張志勁 黃海舟 蔣興良 胡建林 孫才新

（重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044）

1 引言

輸電線路覆冰被看作是電力系統(tǒng)嚴重自然災害之一。導線和絕緣子覆冰后自重會增大，使橫擔斷裂和金具損壞，嚴重時甚至會出現(xiàn)斷線和倒桿（塔）；覆冰后的絕緣子電氣性能會大幅下降，有可能在運行電壓下發(fā)生冰閃引起線路跳閘，甚至引發(fā)大面積停電，給國民經濟造成巨大損失，國內外對電力系統(tǒng)冰災事故多有報道[1-4]。

覆冰過程主要分為兩部分[5]，一是大氣中的過冷卻水滴隨氣流碰撞導線、絕緣子等結構物的流體力學過程，二是被結構物捕獲的水滴在其表面凍結成冰的熱力學過程。針對覆冰的熱力學過程，國內外開展了大量研究。Messinger[6]在1953年推導出了一維的覆冰過程熱平衡方程，指出了覆冰過程中主要的熱量傳導。1984年Lasse Makkonen[7]進一步完善了Messinger的熱力學模型，并提出凍結系數(shù)這一概念來簡化對覆冰熱平衡的計算。文獻[8]又進一步細化了Lasse Makkonen的熱力學模型，并完整推導出導線覆冰過程的熱平衡方程。以Messinger模型為基礎，國內外學者對覆冰的熱力學過程的研究已較為成熟[9,10]。研究表明，覆冰的熱力學過程與覆冰結構物的形狀基本無關[5]，所以對于不同的覆冰結構物，覆冰的差異主要體現(xiàn)在其流體力學過程上。

國內外對覆冰的流體力學過程也做了大量研究，文獻[11,12]對飛機機翼和風機螺旋槳表面覆冰時的流體力學過程進行了數(shù)值仿真，分析了其表面的流場特性和局部水滴碰撞系數(shù)。導線表面覆冰時的流場較為簡單，可以用經驗公式求出其表面液滴的平均碰撞系數(shù)[8,13]。諸多研究幾乎都是針對飛機機翼和導線等結構較簡單的覆冰結構物，而對結構較為復雜的絕緣子表面覆冰時的流體力學過程研究很少，目前只見有對復合絕緣子表面水滴碰撞特性的研究[14]。而對有冰棱存在后的絕緣子串周圍流體力學特性的研究則未見報道。

本文借助Fluent軟件，求解覆冰過程中復合絕緣子和空氣動力型絕緣子外部三維兩相粘性不可壓縮湍流流場的基本控制方程組，得到絕緣子覆冰過程中的流體力學特性，分析氣液兩相流場對覆冰增長過程和覆冰形態(tài)的影響，并通過人工覆冰加以驗證，同時分析冰棱對絕緣子外部流場的影響，為進一步研究絕緣子覆冰機理提供參考。

2 絕緣子外部流場的數(shù)學模型

覆冰環(huán)境中，絕緣子外的流場為連續(xù)的氣流和離散的過冷卻水滴組成的氣-液兩相流。水滴離散地分布在氣流中，隨氣流一起運動。

2.1 連續(xù)空氣相控制方程

絕緣子外部的空氣流流速較低且雷諾數(shù)較大，通常被看作是不可壓縮流體的湍流流動；且氣流溫度變化很小，所以其密度幾乎不變，符合Boussinesq假設。

本文采用三維雷諾時均N-S方程作為絕緣子外部不可壓縮粘性湍流流場的控制方程[15]，且利用標準k-ε湍流模型[16]實現(xiàn)對RANS方程的封閉。

連續(xù)性控制方程為

動量方程為

式中，k為單位質量流體湍流脈動動能；μt為湍動粘度；δij為克羅內克爾符號；標準k-ε湍流模型包括k方程和ε方程：

k方程

ε方程

式中，ε為單位質量流體湍流脈動動能的耗散率；C1、C2為系數(shù)；σk、σε分別為k和ε的湍流Prandtl數(shù)；Gk為由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；取σk=1.0，σε=1.3，Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92[17]。

