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（1. 华南理工大学电力学院 广州 510640 2. 广州供电局有限公司 广州 510620）

输电线路悬式复合绝缘子雨凇与轻雾凇覆冰形态和覆冰过程对比研究

薛艺为1,2阳 林1郝艳捧1谷 裕1刘国特1李立浧1

（1. 华南理工大学电力学院 广州 510640 2. 广州供电局有限公司 广州 510620）

覆冰形态是影响输电线路绝缘子闪络的重要因素之一。目前未见各类型覆冰形态差异及其原因的相关研究，绝缘子覆冰形态形成的微观物理过程研究较少。覆冰过程包括水滴撞击，捕获和冻结三个过程。对比研究了南方电网电线路灾害（覆冰）预警系统监测的悬式复合绝缘子雨凇、轻雾凇覆冰形态，通过Fluent仿真研究了两类覆冰形态的水滴与绝缘子撞击过程，计算了绝缘子伞裙上表面、伞裙边缘和杆径的水滴撞击数和撞击密度，通过微气象数据分析研究水滴冻结过程，从水滴撞击和冻结两个过程理论解释了雨凇和轻雾凇两类覆冰形态差异的原因。

绝缘子 覆冰形态 微气象参数 流体力学 机理

0 引言

覆冰给输电线路安全稳定运行带来巨大威胁，覆冰形态对绝缘子电气性能有很大影响。国内外对输电线路覆冰展开大量研究，结果表明：绝缘子覆冰主要可分为雨凇、雾凇和混合凇三种类型[1-6]，且各种覆冰类型形成与风速、风向、环境温度、湿度以及降雨量等微气象参数密切相关[7-12]。

目前国内外覆冰类型的研究方法主要有现场观冰、人工气候室覆冰试验和自然观冰站观测等[13-16]，对各覆冰类型的形态分类已有较统一的认识，但对各覆冰类型形成的微观物理过程的相关研究甚少，且未能从理论层面解释各类覆冰形态差别的原因。

基于以上研究现状，本文对南方电网输电线路灾害（覆冰）预警系统[10,17,18]获取的绝缘子覆冰图像进行观测，发现雨凇和雾凇（尤其是覆冰程度较轻的雾凇，以下简称轻雾淞）覆冰形态上各有特点且差异明显。覆冰主要包括水滴撞击、捕获和冻结三个过程[1]。本文获取输电线路相应运行绝缘子覆冰微气象数据，通过流体力学软件Fluent仿真雨凇、轻雾凇覆冰微气象条件下的水滴与典型复合绝缘子表面碰撞的物理过程，计算水滴与绝缘子伞裙上表面、伞裙边缘和杆径等部位的水滴撞击数、水滴撞击密度等，研究了绝缘子覆冰时水滴撞击过程。并假设捕获系数为 1，对覆冰微气象数据求积分计算覆冰过程平均温度，从而确定水滴冻结系数，判断水滴的冻结过程。

全文由覆冰的水滴撞击、捕获和冻结三个过程入手，理论研究了输电线路悬式复合绝缘子雨凇、轻雾凇覆冰形成机理，以物理微观角度探讨输电线路悬式复合绝缘子雨凇覆冰和轻雾凇覆冰形态差异的原因。重雾凇由轻雾淞发展而来，混合凇是雨凇和雾凇交替进行的过程，研究雨凇、雾凇覆冰机理又为开展混合凇覆冰机理研究奠定了理论基础。

1 研究方法

1.1运行绝缘子覆冰观测

运行绝缘子覆冰观测采用南方电网的输电线路灾害（覆冰）预警系统，该系统由南方电网在2008年冰灾后建成[10,17,18]，共装设了 300多个覆冰监测终端，覆盖广东、广西、云南和贵州四省。该系统可监测导（地）线拉力及偏角、导线温度、振动、微气象（温度、湿度和风速等）、绝缘子泄漏电流等参数和获取输电线路覆冰图像等。

