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作者：巢亞鋒蔣興良張志勁胡建林胡琴單位：湖南省電力公司科學(xué)研究院輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

為了深入研究覆冰水在完成由液態(tài)至固態(tài)的相變后冰晶體中導(dǎo)電物質(zhì)分布情況的變化，本文在自然環(huán)境下進(jìn)行球形試品的自然覆冰實(shí)驗(yàn)，研究不同電導(dǎo)率的覆冰水在一定的氣候條件下由液態(tài)至固態(tài)相變過程中晶釋效應(yīng)對(duì)覆冰水中電解質(zhì)和雜質(zhì)重新分布的影響，以期為更深入地研究覆冰與絕緣子冰閃電壓的關(guān)系提供參考。

1實(shí)驗(yàn)原理、裝置及方法

1.1實(shí)驗(yàn)原理

文獻(xiàn)[15-16]的研究結(jié)果表明，覆冰絕緣子無論屬于何種積污方式，在融冰過程中覆冰體表面的水膜很快溶解表層析出污穢物中的電解質(zhì)，提高了冰面水膜的導(dǎo)電率，從而降低覆冰絕緣子串的閃絡(luò)電壓。雖然覆冰閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)表明：在絕緣子覆冰過程中，絕緣子表面冰層中各點(diǎn)電導(dǎo)率的分布發(fā)生了某種變化，大體趨勢(shì)是靠近冰層表面的電導(dǎo)率更大[16-20]。但絕緣子表面冰層中電導(dǎo)率的分布與覆冰水電導(dǎo)率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，目前還缺少深入的研究。為了定性分析覆冰水在相變過程中的晶釋效應(yīng)，本文選用球形覆冰體作為研究對(duì)象，在試品還處于液態(tài)時(shí)，試品各點(diǎn)的電導(dǎo)率都是一致的。當(dāng)試品在由液態(tài)至固態(tài)的相變過程中，試品內(nèi)部的電導(dǎo)率分布會(huì)發(fā)生某種變化。假定從球形試品中心向各個(gè)方向的變化趨勢(shì)都是一致的，即如果在相變過程中試品內(nèi)部電導(dǎo)率分布發(fā)生變化，那么在距球心相同距離的a、b兩處電導(dǎo)率應(yīng)該是相同的，如圖1所示。

1.2實(shí)驗(yàn)方法與試品

實(shí)驗(yàn)采用的球形容器半徑為34mm，容積為164.6ml，由于球壁很薄，所以忽略其厚度，用去離子水(20≤6S/cm)將小球內(nèi)外洗凈并烘干；試品為6種具有不同電導(dǎo)率的覆冰水，換算至20℃的電導(dǎo)率分別為15、30、90、160、200S/cm和310S/cm。取6只小球?yàn)橐唤M，分別向第1至第6只小球中注入電導(dǎo)率為15、30、90、160、200S/cm和310S/cm的溶液164.6ml，將每只小球貼好對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽備用，溶液以去離子水(20≤6S/cm)加NaCl配制而成。本文實(shí)驗(yàn)在湖南省雪峰山自然覆冰站進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)海拔1400m，實(shí)驗(yàn)期間平均環(huán)境溫度為-5℃，平均相對(duì)濕度大于98%，如圖2所示。每種試品都有一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)架。將盛有試品溶液的球形容器按編號(hào)置于覆冰站背風(fēng)處的水平臺(tái)上，如圖3所示。為了獲得穩(wěn)定的低溫條件，本實(shí)驗(yàn)在低溫雨雪天氣進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)附近安裝有與計(jì)算機(jī)相連接的PTU溫度濕度傳感器，每隔5min自動(dòng)記錄一次環(huán)境溫度和相對(duì)濕度等環(huán)境參數(shù)。實(shí)驗(yàn)所用小球球壁有一定彈性，試品在由液態(tài)至固態(tài)的相變過程中不會(huì)溢出容器。待球形容器內(nèi)部試品完成液態(tài)至固態(tài)的相變過程后，開始進(jìn)行下一步的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。測(cè)量步驟為：1）將實(shí)驗(yàn)架移至實(shí)驗(yàn)室，用刀片小心劃開并除去小球外殼，如圖4所示。這里忽略掉試品在相變過程中各向生長速度不一致的影響，即假設(shè)試品在完成相變后形狀仍為正球形。為了減小人手上汗?jié)n中鹽分帶來的誤差，在此操作過程中實(shí)驗(yàn)人員佩戴橡膠手套。2）將去掉外殼的球形覆冰體通過細(xì)繩的尾部懸掛于實(shí)驗(yàn)架上，在小球的正下方放置一個(gè)最大量程為20ml的量杯，小球的最低點(diǎn)與量杯口所在平面相隔35mm。3）開啟實(shí)驗(yàn)室取暖裝置，預(yù)設(shè)室溫為30℃。待環(huán)境溫度上升后，球形覆冰體表面冰層開始融化，融化的水膜在冰球最低點(diǎn)匯聚成水滴，適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度，使得由融化水膜匯聚而成的水滴每隔510s落下一滴為宜。因?yàn)楸鶎尤诨俣群苈@里假定各向融化速度相一致，即t時(shí)間內(nèi)，球形覆冰體冰層融化的厚度x相同，如圖5所示。4）每待量杯中的融冰水達(dá)到15ml時(shí)，取出量杯，并在下一滴融冰水滴落之前迅速換上一只新的量杯，測(cè)量融冰水電導(dǎo)率并記錄對(duì)應(yīng)溫度。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)期間平均風(fēng)速小于0.5m/s，凍結(jié)時(shí)間為481h，實(shí)驗(yàn)獲得了總共36組數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)所測(cè)得球形覆冰體各層的電導(dǎo)率按IEC507:1991折算到20℃下，本文中提到的電導(dǎo)率都是折算到20℃下的電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，r為測(cè)試點(diǎn)距球心的距離，這里假定測(cè)試點(diǎn)為融化水膜層的中點(diǎn)，即r=(ri+rj)/2。其中ri為第i次自然融化前球形覆冰體的半徑，rj為第就j次自然融化后球形覆冰體的半徑，如圖5所示，實(shí)驗(yàn)誤差在0.2%4.1%之間。為了便于分析，將各層電導(dǎo)率作歸一化處理。得到歸一化后的融冰水電導(dǎo)率隨融冰厚度x的變化如圖6所示。由圖6可知，冰層表面電導(dǎo)率要明顯大于球體中心電導(dǎo)率。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

