晶釋效應論文:覆冰水電解質晶釋效應實驗與分析

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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研究院輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室

為了深入研究覆冰水在完成由液態至固態的相變后冰晶體中導電物質分布情況的變化，本文在自然環境下進行球形試品的自然覆冰實驗，研究不同電導率的覆冰水在一定的氣候條件下由液態至固態相變過程中晶釋效應對覆冰水中電解質和雜質重新分布的影響，以期為更深入地研究覆冰與絕緣子冰閃電壓的關系提供參考。

1實驗原理、裝置及方法

1.1實驗原理

文獻[15-16]的研究結果表明，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，提高了冰面水膜的導電率，從而降低覆冰絕緣子串的閃絡電壓。雖然覆冰閃絡實驗表明：在絕緣子覆冰過程中，絕緣子表面冰層中各點電導率的分布發生了某種變化，大體趨勢是靠近冰層表面的電導率更大[16-20]。但絕緣子表面冰層中電導率的分布與覆冰水電導率之間的對應關系，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，本文選用球形覆冰體作為研究對象，在試品還處于液態時，試品各點的電導率都是一致的。當試品在由液態至固態的相變過程中，試品內部的電導率分布會發生某種變化。假定從球形試品中心向各個方向的變化趨勢都是一致的，即如果在相變過程中試品內部電導率分布發生變化，那么在距球心相同距離的a、b兩處電導率應該是相同的，如圖1所示。

1.2實驗方法與試品

實驗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)將小球內外洗凈并烘干；試品為6種具有不同電導率的覆冰水，換算至20℃的電導率分別為15、30、90、160、200S/cm和310S/cm。取6只小球為一組，分別向第1至第6只小球中注入電導率為15、30、90、160、200S/cm和310S/cm的溶液164.6ml，將每只小球貼好對應的標簽備用，溶液以去離子水(20≤6S/cm)加NaCl配制而成。本文實驗在湖南省雪峰山自然覆冰站進行，實驗地點海拔1400m，實驗期間平均環境溫度為-5℃，平均相對濕度大于98%，如圖2所示。每種試品都有一個獨立的實驗架。將盛有試品溶液的球形容器按編號置于覆冰站背風處的水平臺上，如圖3所示。為了獲得穩定的低溫條件，本實驗在低溫雨雪天氣進行，實驗平臺附近安裝有與計算機相連接的PTU溫度濕度傳感器，每隔5min自動記錄一次環境溫度和相對濕度等環境參數。實驗所用小球球壁有一定彈性，試品在由液態至固態的相變過程中不會溢出容器。待球形容器內部試品完成液態至固態的相變過程后，開始進行下一步的測量實驗。測量步驟為：1）將實驗架移至實驗室，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，即假設試品在完成相變后形狀仍為正球形。為了減小人手上汗漬中鹽分帶來的誤差，在此操作過程中實驗人員佩戴橡膠手套。2）將去掉外殼的球形覆冰體通過細繩的尾部懸掛于實驗架上，在小球的正下方放置一個最大量程為20ml的量杯，小球的最低點與量杯口所在平面相隔35mm。3）開啟實驗室取暖裝置，預設室溫為30℃。待環境溫度上升后，球形覆冰體表面冰層開始融化，融化的水膜在冰球最低點匯聚成水滴，適當調節溫度，使得由融化水膜匯聚而成的水滴每隔510s落下一滴為宜。因為冰層融化速度很慢，這里假定各向融化速度相一致，即t時間內，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到15ml時，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，測量融冰水電導率并記錄對應溫度。

2實驗結果及其分析

2.1實驗結果

實驗期間平均風速小于0.5m/s，凍結時間為481h，實驗獲得了總共36組數據。將實驗所測得球形覆冰體各層的電導率按IEC507:1991折算到20℃下，本文中提到的電導率都是折算到20℃下的電導率。實驗結果如表1所示，r為測試點距球心的距離，這里假定測試點為融化水膜層的中點，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，實驗誤差在0.2%4.1%之間。為了便于分析，將各層電導率作歸一化處理。得到歸一化后的融冰水電導率隨融冰厚度x的變化如圖6所示。由圖6可知，冰層表面電導率要明顯大于球體中心電導率。