该系统数据库中的微气象数据用 SQL Server 2008查询得到，而覆冰图像数据以二进制格式存储，利用Visual Studio 2008把二进制格式的图像数据转换为JPG格式图像。本文利用该系统的覆冰图像研究输电线路悬式复合绝缘子覆冰形态，并对相应的微气象数据进行了分析，研究覆冰冻结过程。

1.2水滴撞击数Fluent仿真

本文利用Fluent仿真研究水滴与绝缘子的撞击过程，计算了绝缘子伞裙上表面、伞裙边缘和杆径的水滴撞击数以及撞击密度。

1.2.1模型建立

以复合绝缘子为例，采用AutoCAD对其建模，如图1所示。模型考虑并假定伞裙上表面倾角12°，下表面倾角 7°，伞裙边缘处圆角半径 2mm，大伞裙上表面与杆径交界处圆角半径7mm，其余交界处圆角半径4mm。

图1　复合绝缘子模型及参数Fig.1 Model and parameters of composite insulator

1.2.2网格划分与模型分部位

用网格划分软件Gambit建立风洞模型，其入口的气流方向垂直绝缘子。风洞长、宽和高分别为8.5倍伞直径1 900mm、3.5倍伞直径800mm和2.5倍绝缘子高1 000mm。网格划分时，采用分割计算区域、由内至外渐变网格尺寸的方法，既保证计算准确度，同时节约了计算时间。

本文将绝缘子模型分为伞裙上表面、伞裙下表面、伞裙边缘和杆径四个部分，如图2所示。由图1可知整串绝缘子可分为伞裙上表面 5个、伞裙下表面5个、伞裙边缘5个和杆径6个共21个部位。仿真计算时，将撞击在伞裙上表面5个部位的水滴数相加即为撞击到伞裙上表面的总水滴数，其余部位类似。

图2　绝缘子分块示意图Fig.2 Insulator blocks diagram

绝缘子各部位在自由来流方向的投影面积S分别为：伞裙上表面107.06cm2；伞裙边缘40cm2；杆径62.4cm2。

利用S计算绝缘子各部位在自由来流方向的水滴撞击密度D为

式中，N为绝缘子某部位表面的水滴撞击数。

1.2.3计算条件

采用Fluent进行仿真计算。计算中湍流模型为k-epsilon[19]，其湍流动能k和湍流耗散率ε 可求解[20]式（2）和式（3）得到。

式中，Gk为层流动能（J）；Gb为由浮力产生的湍流动能（J）；YM为可压缩流湍流整体分散数扩张变化的贡献；Sk、Sε为定义的源条件；常数 C1ε、C2ε和C3ε分别为 1.44、1.92和−0.33；σk为 k的噪声普朗数，σk=1；σε为ε 的噪声普朗数，σε=1.3；μt可表示为

式中，Cμ为固定值0.09。

风洞入口设置为速度入口，风洞出口设为出流边界条件；绝缘子表面设为无滑移壁面，处理函数为标准壁面函数。

计算中假设：所有水滴都从风洞入口射入，且认为水滴初速与入口风速相同，空气流场不受水滴运动影响；水滴全部呈直径相等的球形，均匀分布于风洞入口，相互间不碰撞、结合和分裂，撞击绝缘子表面后不反弹；水滴运动中，密度、粘度和温度等参数保持不变；水滴运动过程中受到的Saffman升力、压差力和附加质量力等附加作用力与气体曳力、重力相比可忽略[19]。控制方程离散采用高准确度的 Quick格式，离散方程的求解采用 Simple算法[20]。

物体覆冰的物理过程可由碰撞系数、捕获系数和冻结系数来表征[1]。根据上文的假设，不考虑水滴撞击绝缘子后反弹的情况，因此本文仿真计算时可认为捕获系数为 1。前苏联多年的研究表明环境温度低于−1.5℃时，即可认为冻结系数为1[21,22]。