2.2 離散水滴控制方程

覆冰過程中的過冷卻水滴直徑一般在微米數(shù)量級，所以在計算水滴軌跡時做如下假設[18]：

（1）水滴以球形存在，分布均勻，在運動過程中不分解、不凝聚、不變形。

（2）水滴運動過程中溫度、粘性、密度等介質參數(shù)不變。

（3）水滴初始速度與自由流速度相等，且水滴繞流對空氣流場無影響，水滴具有湍流擴散。

（4）水滴上的作用力只考慮粘性阻力和重力，忽略Saffman升力，附加質量力、壓差力等。

水滴顆粒離散相拉格朗日方程為

求得水滴速度后，積分即可得水滴運動軌跡。

3 絕緣子外部氣液兩相流場的數(shù)值模擬與分析

本文以三片串FC-100D/146空氣動力型絕緣子和FXBW3-110/100復合絕緣子為研究對象，其基本技術參數(shù)見表1。利用Fluent軟件對絕緣子外部繞流場進行數(shù)值模擬。

表1 試品絕緣子的基本技術參數(shù)Tab.1 Parameters of test specimens

3.1 求解域離散

由于絕緣子結構比較復雜，需要對求解區(qū)域進行離散，然后對控制方程進行近似求解。本文首先采用AutoCAD建立絕緣子的三維參數(shù)化實體模型，然后將其導入GAMBIT進行網格劃分。對整個求解域采用分區(qū)混合網格劃分，在絕緣子表面附近采用較密的四面體網格，而在距絕緣子較遠的區(qū)域則采用較稀疏的六面體網格。空氣動力型絕緣子求解域網格數(shù)約為：1.2×106個，復合絕緣子求解域網格數(shù)約為1.9×106個。

3.2 計算方案及邊界條件

首先采用分離-隱式解法求解控制方程，得到空氣流場后再利用拉格朗日法求解水滴運動軌跡。湍流模型采用標準k-ε模型，利用有限體積法建立控制方程的離散方程，并采用Quick離散格式。采用Standard格式進行壓力插補，速度場采用Simple算法迭代求解。

邊界條件：入口邊界設為速度入口，來流速度v為3m/s，方向與入口截面垂直；出口為出流邊界，按完全發(fā)展邊界條件處理，出口處變量擴散通量為0；湍流參數(shù)選取湍流強度I和湍流特征尺度L，由經驗公式確定l為風洞管道的水力學直徑；絕緣子及冰棱表面均為無滑移壁面邊界，采用標準壁面函數(shù)法處理。

大量試驗結果表明，絕緣子被雨凇冰棱橋接時電氣性能大幅降低[21-23]，因此本文著重從分析絕緣子有無冰棱以及冰棱長短對不同型式絕緣子的流場影響角度出發(fā)進行仿真研究，不對絕緣子覆冰增長動態(tài)過程進行數(shù)值模擬。故作如下簡化處理：將離散相和連續(xù)相的入口邊界速度設為同一值；不考慮水滴與絕緣子及冰棱碰撞時發(fā)生的反彈現(xiàn)象以及絕緣子表面覆冰后對流場和水滴運動軌跡的影響；水滴到達壁面即被捕獲，之后停止對水滴的追蹤，且水滴從出口逃逸后也停止追蹤。

根據(jù)作者對重慶渝東地區(qū)20余年的現(xiàn)場覆冰現(xiàn)象統(tǒng)計表明，現(xiàn)場典型雨凇覆冰氣象條件是：風速1～6m/s；溫度0～-5℃；為使仿真結果與試驗驗證具有可比性，絕緣子流場仿真分析時選擇典型性雨凇覆冰氣象條件下的風速，即取3m/s。

3.3 數(shù)值模擬結果與分析

利用Fluent軟件對覆冰過程中的復合絕緣子和空氣動力型絕緣子在有、無冰棱情況下的流場特性和水滴運動軌跡進行了數(shù)值計算，其流場特性和水滴軌跡計算結果分別如圖1～圖4所示。