2.2實驗結果分析

假定水在由液態至固態相變過程中，導電離子向晶體外層晶釋的速率一致，即冰球內部距其外表面相同距離的空間位置的導電離子數目相等。在氣候參數相同、覆冰時間相同的情況下，通過擬合，可以得到融冰水電導率隨融冰厚度的變化關系可以表示為(1)式中：a、b為常數；γ0為覆冰水電導率；r0為球形覆冰體半徑。擬合所得不同覆冰水電導率下式(1)的a、b值如表2所示，其擬合相關系數的平方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后不是完全的正球形狀。這主要是因為晶枝在垂直方向上的生長速度大于水平方向的生長速度，因此凍結后形狀會發生變化。經過測量，垂直方向與水平方向最終的變形系數約為1.061.10。2）球形容器中的水在完成由液態至固態的相變后，溶體空間中的電導率分布發生了變化，總體趨勢是：靠近球形覆冰體表面冰層中的導電離子濃度最大，表層與球心中間部分導電離子濃度最低。3）球形覆冰體融冰水電導率與融化厚度呈負指數關系，這也就是說，融冰水電導率隨晶釋厚度x的增大而呈下降趨勢。4）常數a、b與覆冰水電導率有關。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，可見其總體趨勢都是隨著覆冰水電導率的增大而增大。從實驗結果可以看到，在覆冰形成的過程中，冰層中的導電離子向外表面遷移。這種水在凍結過程中的晶釋效應與水從液態至固態相變的機制和質量傳輸機制有關。1）晶釋效應的相變機制。從液態至固態相變的機制來看，由于水中存在大量單個水分子，也存在多個水分子組合在一起的締合水分子，而水在由液態相變至固態后，幾乎全部分子締合在一起成為一個巨大的締合分子[21]。締合水分子中，每一個氧原子周圍都有4個氫原子，其中2個氫原子較近一些，與氧原子之間是共價鍵，組成水分子；另外2個氫原子屬于其他水分子，靠氫鍵與這個水分子組合在一起。可以看出，這種多個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，因此在單個水分子組合為締合水分子后，水的結構發生了變化。一是締合水分子中的各單個分子排列有序，二是各分子間的距離變大[22]。此外，水在由液態至固態的相變過程中，當晶核形成后，晶枝迅速生長直至完全凍結的過程中，會釋放大量潛熱[23]。作者認為，水在凍結過程中的晶釋效應可能是冰層中的導電離子吸收了水凍結過程中釋放的潛熱，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。正是由于這個原因，水中的導電離子會在水由液態至固態的相變過程中向冰層的外表面遷移。2）晶釋效應的質量傳輸機制。從質量傳輸機制來看，在水由液態至固態相變的過程中，因為冰的生長過程十分緩慢，所以可將這個生長過程看為熱力學的平衡過程，也就是說，可以將水由液態至固態相變的過程看作是一個準靜態生長過程。一般說來，溶質在固液界面處溶液中的濃度是與晶體生長速率、溶液的自然對流、溶液的強迫對流有關，因而晶體中溶質濃度分布也和這些因素有關。但因為準靜態生長過程是十分緩慢的，所以可以認為在晶體生長過程中的任何時刻，溶液中的溶質的分布總是均勻的[24]。在此稀溶體中，水為溶劑，NaCl為溶質。在水由液態至固態相變的過程中，冰–水系統中的NaCl總量是不變的。由質量傳輸機制可知，作為溶質的NaCl的分凝系數大于1，因此，球形覆冰體外層溶質濃度最高，隨著凍結厚度的增加，溶質的濃度逐漸降低。因此，在水由液態至固態的相變過程中，導電離子沿冰塊徑向分布的規律是：越靠近冰層表面，導電離子濃度越大。

2.3閃絡時覆冰電阻的計算

閃絡時覆冰電阻與其長、寬和厚度以及覆冰水電導率有關。假定覆冰長為L，寬為W，厚度為d，覆冰水電導率為γ0。假設覆冰為理想純冰，即密度為0.9g/cm3，并且在融化過程中只有冰層上表面會形成水膜。因為冰層表面水膜電導率是其下層覆冰的100300倍[25]，所以在這里可以認為冰層的電阻要遠大于其表層水膜的電阻，因此冰層的電導可忽略。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率與本文試品電導率一致的情況下，當冰層融化厚度為x(x<d/2)時，閃絡時由不同電導率的覆冰水所形成的覆冰的電阻可以表示為(3)在將式(3)應用于覆冰絕緣子串時，還需要引入絕緣子幾何校正系數。

3結論

（1）覆冰水由液態至固態的相變過程中，冰層中的導電離子會向外表面遷移。靠近球形覆冰體表面冰層中的導電離子濃度最大。通過實驗得到了覆冰水在由液態至固態的相變過程中的晶釋效應與覆冰水電導率的關系。2）覆冰水在完成相態轉變過程中產生晶釋效應的原因與水相變的機制有關，導電離子的晶釋效應其實就是晶體(冰)生長過程中溶質(NaCl)的質量傳輸過程。3）融冰水的電導率與覆冰水的電導率不等價。在絕緣子覆冰閃絡的研究中，不能僅考慮覆冰水電導率，因為冰體各層融冰水電導率是不相同的，所以還應考慮覆冰過程中晶釋效應對閃絡電壓的影響。4）閃絡時覆冰體總電阻是融冰厚度和覆冰水電導率的函數。覆冰體的總電阻與冰層表面融冰水的厚度、覆冰水初始電導率及覆冰體寬度的乘積成反比。