1.2.4计算工况

研究表明：滴径、温度和风速范围最易形成雨凇和雾凇[1,2,8,9]见表1。因此仿真模拟雨凇和雾凇时滴径分别选取为90μm、110μm和10μm，风速V分别为2.5m/s、5m/s、10m/s、15m/s和20m/s，共15种工况。其余条件：标准大气压。

表1　覆冰类型及形成参数Tab.1 Icing type and parameters

2 结果与分析

2.1覆冰形态观测结果

通过对南方电网的输电线路灾害（覆冰）预警系统获取的线路悬式绝缘子覆冰图像进行观测，发现雨凇和轻雾凇外形上各有特点且差异明显，如图3所示。

由图 3a、图 3b可知，悬式复合绝缘子雨凇覆冰形态表现为伞裙上表面的冰层、迎风面伞裙边缘的冰凌以及杆径与伞裙上表面交界处的隆起状覆冰，覆冰颜色透明。悬式空气动力型和悬式钟罩型玻璃绝缘子雨凇覆冰形态与悬式复合绝缘子类似，如图3c所示。

图3　输电线路绝缘子覆冰图像Fig.3 Icing on insulator for transmission line

由图3d可知，悬式复合绝缘子轻雾淞覆冰形态主要表现为冻结在迎风面伞裙边缘的颗粒状细小冰粒，覆冰外表呈白色，结构松散，伞裙上表面和杆径仅极少量的覆冰。悬式空气动力型瓷及悬式钟罩型玻璃绝缘子轻雾淞覆冰形态类似，如图3e、图3f所示。

输电线路运行悬式复合绝缘子雨凇、轻雾凇覆冰形态的主要区别是覆冰部位和形貌。雨凇覆冰集中在伞裙上表面和伞裙边缘，上表面冰层透明、质地较厚，边缘为冰凌；轻雾凇集中在伞裙边缘，主要形成结构松散、不透明的颗粒状冰粒。

本文将结合图3中的输电线路运行绝缘子所在杆塔及其周边杆塔对应的覆冰微气象数据和悬式复合绝缘子Fluent仿真结果来分析雨凇、轻雾凇覆冰水滴撞击和冻结两个过程的差异，并研究雨凇、轻雾凇覆冰的形成和形态差异的原因。

2.2覆冰微气象数据分析

图4为某输电线路运行绝缘子覆冰监测终端的典型微气象参数在整个覆冰期的变化。本文对图 3中绝缘子所在杆塔及其周边杆塔的覆冰监测终端在覆冰期内的微气象数据进行了统计，并列举出个别终端数据，分别见表2和表3。

覆冰时，风速传感器可能失灵，导致无法测得覆冰过程的风速情况，因此统计覆冰前风速，以便作覆冰过程风速的参考[23]。

对雨凇微气象数据统计分析发现，悬式绝缘子形成雨凇的微气象特征为：温度范围−3.5～0℃，平均温度−0.94℃，覆冰前及覆冰时的最大风速可达7.9m/s，平均风速5.05m/s，湿度维持在94%RH以上，覆冰持续时间约6～7天。

图4　一个完整覆冰期的微气象参数变化Fig.4 Variety of micro-meteorological parameters in a complete icing period

表2　雨凇微气象数据统计Tab.2 Summary and analysis of micro-meteorological parameters of glaze icing

表3　轻雾凇微气象数据统计Tab.3 Summary and analysis of micro-meteorological parameters of soft rime

对轻雾凇微气象数据统计分析发现，悬式绝缘子形成轻雾凇的微气象特征为：温度范围−7.5～0℃，平均温度−2.83℃，覆冰前及覆冰时的最大风速可达 7m/s，平均风速 2.21m/s，湿度基本大于90%RH，覆冰持续时间约3天。