圖1 不同型式絕緣子外部流場速度矢量圖（無冰棱）Fig.1 Velocity vector of flow field （no icicle）

圖2 不同型式絕緣子外部流場速度矢量圖（有冰棱）Fig.2 Velocity vector of flow field （with icicles）

圖3 不同型式絕緣子外部水滴運動軌跡（無冰棱）Fig.3 Droplet trajectories of insulator（no icicle）

圖4 不同型式絕緣子外部水滴運動軌跡（有冰棱）Fig.4 Droplet trajectories of insulator（with icicles）

由圖1～圖4可知：

（1）當絕緣子無冰棱時，來流直接撞擊絕緣子迎風面，迎風面連續(xù)相的流速較大，在氣體拽力的作用下，較多的離散相水滴隨氣流與絕緣子迎風面發(fā)生碰撞。對于空氣動力型絕緣子串和復合絕緣子，其迎風面的連續(xù)相速度場無明顯區(qū)別。

（2）當絕緣子無冰棱時，不同型式絕緣子背風面流場差別很大。對于復合絕緣子，氣流在繞過絕緣子桿徑和傘裙的過程中，絕緣子表面會出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，使絕緣子背風面的流速很低，且由于逆壓強梯度作用和絕緣子表面粘性滯止效應，絕緣子背風面有輕微渦流產生，離散相的水滴隨氣流存在回流現(xiàn)象，但由于復合絕緣子傘裙間距和傘裙傾角較小，此回流現(xiàn)象不明顯，所以碰撞到絕緣子背風面的水滴極少。從圖3a中的水滴運動軌跡也可以看出，繞流中的水滴只有極少部分在湍流的作用下碰撞到桿徑兩側傘裙邊緣，而桿徑正后方傘裙表面幾乎不存在水滴碰撞現(xiàn)象；對于空氣動力型絕緣子串，其背風面的流場速度并無明顯減小，且背風面旋渦回流和繞流現(xiàn)象明顯，使較多水滴碰撞到絕緣子表面。這主要是由于絕緣子之間的間距和傾角較大，兩絕緣子對流場的阻擋作用較小，且鋼帽與絕緣子盤徑的相對尺寸較小，來流能很好地繞過絕緣子鋼腳和鋼帽，并伴隨較大的旋渦回流。如圖4a所示，絕緣子背風面的水滴運動軌跡存在明顯的向下脈動趨勢，所以背風面仍能捕獲較多的過冷卻水滴。

（3）當迎風面有冰棱存在后，冰棱會對絕緣子外部氣流場產生影響，如圖2所示，來流被冰棱阻擋，其后的氣流流速有一定程度的降低。冰棱對不同型式絕緣子迎風面流場的影響無明顯差異。

（4）當迎風面有冰棱存在后，冰棱對不同型式絕緣子背風面的流場和水滴運動軌跡的影響不同。從圖4a可以看出，復合絕緣子背風面的水滴軌跡線明顯變疏，且比無冰棱情況下脈動更大，冰棱阻擋了來流中的水滴，使到達復合絕緣子背風面的水滴大大減少。空氣動力型絕緣子背風面的速度場受冰棱的影響相對較小，如圖4b所示，冰棱的存在對來流中的過冷卻水滴有所阻擋，使到達背風側絕緣子表面的水滴量有所減小，但仍有大量水滴能撞擊空氣動力型絕緣子背風面。因此可以預見復合絕緣子背風面覆冰少，而空氣動力型絕緣子背風面仍然有較多的覆冰。

覆冰過程中冰棱在不斷增長，本文利用Fluent軟件對冰棱增長過程中絕緣子外部流場和水滴運動軌跡的變化進行了大量數(shù)值計算，結果表明：

（1）冰棱較短時（l≤15mm），冰棱對兩種絕緣子外部流場和水滴運動軌跡均無明顯影響。覆冰初期，冰棱短而細，分布也很稀疏，此時兩種絕緣子外部流場和水滴運動軌跡都與無冰棱時極為接近，都由各自的結構決定而與冰棱幾乎無關。復合絕緣子背風面依然只能捕獲極少水滴，而空氣動力型絕緣子在強繞流和大旋渦回流的作用下，其背風面能捕獲較多過冷卻水滴。