假定水在由液態(tài)至固態(tài)相變過程中，導(dǎo)電離子向晶體外層晶釋的速率一致，即冰球內(nèi)部距其外表面相同距離的空間位置的導(dǎo)電離子數(shù)目相等。在氣候參數(shù)相同、覆冰時(shí)間相同的情況下，通過擬合，可以得到融冰水電導(dǎo)率隨融冰厚度的變化關(guān)系可以表示為(1)式中：a、b為常數(shù)；γ0為覆冰水電導(dǎo)率；r0為球形覆冰體半徑。擬合所得不同覆冰水電導(dǎo)率下式(1)的a、b值如表2所示，其擬合相關(guān)系數(shù)的平方R2均大于0.990。由表1—2、圖4和圖6可以看出：1）球形容器中的水凍結(jié)后不是完全的正球形狀。這主要是因?yàn)榫еυ诖怪狈较蛏系纳L速度大于水平方向的生長速度，因此凍結(jié)后形狀會(huì)發(fā)生變化。經(jīng)過測(cè)量，垂直方向與水平方向最終的變形系數(shù)約為1.061.10。2）球形容器中的水在完成由液態(tài)至固態(tài)的相變后，溶體空間中的電導(dǎo)率分布發(fā)生了變化，總體趨勢(shì)是：靠近球形覆冰體表面冰層中的導(dǎo)電離子濃度最大，表層與球心中間部分導(dǎo)電離子濃度最低。3）球形覆冰體融冰水電導(dǎo)率與融化厚度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，這也就是說，融冰水電導(dǎo)率隨晶釋厚度x的增大而呈下降趨勢(shì)。4）常數(shù)a、b與覆冰水電導(dǎo)率有關(guān)。以γ0=30、160和310μS/cm為例，a值分別為0.892、0.915和1.023，b值分別為15.120、23.427和36.890，可見其總體趨勢(shì)都是隨著覆冰水電導(dǎo)率的增大而增大。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，在覆冰形成的過程中，冰層中的導(dǎo)電離子向外表面遷移。這種水在凍結(jié)過程中的晶釋效應(yīng)與水從液態(tài)至固態(tài)相變的機(jī)制和質(zhì)量傳輸機(jī)制有關(guān)。1）晶釋效應(yīng)的相變機(jī)制。從液態(tài)至固態(tài)相變的機(jī)制來看，由于水中存在大量單個(gè)水分子，也存在多個(gè)水分子組合在一起的締合水分子，而水在由液態(tài)相變至固態(tài)后，幾乎全部分子締合在一起成為一個(gè)巨大的締合分子[21]。締合水分子中，每一個(gè)氧原子周圍都有4個(gè)氫原子，其中2個(gè)氫原子較近一些，與氧原子之間是共價(jià)鍵，組成水分子；另外2個(gè)氫原子屬于其他水分子，靠氫鍵與這個(gè)水分子組合在一起。可以看出，這種多個(gè)分子組合成的締合水分子中的水分子排列得比較松散，分子的間距比較大。由于氫鍵具有一定的方向性，因此在單個(gè)水分子組合為締合水分子后，水的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。一是締合水分子中的各單個(gè)分子排列有序，二是各分子間的距離變大[22]。此外，水在由液態(tài)至固態(tài)的相變過程中，當(dāng)晶核形成后，晶枝迅速生長直至完全凍結(jié)的過程中，會(huì)釋放大量潛熱[23]。作者認(rèn)為，水在凍結(jié)過程中的晶釋效應(yīng)可能是冰層中的導(dǎo)電離子吸收了水凍結(jié)過程中釋放的潛熱，獲得了向外層遷移的足夠的能量，冰層中水分子之間的距離變大有利于這些粒子的遷移。正是由于這個(gè)原因，水中的導(dǎo)電離子會(huì)在水由液態(tài)至固態(tài)的相變過程中向冰層的外表面遷移。2）晶釋效應(yīng)的質(zhì)量傳輸機(jī)制。從質(zhì)量傳輸機(jī)制來看，在水由液態(tài)至固態(tài)相變的過程中，因?yàn)楸纳L過程十分緩慢，所以可將這個(gè)生長過程看為熱力學(xué)的平衡過程，也就是說，可以將水由液態(tài)至固態(tài)相變的過程看作是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)生長過程。一般說來，溶質(zhì)在固液界面處溶液中的濃度是與晶體生長速率、溶液的自然對(duì)流、溶液的強(qiáng)迫對(duì)流有關(guān)，因而晶體中溶質(zhì)濃度分布也和這些因素有關(guān)。但因?yàn)闇?zhǔn)靜態(tài)生長過程是十分緩慢的，所以可以認(rèn)為在晶體生長過程中的任何時(shí)刻，溶液中的溶質(zhì)的分布總是均勻的[24]。在此稀溶體中，水為溶劑，NaCl為溶質(zhì)。在水由液態(tài)至固態(tài)相變的過程中，冰–水系統(tǒng)中的NaCl總量是不變的。由質(zhì)量傳輸機(jī)制可知，作為溶質(zhì)的NaCl的分凝系數(shù)大于1，因此，球形覆冰體外層溶質(zhì)濃度最高，隨著凍結(jié)厚度的增加，溶質(zhì)的濃度逐漸降低。因此，在水由液態(tài)至固態(tài)的相變過程中，導(dǎo)電離子沿冰塊徑向分布的規(guī)律是：越靠近冰層表面，導(dǎo)電離子濃度越大。