2.3流体仿真结果

本文仿真计算了滴径为90μm、110μm和10μm，风速V为2.5～20m/s情况下伞裙上表面、伞裙边缘和杆径的水滴撞击数及水滴撞击密度。用Fluent仿真计算水滴撞击数，水滴撞击密度由式（1）计算。滴径为90μm和110μm时仿真雨凇覆冰过程，滴径为 10μm时仿真轻雾淞覆冰过程，典型水滴轨迹如图5a所示。

图5　Fluent仿真的典型水滴轨迹Fig.5 Typical trajectory of water droplets by Fluent simulation

图6　雨凇覆冰的水滴撞击数和撞击密度Fig.6 Number and density of water droplets of glaze

仿真发现，研究工况下伞裙下表面和绝缘子背风面捕获水滴数近似为 0，因为伞裙下表面和背风面在自由来流方向被绝缘子其他部位阻挡，水滴只能通过气体回流、涡旋等现象才能撞击这些部位，其水滴撞击数相比其他位置可忽略。本文仅分析迎风面的伞裙上表面、伞裙边缘和杆径的水滴撞击情况，不考虑水滴反弹的情况，均可认为捕获系数为1。研究悬式复合绝缘子雨凇和轻雾淞时水滴与绝缘子的水滴撞击数和撞击密度值分别如图6和图7所示。

由图 6a、图 6b可知伞裙上表面水滴撞击数最多，约占总水滴撞击数的52%；杆径次之，占29%左右；伞裙边缘最少，约占19%。雨凇覆冰时水滴滴径较大，质量较大，其惯性和重力作用较强，气体曳力作用较小，大量水滴不会随气流绕过绝缘子而直接碰撞在绝缘子迎风面，如图5c所示。雨凇水滴撞击数主要受该部位在自由来流方向投影面积大小的影响，投影面积越大的部位，水滴撞击数也越多。

由图 6c、图 6d可知，滴径为 90μm时，当风速＜3m/s情况下伞裙上表面水滴撞击密度最大；＞3m/s情况下伞裙边缘的水滴撞击密度最大。滴径为110μm时，当风速＜10m/s情况下伞裙上表面的水滴撞击密度最大，尤其在风速为2.5m/s时伞裙上表面的水滴撞击密度远大于其他部位；风速＞10m/s情况下伞裙边缘的水滴撞击密度最大。

由图7a可知，轻雾凇覆冰时伞裙边缘水滴撞击数最多，约占总水滴撞击数的66%，杆径次之，约占30%，伞裙上表面水滴撞击数极少，仅占不到4%，三者水滴撞击数随风速增大都增加，伞裙边缘和杆径的增加趋势更为明显。轻雾凇覆冰时水滴滴径较小，水滴颗粒主要受空气曳力作用，具有很好的气流跟随性，使其到达伞裙上表面时易随气流绕过伞上表面不发生碰撞，如图5b所示。同理，滴径较小时杆径两侧绕流明显，只有伞裙边缘面与自由来流方向近似垂直，水滴运动方向需改变近 90°才能绕过伞裙边缘继续前进，因此水滴最易碰撞在伞裙边缘上；随风速增大，惯性作用增强，因此各部位水滴撞击数增加，该现象伞裙边缘和杆径最明显。

图7　轻雾凇覆冰的水滴撞击数和撞击密度Fig.7 Collision density of water droplets of soft rime

由图7b可知，绝缘子各部位水滴撞击密度分布情况与水滴撞击数情况类似，伞裙边缘水滴撞击密度最大，杆径次之，伞裙上表面最小。

2.4覆冰机理探讨

2.4.1雨凇

由表2雨凇微气象数据统计可知，风速范围为2～8m/s，平均风速5.05m/s。根据图6所示，该风速水平下水滴多数撞击在伞裙上表面，占总水滴撞击数的50%以上，杆径次之，伞裙边缘最少，且伞裙上表面和伞裙边缘的水滴撞击密度相对杆径要大。综合来看伞裙上表面是绝缘子雨凇覆冰最主要的水滴来源。