（2）冰棱較長較粗后（15mm＜l≤80mm），冰棱對復合絕緣子外部流場和水滴運動軌跡的影響逐漸明顯，但對空氣動力型絕緣子的影響依然不大。由于兩種絕緣子結構的不同，復合絕緣子傘裙間距和直徑都較小，此階段冰棱已幾乎將傘裙橋接，且冰棱的分布也較為密集，迎風面冰棱對連續(xù)氣流和離散水滴的阻擋作用較強，使得到達背風面的水滴進一步減少。而空氣動力型絕緣子盤徑和結構高度都較大，此時冰棱仍未橋接，且分布也較為稀疏，冰棱對來流有一定的阻擋作用，但不大，到達絕緣子背風面的水滴仍較多。

（3）冰棱進一步增長后（＞80mm），冰棱對兩種絕緣子外部流場和水滴運動軌跡的影響都較大。此時，冰棱已將復合絕緣子完全橋接，且迎風面?zhèn)闳归g隙已幾乎被密集的冰棱所封閉，所以此時冰棱已將來流完全阻擋，絕緣子背風面無法捕獲到過冷卻水滴。此階段空氣動力型絕緣子逐漸被冰棱橋接，密集的冰棱對來流的阻擋逐漸增強，到達絕緣子背風面的水滴逐漸較少，可以預見，此階段空氣動力型絕緣子串背風面覆冰將明顯較少。

4 不同型式絕緣子覆冰增長試驗驗證與分析

本文主要在流體力學的基礎上，根據(jù)不同型式絕緣子的外部流場特性，以及覆冰過程中流場特性的變化，對絕緣子覆冰增長過程進行分析，對覆冰過程中的熱平衡過程不予分析。根據(jù)前面數(shù)值模擬的結果，氣-液兩相流對覆冰過程的影響主要體現(xiàn)在絕緣子迎風面和背風面覆冰增長的差異上。所以在試驗中，也僅對絕緣子迎風面和背風面覆冰形態(tài)、覆冰厚度、冰棱長度和直徑進行測量分析。

4.1 試驗裝置

試驗是在重慶大學多功能人工氣候室內（直徑7.8m，高度11.6m）進行的，氣候室溫度可控且最低可達-45℃，風速可控制在1～12m/s之間，人工噴霧由IEC推薦的標準噴頭噴出，過冷卻水滴顆粒直徑可控制在20～500μm之間。

4.2 試驗方法

覆冰過程：將試品懸掛在預定位置，降低人工氣候室的溫度至預定覆冰溫度，啟動風速調節(jié)系統(tǒng)使風速達到預定值，開啟噴霧對絕緣子開始覆冰。

測量過程：觀測絕緣子的覆冰增長過程，記錄冰棱橋接情況，并且每半個小時對絕緣子覆冰增長情況進行一次測量。測量包括絕緣子迎風面、背風面的覆冰厚度h、冰棱的平均長度l、冰棱的平均直徑d。

h的測量方法：首先測出未覆冰前絕緣子邊緣的厚度，覆冰過程中測出絕緣子邊緣與冰的總厚度，然后減去之前測得的未覆冰時絕緣子邊緣的厚度，即得各時刻絕緣子表面覆冰厚度h。測量不同絕緣子和傘裙的覆冰厚度，然后取平均值即得兩種絕緣子表面覆冰厚度。

l的測量方法：用游標卡尺測量多根冰棱的長度，取其平均值得到冰棱的長度l。

d的測定方法：用游標卡尺測量多根冰棱的直徑，取其平均值得到冰棱的直徑d。

4.3 試驗結果與分析

對三片串FC-100D/146空氣動力型絕緣子和FXBW3-110/100復合絕緣子在人工氣候室進行了覆冰增長試驗，試驗條件為：風速v=3m/s，溫度T=-5℃，水滴中值體積直徑（MVD）為120μm，液態(tài)水含量（LWC）為110g/m3。此覆冰條件下覆冰增長類型為濕增長，冰表面有水膜存在，形成雨淞覆冰。

4.3.1 流場對覆冰形態(tài)的影響

在人工氣候室進行3h的人工覆冰，并將整個覆冰期均分為覆冰初期、中期、后期三個階段，各階段復合絕緣子和空氣動力型絕緣子的覆冰形態(tài)分別如圖5～圖10所示。由圖5～圖10可知：