2.3閃絡(luò)時(shí)覆冰電阻的計(jì)算

閃絡(luò)時(shí)覆冰電阻與其長、寬和厚度以及覆冰水電導(dǎo)率有關(guān)。假定覆冰長為L，寬為W，厚度為d，覆冰水電導(dǎo)率為γ0。假設(shè)覆冰為理想純冰，即密度為0.9g/cm3，并且在融化過程中只有冰層上表面會(huì)形成水膜。因?yàn)楸鶎颖砻嫠る妼?dǎo)率是其下層覆冰的100300倍[25]，所以在這里可以認(rèn)為冰層的電阻要遠(yuǎn)大于其表層水膜的電阻，因此冰層的電導(dǎo)可忽略。故覆冰總電阻可以表示為(2)其中：L為干弧距離；W為覆冰寬度；γw為表面水膜電導(dǎo)率；tw為表面水膜厚度。將式(1)代入式(2)，可以得到在覆冰水電導(dǎo)率與本文試品電導(dǎo)率一致的情況下，當(dāng)冰層融化厚度為x(x<d/2)時(shí)，閃絡(luò)時(shí)由不同電導(dǎo)率的覆冰水所形成的覆冰的電阻可以表示為(3)在將式(3)應(yīng)用于覆冰絕緣子串時(shí)，還需要引入絕緣子幾何校正系數(shù)。

3結(jié)論

（1）覆冰水由液態(tài)至固態(tài)的相變過程中，冰層中的導(dǎo)電離子會(huì)向外表面遷移?？拷蛐胃脖w表面冰層中的導(dǎo)電離子濃度最大。通過實(shí)驗(yàn)得到了覆冰水在由液態(tài)至固態(tài)的相變過程中的晶釋效應(yīng)與覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系。2）覆冰水在完成相態(tài)轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生晶釋效應(yīng)的原因與水相變的機(jī)制有關(guān)，導(dǎo)電離子的晶釋效應(yīng)其實(shí)就是晶體(冰)生長過程中溶質(zhì)(NaCl)的質(zhì)量傳輸過程。3）融冰水的電導(dǎo)率與覆冰水的電導(dǎo)率不等價(jià)。在絕緣子覆冰閃絡(luò)的研究中，不能僅考慮覆冰水電導(dǎo)率，因?yàn)楸w各層融冰水電導(dǎo)率是不相同的，所以還應(yīng)考慮覆冰過程中晶釋效應(yīng)對(duì)閃絡(luò)電壓的影響。4）閃絡(luò)時(shí)覆冰體總電阻是融冰厚度和覆冰水電導(dǎo)率的函數(shù)。覆冰體的總電阻與冰層表面融冰水的厚度、覆冰水初始電導(dǎo)率及覆冰體寬度的乘積成反比。