前苏联多年研究表明，环境温度低于−1.5℃时冻结系数为 1[21,22]。由表 2可知，本文雨凇的平均温度为−0.94℃，根据上述研究结果，冻结系数小于1。再加上过冷却水滴滴径较大，水滴撞击伞裙上表面后并未完全冻结，在风的吹动作用下，未完全冻结的水滴与另一个过冷却水滴相遇，在水滴表面张力作用下越来越多水滴相互湿润，积聚在绝缘子伞裙上表面的迎风面并流动、淌开，形成一层水膜[24]，该水膜一部分在伞裙上表面冻结形成冰层，一部分顺着伞裙倾角向下流动，在伞裙边缘形成冰凌，伞裙上表面水滴撞击数最多且水滴撞击密度最大，因此该现象最明显。伞裙边缘的水滴将加重冰凌的形成。杆径处水滴撞击数及撞击密度最小，且杆径表面呈垂直方向，撞击杆径表面的水滴将沿杆径面往下流动，主要在伞裙上表面冻结，如图3a所示，可观察到杆径与伞裙上表面交界处有隆起状覆冰。

雨凇覆冰绝缘子水滴撞击数和撞击密度较大；风速越大液态水含量越高，单位时间向绝缘子输送的水滴数越多[24]，导致覆冰越严重，本文监测到雨凇覆冰时平均风速为5.05m/s，比轻雾凇时大；雨凇持续时间较长，约6～7天。以上原因导致雨凇时伞裙上表面的冰层较厚、伞裙边缘的冰凌较长、覆冰质地坚硬以及覆冰程度较轻雾凇严重。背风面水滴撞击数相对迎风面可忽略，因此雨凇覆冰的冰层和冰凌主要体现在迎风面上。

此外，由图 6a、图 6b可知随风速增大，伞裙上表面水滴撞击数减少，风速越小，惯性作用越小[21]，滴径较大水滴的运动主要受重力影响，部分位于绝缘子上方的水滴在重力作用下将呈抛物线运动并与伞裙上表面碰撞，使其撞击数增大，而杆径和伞裙边缘水滴撞击数随风速增大增加较少，导致总水滴数随风速减小而增大，因此可认为低风速，尤其在风速＜3m/s后有利于雨凇的形成，该结果与覆冰试验提出的结论一致[4,7,25]。

2.4.2轻雾凇

由表3轻雾淞时微气象数据分析可知，轻雾凇时最大风速可达 7m/s，平均风速 2.21m/s。如图 7所示，不论风速多大，轻雾凇时水滴多数撞击在伞裙边缘，杆径次之，伞裙上表面最少，且伞裙边缘的水滴撞击密度是杆径的3倍以上，远大于伞裙上表面的水滴撞击密度。因此，轻雾凇覆冰时伞裙边缘将成为绝缘子水滴撞击最多且最密的部位。

前苏联多年的研究得到环境温度低于−1.5℃时冻结系数为1[21,22]。本文轻雾凇时的平均温度为−2.83℃，根据上述研究成果冻结系数为 1，水滴撞击绝缘子表面后立即冻结，结合绝缘子水滴撞击和冻结过程，其轻雾凇覆冰集中在伞裙边缘。由于轻雾凇覆冰水滴滴径很小，主要表现为冻结在伞裙边缘的颗粒状小冰粒，且轻雾凇水滴撞击数和水滴撞击密度明显小于雨凇，导致冰粒稀疏，相互间有较多气孔，造成白色外表和较松散的结构。轻雾凇覆冰风速较雨凇小，单位时间向绝缘子输送的水滴数较少，持续时间比雨凇短，约3天，因此其覆冰量较小。此外，随覆冰程度加重，杆径及伞裙上表面也可能出现少量类似结构的冰粒，背风面水滴撞击数相对迎风面可忽略，因此轻雾凇覆冰集中在迎风面，如图 3b所示。

