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架空输电线路覆冰：机理剖析与精准预测模型构建

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代社会，电力供应是保障社会经济稳定运行和人们正常生活的关键要素。架空输电线路作为电力传输的重要载体，承担着将电能从发电厂高效、稳定地输送到各个用电区域的重任。它们纵横交错，跨越山川、平原、河流等各种复杂地形，将电力源源不断地输送到城市、乡村以及各类工业企业，在整个电力系统中占据着不可或缺的地位。

然而，架空输电线路长期暴露于自然环境中，不可避免地会受到各种自然因素的威胁，其中覆冰现象尤为严重。当环境温度、湿度、风速等气象条件达到特定标准时，输电线路表面就会逐渐形成冰层覆盖。相关研究表明，当气温处于0℃以下，空气湿度高于80%，且风速大于1m/s时，线路就具备了覆冰的条件。覆冰现象通常在冬季或春季较为常见，在这些季节里，气温较低，风速较快，一旦遭遇小雨、大雾等天气，水滴大量存在且散发速度慢，就极易在输电线路周围形成雨凇。而在降雨后气温突然下降，或者雨雪天气交替出现时，雪水和冻雨会附着在雨凇表面，进一步增加覆冰厚度。如果在形成过程中多次出现晴冷天气，还会形成混合凇，大大提高线路覆冰的概率。

覆冰对架空输电线路的危害是多方面的，且后果十分严重。从电气性能方面来看，覆冰可能导致绝缘子被覆冰桥接，使绝缘性能大幅下降，泄露距离缩短，从而极易引发绝缘子闪络。当线路覆冰融化时，冰体污秽物中的电解质溶解，会提高冰水的导电性，进一步导致绝缘子串电压分布畸变，增加绝缘子闪络的风险。从机械性能角度而言，线路覆冰会直接增加导线、金属支架等设备的负载。随着覆冰层厚度的不断增加，负载也会持续增大，当超过设备所能承受的极限时，就会导致导线或金属支架断裂，甚至造成杆塔倒塌。此外，输电线路上覆盖冰层厚度的不均匀还会使导线张力失衡，引发导线摆动，进而导致导线折断、杆塔扭曲以及绝缘子损坏等问题。例如，在2008年我国南方地区遭遇的罕见冰灾中，大面积的架空输电线路因覆冰而遭受严重破坏，大量杆塔倒塌、导线断裂，造成了大面积停电事故，给当地的生产生活带来了极大的影响，也给国家经济造成了巨大损失。据不完全统计，此次冰灾导致的直接经济损失高达数百亿元。

鉴于覆冰对架空输电线路安全运行的严重威胁，深入研究覆冰机理和建立准确可靠的预测模型具有极其重要的现实意义。通过对覆冰机理的研究，我们能够从本质上了解覆冰的形成过程、影响因素以及发展规律，为制定有效的防冰、除冰措施提供坚实的理论基础。例如，通过对覆冰过程中水滴与导线的碰撞、冻结等微观过程的研究，可以为研发新型的防冰材料和技术提供方向。而准确的覆冰预测模型则能够提前预知线路覆冰的可能性和覆冰程度，使电力部门能够及时采取相应的防范措施，如提前安排人员进行线路巡检、准备除冰设备等，从而有效降低覆冰灾害带来的损失。同时，覆冰预测模型还可以为输电线路的设计和规划提供参考依据，在新建线路时，通过参考预测模型的结果，合理选择线路路径和设计参数，提高线路的抗冰能力，保障电网的长期稳定运行。

1.2国内外研究现状

随着电力系统的发展和对输电线路可靠性要求的不断提高，架空输电线路覆冰问题受到了国内外学者的广泛关注，在覆冰机理和预测模型方面取得了一系列的研究成果。

在覆冰机理研究方面，国外起步较早。早在20世纪60年代，芬兰学者Makkonen基于热力学和流体力学原理，提出了著名的Makkonen模型，该模型考虑了导线半径、气温、风速、降水率、风吹角度及覆冰时间等因素，通过数值计算方法建立覆冰的增长模型，为覆冰机理研究奠定了重要基础。此后，众多学者在此基础上不断完善和拓展。例如，Y.Sakamoto通过风洞试验，测量单位时间内通过导线的降雪量、风速、温度以及下雨或下雪的临界温度，以统计学的方法建立预测覆冰负荷的数学模型，进一步深入分析了气象因素与覆冰负荷之间的关系。

国内在覆冰机理研究方面也取得了显著进展。重庆大学的孙才新等学者提出了导线覆冰的热平衡方程，推导出了导线覆冰的冻结系数和湿增长覆冰向干增长转变的临界条件模型，该模型以环境温度、风速、水滴直径、空气中液态水含量及导线传输电流为变量，全面考虑了影响覆冰的多种因素，对覆冰过程的理解更加深入。此外，华北电力大学的张暕以流体力学理论为基础，建立了空气与过冷却水滴运动的控制方程，提出了碰撞系数的计算方法；以传热学为基础，完善了现有的导线表面覆冰热平衡方程，提出了改进的冻结系数计算方法，从而建立了覆冰质量和形状的计算方法，为覆冰机理研究提供了新的思路和方法。

在覆冰预测模型研究领域，国外学者P.McComber提出了基于多层神经网络的覆冰预测模型，将气象数据作为神经网络的输入进行训练，得到历史覆冰监测数据与气象因素之间的映射模型，开启了利用智能算法进行覆冰预测的先河。此后，智能计