圖5 覆冰初期絕緣子迎風面覆冰形態(tài)Fig.5 Ice shape of windward in early icing stage

圖6 覆冰初期絕緣子背風面覆冰形態(tài)Fig.6 Ice shape of leeward in early icing stage

圖7 覆冰中期絕緣子迎風面覆冰形態(tài)Fig.7 Ice shape of windward in mid icing stage

圖8 覆冰中期絕緣子背風面覆冰形態(tài)Fig.8 Ice shape of leeward in mid icing stage

圖9 覆冰后期絕緣子迎風面覆冰形態(tài)Fig.9 Ice shape of windward in late icing stage

圖10 覆冰后期絕緣子背風面覆冰形態(tài)Fig.10 Ice shape of leeward in late icing stage

（1）覆冰初期，絕緣子冰棱細而短，稀疏地分布在空氣動力型絕緣子和復合絕緣子迎風面?zhèn)闳惯吘?，復合絕緣子背風面無冰棱存在，只在傘裙上下表面有少許冰珠，空氣動力型絕緣子背風面和迎風面覆冰形態(tài)無明顯差別，如圖5和圖6所示。由絕緣子外部流場數(shù)值模擬結果可知，這主要是由于來流中的過冷卻水滴直接撞擊絕緣子迎風面，使絕緣子迎風面捕獲的過冷卻水滴較多，過多的過冷卻水在絕緣子邊緣不斷凍結形成冰棱。而背風面幾乎無過冷卻水滴的直接碰撞，對于復合絕緣子，雖然背風面?zhèn)闳归g的流體存在回流現(xiàn)象，但該類型復合絕緣子傘裙和傾角較小，回流現(xiàn)象不明顯，且回流的過冷卻水滴也只有極少部分到達絕緣子表面。這些都導致背風側捕獲的過冷卻水滴太少，無法形成冰棱。而對于空氣動力型絕緣子，雖然迎風面和鋼帽阻擋了來流，使水滴不能直接碰撞背風側絕緣子表面，但繞流和旋渦回流現(xiàn)象明顯，且覆冰初期冰棱對流場幾乎無影響，使得絕緣子背風側表面捕獲的水滴量與迎風側無太大區(qū)別，所以絕緣子迎風面和背風面的覆冰形態(tài)區(qū)別不大。

（2）覆冰中期，冰棱變得長而密，復合絕緣子迎風面?zhèn)闳挂驯徊糠直鈽蚪?，而背風面仍無冰棱存在；空氣動力型絕緣子邊緣的冰棱也粗而長，但分布仍較稀疏，迎風面和背風面冰棱形態(tài)仍無明顯區(qū)別，如圖7和圖8所示。由流場和水滴軌跡計算可知，冰棱對來流具有阻擋作用，使到達復合絕緣子背風側傘裙表面的過冷卻水滴更少，更不會有冰棱形成。而此階段空氣動力型絕緣子迎風面稀疏的冰棱對流場和水滴運動軌跡的影響并不大，其背風側絕緣子表面依然能捕獲較多的水滴，所以迎風面和背風面的覆冰增長區(qū)別不大。

（3）覆冰后期，復合絕緣子迎風面的冰棱幾乎已將傘間隙完全封閉，使絕緣子迎風側形成一個冰棱組成的圓柱面，背風面仍無冰棱存在；空氣動力型絕緣子迎風面也被冰棱橋接，且冰棱較粗，分布也較密集，空氣動力型絕緣子背風面雖然也被部分冰棱橋接，但背風側的冰棱較迎風側細，分布也較稀疏，如圖9和圖10所示。對于復合絕緣子，此時冰棱已經完全阻擋了來流，過冷卻水滴直接碰撞到冰棱表面，已不能到達絕緣子傘裙表面，更不可能到達背風側傘裙表面，所以絕緣子背風側仍無冰棱。而對于空氣動力型絕緣子，此時迎風側的冰棱變得粗而密，對流場影響逐漸變大，對水滴的阻擋逐漸明顯，使背風側捕獲的過冷卻水滴逐漸減少，所以此階段絕緣子迎風側和背風側的覆冰差異逐漸加大。

