰的地點,而且其覆冰程度也比較嚴重。我國具有典型的微氣象、微地形覆冰特徵,常見的微氣象覆冰地形主要有埡口型、高山分水嶺型、水氣增大型、地形抬升型、峽谷風道型。

2.1 埡口型

在綿延的山脈所形成的婭口,是氣流集中加速之處,當線路處於埡口或橫跨埡口時,將導致風速增大或覆冰量增加。江西省井岡山鹽山埡口,雲南省昭通市莊溝埡口,湖南省拓鄉110kV線路羊古嶺埡口,貴州省110kV水盤線黑山埡口,四川省大涼山老林口,雲南省110kV以東線53號杆施布卡埡口,雲南省500kV大昆線石官坡埡口等就是典型實例。

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2.2 高山分水嶺型

線路翻越分水嶺,空曠開闊,容易出現強風及嚴重覆冰情況,尤其在山頂及迎風坡側,含有過冷卻水滴的氣團在風力作用下,沿山坡強制上升而絕熱膨脹,使得過冷卻水滴含量增大,導致導線覆冰增加。陝西省秦嶺,雲南省金沙江與小江的分水嶺,河南省南陽地區伏牛山老界嶺,浙江省雲和縣與松陽縣交界的方山嶺,廣東省韶關地區乳源和東昌兩縣交界的分水嶺,湖南衡山祝融峰等就是典型實例。

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2.3 水氣增大型

輸電線路臨近較大的江湖水體,使空氣中水汽增大,當寒潮人侵,氣溫下降至0℃以下時,由於空氣溼度大,便容易出現嚴重彼冰現象。江西梅嶺(受鄱陽湖影響),雲南昆明太華山(受滇池影響),湖南省沅江市(受洞庭湖影響),湖北省巴東縣綠蔥坡(受長江影響)。四川會東白龍山及雲南東川海子頭(受金沙江影響),500kV大昆線哀牢山地段(受老虎山電站水庫影響)等就是典型實例。

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2.4 地形抬升型

平原或丘陵中拔地而起的突峰或盆地中一側較低另一側較高的臺地及陡崖,因盆地水汽充足,溼度較大的冷空氣容易沿山坡上升,在頂部或臺地上形成雲霧,當冬季寒潮人侵時便會出現嚴重覆冰現象。雲南省會澤縣大竹山,貴州省220kV雞江Ⅱ回十里長衝,廣西省110kV蔽桂線金竹坳,滇南蒙自盆地邊緣地形抬升的馬拉格,貴州東部的萬山及500kV大昆線易門老吾街後山等就是典型實例。

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2.5 峽谷風道型

線路橫跨峽谷,兩岸很高很陡,通過狹管效應產生較大的風速,將導致送電線路風荷載的大幅度增加。雲南省110kV六平線36號杆南盤江峽谷,500kV大昆線綠汁江跨越點,雲南220kV以昆線282-283號大黑山峽谷風槽,500kV漫昆線哀牢山76-77號兔街山谷風道等就是典型實例。

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3、 影響電線覆冰的線路走向及電線懸掛高度條件

輸電線路導線覆冰與線路走向有關,東西走向的線路導線覆冰普遍較南北走向的線路導線覆冰嚴重。冬季覆冰天氣大多為北風或西北風,輸電線路導線為南北走向時,風向與導線軸線基本平行,單位時間與單位面積內輸送到輸電線路導線上的霧粒叫東西走向的線路導線少得多。輸電線路導線為東西走向時,風與導線約成90°的夾角,從而使導線覆冰最為嚴重。輸電線路導線覆冰與風向幾乎成正弦關係。而且輸電線路導線為東西走向在覆冰後,由於不均勻覆冰的影響,導線覆冰可能會誘發覆冰舞動。在條件相同的地區,一般海拔高程愈高,愈易發生覆冰,覆冰厚度越厚,且多為霧凇;海拔高程較低處,其冰厚雖較薄,但多為雨凇或混合凍結。輸電線路導線懸掛高度越高,覆冰越嚴重,這是因為空氣中液水含量隨高度的增加而升高。風速越大、液水含量越高,單位時間內向導線輸送的水滴越多,覆冰也越嚴重。因此,覆冰隨導線懸掛高度的升高而增加。冰厚隨高度(海拔高度或懸掛高度)變化的規律可用乘冪律表示如下:

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式中:

Z -- 高度;

Z0 -- 參考高度;

b -- 為覆冰厚度;

b0 -- 參考高度Z0處的的覆冰厚度。

bZ -- Z高度處的覆冰厚度。

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4 、電線直徑與覆冰厚度和扭轉對覆冰的影響

當風速在3~8m/s時,導線直徑越大,其相對導線單位長度覆冰量越重;當風速大於8m/s時,對於任何直徑的導線,導線直徑越大其覆冰量越重,但覆冰的厚度是隨導線直徑的增加而減小。覆冰在迎風面上生長,達到一定厚度時產生扭轉力矩。導線扭轉加速覆冰增長。這是因為導線覆冰時形狀往往很不規則(有扇形、橢圓形、新月形、圓形等)導線承受偏心荷重,由於其扭轉角度與L2/Φ4 (L為線路檔距,Φ為導線直徑)成比例,而L>Φ,故導線易發生扭轉,這就便於在導線的各個側面上進一步積冰。檔距中央線段的扭轉程度要比懸掛點線夾處附近大,隨風運動的過冷卻水滴得以均勻地積聚到扭轉導線的整個表面,而不像固定不扭轉的線段那樣覆冰主要積聚在迎風面一側,,對比之下,懸掛點線夾附近導線與氣流平行的長徑增長得快,與氣流正交的短徑增長的慢,迎風面積增加不多,冰重增長較慢,而檔距中央長徑、短徑增長比較均勻,與氣流正交的迎風面積增加較多,冰重增長較快,質量較大。

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5 、電場對覆冰的影響

電場的存在會對移向導線的水滴粒子產生極化和吸引力。雖然水滴內的極化電荷隨交流電壓而變化,但其作用力永遠是一個引向導線的吸引力。因此,電場對霧滴和毛毛細雨的吸引力會導致更多的水滴移向導線表面,因而能增加導線上的覆冰量。電場強度一定時。負荷電流對導線覆冰的影響體現在兩個方面。當電流不夠大,焦爾熱不能使導線表面維持0℃以上溫度時,負荷電流反而會使導線覆冰增加,因為出現了電場的影響;當電流足夠大,能使電線發熱並維持其表面溫度在0℃以上時,這時即使有過冷卻水滴碰撞導線,導線表面也不會覆冰,從而達到自然防冰的效果。

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