3 结论

本文结合输电线路运行的悬式绝缘子雨凇、轻雾凇覆冰图像、微气象数据和Fluent仿真悬式复合绝缘子覆冰水滴撞击情况，从覆冰的水滴撞击和冻结两个过程入手，理论探讨了输电线路悬式复合绝缘子雨凇、轻雾凇覆冰形成机理，解释了输电线路覆冰图像中观察到的悬式复合绝缘子雨凇、轻雾凇覆冰的形态差异。

1）研究的国内南方地区绝缘子雨凇覆冰典型微气象特征为：温度范围−3.5～0℃，平均温度−0.94℃，覆冰前及覆冰时的最大风速可达7.9m/s，平均风速5.05m/s，湿度基本维持在94%以上，覆冰持续时间约6～7天。

2）研究的国内南方地区绝缘子轻雾凇覆冰的典型微气象特征为：温度范围−7～0℃，平均温度−2.83℃，覆冰前及覆冰时的最大风速可达 7m/s，平均风速2.21m/s，湿度基本大于90%，覆冰持续时间约3天。

3）滴径大于90μm、风速小于3m/s时，悬式复合绝缘子水滴撞击数和水滴撞击密度均有较大幅增大，因此低风速有利于雨凇的形成。

4）雨凇时悬式复合绝缘子伞裙上表面水滴撞击数和撞击密度最大，且冻结系数小于 1，主要表现为伞裙上表面迎风面的冰层和伞裙边缘迎风面的冰凌；而轻雾凇时，伞裙边缘水滴撞击数最多，水滴撞击密度最大，且冻结系数为 1，主要表现为伞裙边缘迎风面的白色、结构松散的颗粒状冰粒。

对覆冰图像观察发现，悬式空气动力型和钟罩型瓷、玻璃绝缘子雨凇、轻雾淞覆冰的形态与悬式复合绝缘子相似，考虑覆冰机理类似，有待进一步验证。

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A Comparative Study on Icing Morphology and Process of Glaze and Light Rime in Suspension Composite Insulators on Transmission Lines

Xue Yiwei1,2Yang Lin1Hao Yanpeng1Gu Yu1Liu Guote1Li Licheng1
（1. School of Electric Power South China University of Technology Guangzhou 510640 China 2. Guangzhou Power Supply Bureau Co. Ltd Guangzhou 510620 China）

Icing morphology is one of the important factors on insulator flashover. Currently, there are no related studies on various types of icing morphologies, their differences, and their causes, and less on microphysical processes of insulator icing morphogenesis. Icing process includes water droplet impacting, capturing and freezing. In this paper, a comparative study on two types of icing such as glaze and light rime on suspension composite insulator, and their differences, based on the monitored images by China southern power grid transmission line disaster (icing) early warning systems. Water droplets collide process with insulators for two types of icing morphologies was simulated via Fluent and the number and density of water droplets colliding on the top surface, the end and the roots of the sheds on the simulated composite insulator were calculated. The freezing process of water drops was investigated through an analysis on micro-meteorological parameters, the reason of icing morphology different was discuss from the drop collide with the insulator process and the drop freezing process.

Insulator, icing morphology, micro-meteorological parameter, hydromechanics, mechanism

TM216

薛艺为 男，1990年生，硕士，研究方向为输变电设备外绝缘。

E-mail: vierixue@sina.cn

郝艳捧 女，1974年生，教授，博士生导师，研究方向为污秽、覆冰和雷电下的输变电外绝缘、大气压介质阻挡放电及关键电力设备绝缘状态诊断等。

E-mail: yphao@scut.edu.cn（通信作者）

国家自然科学基金面上项目资助（51177052）。

2014-04-28 改稿日期 2014-05-26