4.3.2 流場對覆冰增長的影響

覆冰過程中對各時段兩種絕緣子迎風面和背風面的冰棱長度和直徑、覆冰厚度進行了測量。復合絕緣子的試驗結果見表2。

表2 不同型式絕緣子覆冰增長參數(shù)Tab.2 Parameters of ice growth on insulators（單位：mm）

根據(jù)表2畫出兩種絕緣子迎風面和背風面的冰棱長度、冰棱直徑、覆冰厚度增長曲線圖分別如圖11～圖13所示。

圖11 絕緣子冰棱長度l增長曲線Fig.11 The growth curve of icicle length

圖12 絕緣子冰棱直徑d增長曲線Fig.12 The growth curve of icicle diameter

圖13 絕緣子覆冰厚度h增長曲線Fig.13 The growth curve of ice thickness

由表2和圖11～圖13可知：

（1）覆冰過程中，復合絕緣子迎風面和背風面的覆冰增長過程存在明顯差異，而空氣動力型絕緣子迎風面和背風面的覆冰增長無明顯差別。這主要是由于復合絕緣子迎風面和背風面的流場特性存在巨大差異，微弱的繞流和旋渦回流使絕緣子背風面獲得的水滴太少，而空氣動力型絕緣子背風側繞流中的水滴在較強旋渦回流的作用下，大量地碰撞到背風側絕緣子表面，不斷凍結成冰。

（2）隨著覆冰時間的增加，不同型式絕緣子迎風面的冰棱長度和直徑都不斷增加，且與時間的關系為非線性的。覆冰初期，復合絕緣子冰棱長度和直徑分別增長了24.35mm、12.21mm，空氣動力型絕緣子冰棱長度和直徑分別增長了34.52mm、12.31mm，冰棱長度增長較緩，而直徑增長較快；而在冰棱具有一定長度后的中期，復合絕緣子冰棱長度和直徑分別增長了49.89mm、7.57mm，空氣動力型絕緣子冰棱長度和直徑分別增長了63.94mm、5.01mm，冰棱長度增長速度逐漸加快，而直徑的增長變緩，這主要是由于冰棱阻擋了來流，來流中水滴直接碰撞到冰棱上，過多的水加速向冰棱尖部流動，加快了長度的增長值但減緩了直徑的增長；覆冰后期，冰棱已橋接復合絕緣子傘裙，冰棱長度與兩大傘傘裙間距一致，幾乎不再增長，空氣動力型絕緣子冰棱長度繼續(xù)增長，直至將兩絕緣子橋接，此階段增長了48.07mm，而直徑的增長進一步放緩，此階段復合絕緣子和空氣動力型絕緣子冰棱直徑分別增長了2.84mm、2.80mm。

（3）復合絕緣子背風面在整個覆冰期內幾乎都無冰棱存在，由流場分析可知，這主要是背風面捕獲的過冷卻水滴過少造成的?？諝鈩恿π徒^緣子背風面的覆冰增長幾乎與迎風面一致，只在覆冰后期出現(xiàn)稍大差異。三個階段中背風面冰棱長度分別增長了32.87mm、60.30mm和47.17mm，冰棱直徑分別增長了11.48mm、3.59mm和0.44mm?？梢钥闯?，覆冰后期背風面的冰棱直徑幾乎停止增長，這主要是由于迎風面密集的冰棱對來流的阻擋作用已較明顯，使背風面冰棱捕獲的過冷卻水滴較少造成的。

（4）不同型式絕緣子迎風面覆冰厚度的增長也是非線性的，對于復合絕緣子，三個階段分別增長了5.95mm、2.32mm、0.5mm，呈現(xiàn)逐漸變緩的趨勢。這主要是由于覆冰中后期，冰棱阻擋了來流，使碰撞到傘裙表面的水滴減少，特別是后期，冰棱幾乎封閉了傘裙間隙，傘裙表面冰層無法捕獲水滴而停止增長。空氣動力型絕緣子迎風面覆冰厚度增長趨勢也逐漸變緩，原因與復合絕緣子類似，但冰棱對來流的阻擋作用沒有復合絕緣子顯著，覆冰后期覆冰厚度仍有增長，三個階段覆冰厚度分別增長了4.75mm、4.23mm和1.39mm。

