晶释效应论文:覆冰水电解质晶释效应实验与分析

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作者：巢亚锋蒋兴良张志劲胡建林胡琴单位：湖南省电力公司科学研究院输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室

为了深入研究覆冰水在完成由液态至固态的相变后冰晶体中导电物质分布情况的变化，本文在自然环境下进行球形试品的自然覆冰实验，研究不同电导率的覆冰水在一定的气候条件下由液态至固态相变过程中晶释效应对覆冰水中电解质和杂质重新分布的影响，以期为更深入地研究覆冰与绝缘子冰闪电压的关系提供参考。

1实验原理、装置及方法

1.1实验原理

文献[15-16]的研究结果表明，覆冰绝缘子无论属于何种积污方式，在融冰过程中覆冰体表面的水膜很快溶解表层析出污秽物中的电解质，提高了冰面水膜的导电率，从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压。虽然覆冰闪络实验表明：在绝缘子覆冰过程中，绝缘子表面冰层中各点电导率的分布发生了某种变化，大体趋势是靠近冰层表面的电导率更大[16-20]。但绝缘子表面冰层中电导率的分布与覆冰水电导率之间的对应关系，目前还缺少深入的研究。为了定性分析覆冰水在相变过程中的晶释效应，本文选用球形覆冰体作为研究对象，在试品还处于液态时，试品各点的电导率都是一致的。当试品在由液态至固态的相变过程中，试品内部的电导率分布会发生某种变化。假定从球形试品中心向各个方向的变化趋势都是一致的，即如果在相变过程中试品内部电导率分布发生变化，那么在距球心相同距离的a、b两处电导率应该是相同的，如图1所示。

1.2实验方法与试品

实验采用的球形容器半径为34mm，容积为164.6ml，由于球壁很薄，所以忽略其厚度，用去离子水(20≤6S/cm)将小球内外洗净并烘干；试品为6种具有不同电导率的覆冰水，换算至20℃的电导率分别为15、30、90、160、200S/cm和310S/cm。取6只小球为一组，分别向第1至第6只小球中注入电导率为15、30、90、160、200S/cm和310S/cm的溶液164.6ml，将每只小球贴好对应的标签备用，溶液以去离子水(20≤6S/cm)加NaCl配制而成。本文实验在湖南省雪峰山自然覆冰站进行，实验地点海拔1400m，实验期间平均环境温度为-5℃，平均相对湿度大于98%，如图2所示。每种试品都有一个独立的实验架。将盛有试品溶液的球形容器按编号置于覆冰站背风处的水平台上，如图3所示。为了获得稳定的低温条件，本实验在低温雨雪天气进行，实验平台附近安装有与计算机相连接的PTU温度湿度传感器，每隔5min自动记录一次环境温度和相对湿度等环境参数。实验所用小球球壁有一定弹性，试品在由液态至固态的相变过程中不会溢出容器。待球形容器内部试品完成液态至固态的相变过程后，开始进行下一步的测量实验。测量步骤为：1）将实验架移至实验室，用刀片小心划开并除去小球外壳，如图4所示。这里忽略掉试品在相变过程中各向生长速度不一致的影响，即假设试品在完成相变后形状仍为正球形。为了减小人手上汗渍中盐分带来的误差，在此操作过程中实验人员佩戴橡胶手套。2）将去掉外壳的球形覆冰体通过细绳的尾部悬挂于实验架上，在小球的正下方放置一个最大量程为20ml的量杯，小球的最低点与量杯口所在平面相隔35mm。3）开启实验室取暖装置，预设室温为30℃。待环境温度上升后，球形覆冰体表面冰层开始融化，融化的水膜在冰球最低点汇聚成水滴，适当调节温度，使得由融化水膜汇聚而成的水滴每隔510s落下一滴为宜。因为冰层融化速度很慢，这里假定各向融化速度相一致，即t时间内，球形覆冰体冰层融化的厚度x相同，如图5所示。4）每待量杯中的融冰水达到15ml时，取出量杯，并在下一滴融冰水滴落之前迅速换上一只新的量杯，测量融冰水电导率并记录对应温度。

2实验结果及其分析

2.1实验结果

实验期间平均风速小于0.5m/s，冻结时间为481h，实验获得了总共36组数据。将实验所测得球形覆冰体各层的电导率按IEC507:1991折算到20℃下，本文中提到的电导率都是折算到20℃下的电导率。实验结果如表1所示，r为测试点距球心的距离，这里假定测试点为融化水膜层的中点，即r=(ri+rj)/2。其中ri为第i次自然融化前球形覆冰体的半径，rj为第就j次自然融化后球形覆冰体的半径，如图5所示，实验误差在0.2%4.1%之间。为了便于分析，将各层电导率作归一化处理。得到归一化后的融冰水电导率随融冰厚度x的变化如图6所示。由图6可知，冰层表面电导率要明显大于球体中心电导率。

