隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，電網(wǎng)輻射范圍不斷擴(kuò)大，輸送容量逐步提升。電力安全輸送的重要性日益凸顯。我國(guó)幅員遼闊，受到氣候、微地形和微氣象等條件的影響，冰災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，給電網(wǎng)可靠性帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。許多地區(qū)因?yàn)閮鲇旮脖斐啥喾N事故，包括絕緣子覆冰閃絡(luò)、導(dǎo)線舞動(dòng)乃至斷線、桿塔倒塌等。

覆冰是空氣中的水以各種形式凝固在物體表面的過(guò)程，受到多種環(huán)境因素的影響，包括風(fēng)速、空氣中液態(tài)水含量、水滴中值直徑（Median Volume Diameter,MVD）、環(huán)境溫度等。覆冰類(lèi)型多樣，過(guò)程較為復(fù)雜。

文獻(xiàn)[6]指出風(fēng)速是影響導(dǎo)線覆冰厚度的重要因素，而環(huán)境溫度和液態(tài)水含量決定導(dǎo)線覆冰強(qiáng)度的變化。導(dǎo)線覆冰凍結(jié)系數(shù)可由環(huán)境溫度、風(fēng)速、液態(tài)水含量等條件推導(dǎo)得出，并決定導(dǎo)線覆冰方式（干增長(zhǎng)、濕增長(zhǎng)）以及覆冰類(lèi)型（雨凇、霧凇或混合淞）。

文獻(xiàn)[8-10]通過(guò)人工氣候室控制氣象條件的方式證明環(huán)境參數(shù)的變化同樣影響不同類(lèi)型絕緣子表面覆冰的發(fā)展。在一定范圍內(nèi)，環(huán)境溫度的降低使得絕緣子表面冰棱增長(zhǎng)速度加快，且更粗。水滴中值直徑的增大也將增大絕緣子覆冰速度。相同環(huán)境下，不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子覆冰速率不同。而不同的覆冰類(lèi)型和覆冰程度將直接影響絕緣子電氣性能和冰閃特性。文獻(xiàn)[14,15]得出絕緣子覆冰質(zhì)量和交直流冰閃電壓呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

為進(jìn)一步研究導(dǎo)線覆冰增長(zhǎng)過(guò)程，文獻(xiàn)[16-18]基于環(huán)境參數(shù)建立并完善了導(dǎo)線覆冰數(shù)值模型，研究表明：在各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)已知的條件下，導(dǎo)線表面水滴碰撞系數(shù)可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，且實(shí)時(shí)的導(dǎo)線覆冰冰形和覆冰厚度的數(shù)值模擬需完全依賴(lài)于準(zhǔn)確采集獲得的環(huán)境參數(shù)值。

受到導(dǎo)線覆冰數(shù)值模擬研究的影響，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者提出建立絕緣子覆冰數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[19-21]從流體力學(xué)出發(fā)，根據(jù)不同的環(huán)境條件，分析計(jì)算了絕緣子表面的水滴碰撞捕獲過(guò)程，研究表明風(fēng)速、水滴中值直徑等環(huán)境參數(shù)是影響絕緣子表面水滴碰撞率的重要因素。

在覆冰條件下，一般的氣象傳感器很難測(cè)得MVD及空氣中液態(tài)水含量等參數(shù)。為準(zhǔn)確獲取時(shí)變的環(huán)境參數(shù)，陳凌、蔣興良等設(shè)計(jì)制作了旋轉(zhuǎn)多導(dǎo)體裝置，并依據(jù)圓導(dǎo)體水滴碰撞率經(jīng)驗(yàn)公式建立了覆冰參數(shù)計(jì)算模型。但是，由于該裝置采用集中方式設(shè)計(jì)，忽略了覆冰后導(dǎo)體間氣流的相互影響，降低了測(cè)量準(zhǔn)確度。同時(shí)，其采用人工測(cè)量的方法，在數(shù)據(jù)采集上存在高誤差、低效率的缺點(diǎn)，不能滿(mǎn)足自然條件下覆冰參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量的需要。

本文數(shù)值分析了不同直徑圓導(dǎo)體的水滴碰撞特性和凍結(jié)特性，確定了依據(jù)五個(gè)不同直徑旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體進(jìn)行覆冰參數(shù)預(yù)測(cè)的方法，建立了基于改進(jìn)的差分進(jìn)化算法的反算模型。在試驗(yàn)驗(yàn)證部分，自主設(shè)計(jì)了分散型旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體，避免了不同直徑導(dǎo)體覆冰后的相互影響，采用微型拉力傳感器結(jié)合采集卡進(jìn)行信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體覆冰重量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)模型反算，預(yù)測(cè)了6.7h覆冰環(huán)境參數(shù)，并對(duì)裝置測(cè)量數(shù)據(jù)及模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖5 分散型旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體和氣象儀

圖6 圓導(dǎo)體覆冰厚度變化及五個(gè)旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體自然覆冰形態(tài)

結(jié)論

1）因?yàn)樗闻鲎猜实牟町愋?，在風(fēng)速較低、空氣液態(tài)水含量較小時(shí)，相對(duì)大直徑旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體，小直徑旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體覆冰速率較高；在風(fēng)速較大、空氣中液態(tài)水含量較高時(shí)，大直徑圓導(dǎo)體因?yàn)楸砻娣e優(yōu)勢(shì)，其覆冰速率更高。

2）分散型旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了覆冰質(zhì)量的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，解決了人工測(cè)量的高誤差、非連續(xù)的缺點(diǎn)，為自然條件下覆冰參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了可能。

3）在覆冰參數(shù)非線性方程組求解過(guò)程中，采用窮舉方式的三參數(shù)差分進(jìn)化算法（三參數(shù)法），在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性上明顯優(yōu)于四參數(shù)預(yù)測(cè)法，且減小風(fēng)速窮舉步長(zhǎng)可提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

4）自然環(huán)境條件下，環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)改變，分散型旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體覆冰速率隨環(huán)境參數(shù)的改變而改變，三項(xiàng)環(huán)境參數(shù)（風(fēng)速、環(huán)境溫度、空氣液態(tài)水含量）的預(yù)測(cè)誤差均小于7%。通過(guò)五號(hào)旋轉(zhuǎn)圓導(dǎo)體覆冰質(zhì)量反算，驗(yàn)證了水滴中值直徑預(yù)測(cè)相對(duì)誤差小于4%。