（5）復合絕緣子背風面?zhèn)闳贡砻娓脖穸戎辉诒廨^少的覆冰初期有較少增長，增長了2.86mm，中后期即停止增長。這主要是由來流中只有極少水滴碰撞到絕緣子背風面，而當迎風面冰棱增多后，背風面能捕獲的水滴進一步減少造成的?？諝鈩恿π徒^緣子背風面覆冰厚度增長與迎風面區(qū)別不大，只在覆冰中后期，由于迎風面冰棱對來流的阻擋作用漸強，絕緣子背風面捕獲的水滴減少，覆冰厚度增長才明顯減緩，三個階段分別增長了4.34mm、3.41mm和1.43mm。

4.4 現(xiàn)場試驗與分析

上述試驗結果是在風速較低的情況下得到的。利用輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）雪峰山自然覆冰試驗站[24]，對大風速下（＞15m/s）絕緣子的覆冰情況開展的現(xiàn)場觀測研究，絕緣子覆冰情況如圖14所示。

圖14 大風速下絕緣子覆冰情況Fig.14 Ice shape of insulators under large wind speed

由圖14可知：大風速（＞15m/s）情況下，絕緣子將不再形成冰棱，而是在迎風側形成粗密的冰柱面，背風側有少量覆冰，并且絕緣子下表面的凹槽完全被冰填充。試驗研究表明，絕緣子被冰棱完全橋接時，局部電弧將沿著冰棱路徑發(fā)展至閃絡[25]，即在此覆冰情況下，絕緣子電氣性能主要取決于絕緣子串的結構高度，與絕緣子結構型式無關。

5 結論

（1）典型雨凇覆冰氣象條件下，復合絕緣子迎風面和背風面的流場區(qū)別很大，導致覆冰過程中迎風側和背風側捕獲過冷卻水滴的途徑和量都存在顯著差異。來流直接碰撞絕緣子迎風面，使其捕獲大量的水滴，而背風側捕獲的水滴主要來自繞流和旋渦回流，但由于復合絕緣子傘裙間距和傘裙下傾角都較小，旋渦回流現(xiàn)象不明顯，繞流中的水滴也只有極少部分碰撞到傘裙表面。所以絕緣子背風側捕獲的過冷卻水滴很少。

（2）典型雨凇覆冰氣象條件下，空氣動力型絕緣子迎風側和背風側的流場區(qū)別不是很大，背風側流場依然有較高流速，且旋渦回流現(xiàn)象明顯，流體能很好地繞過鋼腳和鋼帽，繞流中較多的水滴在強旋渦回流的作用下與背風側絕緣子表面發(fā)生碰撞，使絕緣子背風側也能捕獲較多的過冷卻水滴。

（3）典型雨凇覆冰氣象條件下，迎風側的冰棱會對連續(xù)氣流場和離散水滴運動軌跡產生影響。冰棱的出現(xiàn)使繞流變得困難，且加強了流體的湍動，冰棱對離散相水滴的阻擋作用，使碰撞到絕緣子背風側的水滴進一步減少。

（4）典型雨凇覆冰氣象條件下，復合絕緣子在人工覆冰環(huán)境下，迎風面與背風面的覆冰形態(tài)和覆冰增長過程都存在很大差異。覆冰主要存在于迎風面，冰棱長度和直徑、覆冰厚度都呈非線性增長；背風面幾乎無冰棱存在，背風側傘裙表面的覆冰極不均勻，桿徑正后方出現(xiàn)明顯的無冰區(qū)。

（5）典型雨凇覆冰氣象條件下，空氣動力型絕緣子在人工覆冰環(huán)境下，迎風面和背風面的覆冰形態(tài)和覆冰增長過程區(qū)別不大。迎風側和背風側覆冰都呈非線性增長，且增長趨勢也相差不大，只在覆冰后期背風側覆冰增長減緩幅度更大。背風側絕緣子表面的覆冰也與迎風側一樣，比較均勻。

（6）典型雨凇覆冰氣象條件下，兩種絕緣子的人工覆冰增長試驗很好地驗證了對其外部流場的數(shù)值模擬。兩種絕緣子的覆冰形態(tài)和覆冰增長過程都與數(shù)值模擬中對流場和水滴軌跡的分析基本吻合。

（7）大風速下（＞15m/s），絕緣子迎風面將形成冰柱面，絕緣子覆冰形態(tài)與其結構型式關系不大。

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