2.2实验结果分析

假定水在由液态至固态相变过程中，导电离子向晶体外层晶释的速率一致，即冰球内部距其外表面相同距离的空间位置的导电离子数目相等。在气候参数相同、覆冰时间相同的情况下，通过拟合，可以得到融冰水电导率随融冰厚度的变化关系可以表示为(1)式中：a、b为常数；γ0为覆冰水电导率；r0为球形覆冰体半径。拟合所得不同覆冰水电导率下式(1)的a、b值如表2所示，其拟合相关系数的平方R2均大于0.990。由表1—2、图4和图6可以看出：1）球形容器中的水冻结后不是完全的正球形状。这主要是因为晶枝在垂直方向上的生长速度大于水平方向的生长速度，因此冻结后形状会发生变化。经过测量，垂直方向与水平方向最终的变形系数约为1.061.10。2）球形容器中的水在完成由液态至固态的相变后，溶体空间中的电导率分布发生了变化，总体趋势是：靠近球形覆冰体表面冰层中的导电离子浓度最大，表层与球心中间部分导电离子浓度最低。3）球形覆冰体融冰水电导率与融化厚度呈负指数关系，这也就是说，融冰水电导率随晶释厚度x的增大而呈下降趋势。4）常数a、b与覆冰水电导率有关。以γ0=30、160和310μS/cm为例，a值分别为0.892、0.915和1.023，b值分别为15.120、23.427和36.890，可见其总体趋势都是随着覆冰水电导率的增大而增大。从实验结果可以看到，在覆冰形成的过程中，冰层中的导电离子向外表面迁移。这种水在冻结过程中的晶释效应与水从液态至固态相变的机制和质量传输机制有关。1）晶释效应的相变机制。从液态至固态相变的机制来看，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水在由液态相变至固态后，几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子[21]。缔合水分子中，每一个氧原子周围都有4个氢原子，其中2个氢原子较近一些，与氧原子之间是共价键，组成水分子；另外2个氢原子属于其他水分子，靠氢键与这个水分子组合在一起。可以看出，这种多个分子组合成的缔合水分子中的水分子排列得比较松散，分子的间距比较大。由于氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化。一是缔合水分子中的各单个分子排列有序，二是各分子间的距离变大[22]。此外，水在由液态至固态的相变过程中，当晶核形成后，晶枝迅速生长直至完全冻结的过程中，会释放大量潜热[23]。作者认为，水在冻结过程中的晶释效应可能是冰层中的导电离子吸收了水冻结过程中释放的潜热，获得了向外层迁移的足够的能量，冰层中水分子之间的距离变大有利于这些粒子的迁移。正是由于这个原因，水中的导电离子会在水由液态至固态的相变过程中向冰层的外表面迁移。2）晶释效应的质量传输机制。从质量传输机制来看，在水由液态至固态相变的过程中，因为冰的生长过程十分缓慢，所以可将这个生长过程看为热力学的平衡过程，也就是说，可以将水由液态至固态相变的过程看作是一个准静态生长过程。一般说来，溶质在固液界面处溶液中的浓度是与晶体生长速率、溶液的自然对流、溶液的强迫对流有关，因而晶体中溶质浓度分布也和这些因素有关。但因为准静态生长过程是十分缓慢的，所以可以认为在晶体生长过程中的任何时刻，溶液中的溶质的分布总是均匀的[24]。在此稀溶体中，水为溶剂，NaCl为溶质。在水由液态至固态相变的过程中，冰–水系统中的NaCl总量是不变的。由质量传输机制可知，作为溶质的NaCl的分凝系数大于1，因此，球形覆冰体外层溶质浓度最高，随着冻结厚度的增加，溶质的浓度逐渐降低。因此，在水由液态至固态的相变过程中，导电离子沿冰块径向分布的规律是：越靠近冰层表面，导电离子浓度越大。

2.3闪络时覆冰电阻的计算

闪络时覆冰电阻与其长、宽和厚度以及覆冰水电导率有关。假定覆冰长为L，宽为W，厚度为d，覆冰水电导率为γ0。假设覆冰为理想纯冰，即密度为0.9g/cm3，并且在融化过程中只有冰层上表面会形成水膜。因为冰层表面水膜电导率是其下层覆冰的100300倍[25]，所以在这里可以认为冰层的电阻要远大于其表层水膜的电阻，因此冰层的电导可忽略。故覆冰总电阻可以表示为(2)其中：L为干弧距离；W为覆冰宽度；γw为表面水膜电导率；tw为表面水膜厚度。将式(1)代入式(2)，可以得到在覆冰水电导率与本文试品电导率一致的情况下，当冰层融化厚度为x(x<d/2)时，闪络时由不同电导率的覆冰水所形成的覆冰的电阻可以表示为(3)在将式(3)应用于覆冰绝缘子串时，还需要引入绝缘子几何校正系数。

3结论

（1）覆冰水由液态至固态的相变过程中，冰层中的导电离子会向外表面迁移。靠近球形覆冰体表面冰层中的导电离子浓度最大。通过实验得到了覆冰水在由液态至固态的相变过程中的晶释效应与覆冰水电导率的关系。2）覆冰水在完成相态转变过程中产生晶释效应的原因与水相变的机制有关，导电离子的晶释效应其实就是晶体(冰)生长过程中溶质(NaCl)的质量传输过程。3）融冰水的电导率与覆冰水的电导率不等价。在绝缘子覆冰闪络的研究中，不能仅考虑覆冰水电导率，因为冰体各层融冰水电导率是不相同的，所以还应考虑覆冰过程中晶释效应对闪络电压的影响。4）闪络时覆冰体总电阻是融冰厚度和覆冰水电导率的函数。覆冰体的总电阻与冰层表面融冰水的厚度、覆冰水初始电导率及覆冰体宽度的乘积成反比。