Глава 1 Метеоусловия гололедообразования и его последствия
Виды и параметры гололедно-изморозевых отложений
В настоящее время общепринятой является следующая классификация видов гололедных осадков, отлагающихся на поверхности конструкций (в том числе на проводах и опорах ВЛ электропередачи), сооружений и наземных предметов:
- гололед (стекловидный или матовый);
- зернистая (плотная) изморозь;
- кристаллическая изморозь (инеевидный осадок);
- отложение мокрого снега,
- различные смеси этих осадков (сложное отложение).
Гололедные отложения создают внешние механические нагрузки на провода и опоры ВЛ электропередачи. Для каждой территории в зависимости от климатических условий уровень нагрузок различный. При проектировании ВЛ необходим обязательный учет этих нагрузок, которые регламентируются «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) [I].
Метеорологические и синоптические условия гололедных отложений рассмотрены в работах [2-6]. Обледенение наземных предметов возникает в основном из воды, находящейся в атмосфере в парообразном и жидком состоянии при отрицательных температурах воздуха и увеличении его влажности до 60-100%, сопровождающихся следующими атмосферными явлениями: туман, морось, дождь, крупа, мокрый снег, дымка.
Атмосферный лед образуется вследствие двух принципиально различных процессов: сублимации пара и кристаллизации (замерзания) находящейся в воздухе воды в виде переохлажденных капель. Первый вид льда, возникающий от непосредственного перехода водяного пара в твердое состояние, называется сублимационным льдом, а второй - водным льдом [6]. Простой, на первый взгляд, механизм образования атмосферного льда усложняется тем, что в природе не всегда обособленно проявляются процессы сублимации и кристаллизации, а происходит их наложение друг на друга, в результате создается сложная картина роста льда.
Процесс сублимации значительно облегчается наличием на наземных предметах микроскопически мелких, не видимых для глаза ледяных частиц. Образование последних может происходить как в результате осаждения молекул воды из водяного пара, так и в результате других зародышевых форм воды, связанных с конденсацией пара и последующим замерзанием. В меньшей мере такие твердые частицы льда могут попасть на предмет извне (обломки снежинок и кристаллов).
Возникновению сублимационного льда в переохлажденном тумане благоприятствуют низкие отрицательные температуры, слабые ветры и малые размеры переохлажденных капель. При этих условиях капли испаряются вблизи кристалла, вызывая тем самым его дальнейший сублимационный рост. В некоторых случаях капли при их больших размерах и скорости движения не успевают испариться вблизи кристалла. Тогда они осаждаются на нем к виде ледяного бисера.
Сублимационный лед во всех его многообразных видах имеет ярко выраженную внешнюю кристалличность и очень малую плотность. Эти и другие признаки отличают его от водного льда, который относится обычно к тяжелым видам обледенения. Исследования В.В. Бургедорфа [5] показали, что сублимация водяного пара играет второстепенную роль в образовании отложений и что размеры и структура последних определяются прежде всего процессом замерзания переохлажденных капель воды.
Водный лед образуется в результате кристаллизации переохлажденной воды. Основную массу его формируют переохлажденные капли дождя, мороси и тумана. Замерзание переохлажденных капель зависит от их размера и скорости охлаждения. По господствующему в настоящее время представлению, существование переохлажденных капель неразрывно связывается с природой жидкости и ее фазовыми превращениями. В результате флуктуаций (неоднородности), обусловленных молекулярно-тепловыми движениями, в системе возникают твердые зародыши внутри жидкости (капли). Эти зародыши, имеющие микроскопические размеры (близкие к размерам молекул) и обладающие кристаллической решеткой, являются теми элементами, которые приводят к неустойчивому состоянию воды. Основным условием для появления зародышей твердой фазы воды является низкая температура капли и ее медленный рост или испарение. Переохлажденное состояние капельной воды нарушается не только вследствие образования ледяного зародыша внутри капли, но и в результате соприкосновения ее с твердым телом. Последнее обстоятельство ускоряет кристаллизацию воды, делает ее как бы вынужденной. Так, в результате осаждения переохлажденных капель на провода и другие предметы возникает гололед и другие сходные с ним явления.
Существенно важным с гонки зрения физики обледенения наземных предметов является вопрос о структуре льда, возникающего вследствие кристаллизации переохлажденных капель. Наблюдения показывают, что осаждение мелких капель вызывает рыхлую зернистую структуру льда, а крупных - стекловидную. Такое различие во внешней структуре льда объясняется рядом причин, но прежде всего размером капель и степенью их переохлаждения. Мелкие капли, сталкиваясь с предметами, тотчас же замерзают, сохраняя в основном сферическую форму. При замерзании их освобождается небольшое количество скрытой теплоты, которая быстро уносится с общим течением воздуха.
Другую картину наблюдаем при столкновении крупных переохлажденных капель воды с предметами. Эти капли замерзают постепенно и, разливаясь по поверхности предмета, соединяются с вновь выпадающими каплями, образуя стекловидную корку льда. Такой постепенный процесс слияния капель объясняется их недостаточным переохлаждением и большим выделением скрытой теплоты. Последняя повышает температуру замерзающей воды нередко до 0° и тем самым препятствует быстрому образованию льда.
Скорость замерзания капель зависит от их размера, температуры воздуха и поверхности предмета, на котором замерзают капли, т.е. все эти факторы влияют и на структуру образовавшегося осадка. Следует отметить, что интенсивность процесса гололедообразования зависит также от наличия уже отложившегося льда и температуры его поверхности [5].
Плотность любого вида гололедных осадков колеблется в значительных пределах и зависит как от конкретных метеорологических условий процесса, так и от высоты и особенностей местности. Последнее, конечно, является следствием специфики протекания метеорологических процессов в тех или иных типах рельефа и высотных зонах.
Плотность отложений на проводе ВЛ определяется по формуле
Рис. 1.1. Провод с гололедной муфтой
где р — плотность, г/см3; Р — гололедная нагрузка, Н/м; аб - большой диаметр отложения (см. рис. 1.1), мм; ам - малый диаметр отложения, мм; dnp - диаметр провода, мм.
Одним из важнейших вопросов физики гололедообразования является исследование факторов, определяющих структуру отложений, т. е. вероятность появления гололедных или изморозевых формаций.
Каждый гололедо-изморозевый период, представляющий собой промежуток времени от начала образования отложения до его полного разрушения, состоит из более мелких периодов нарастания и частичного испарения отложения, в результате чего вес, размеры и структура последнего непрерывно меняются и лишь в отдельные промежутки времени могут оставаться постоянными. Указанные изменения связаны с непрерывными колебаниями значений метеорологических параметров, определяющих характеристики отложения в каждый момент времени.
Далее рассматриваются характерные плотности для каждого вида отложения.
Гололед. Среднее значение плотности гололеда изменяется от 0,6 до 0,90 г/см, причем в горных районах среднее значение объемного веса меньше, чем на равнине. Это обстоятельство можно объяснить особенностями явлений, сопутствующих гололеду. На равнинах он чаще образуется при выпадении дождя и мороси, тогда как в горах - при тумане или низкой облачности, а размеры капель дождя значительно больше, чем тумана. Кроме того, в горах гололед образуется при более низких температурах, чем на равнине. В среднем плотность гололеда считается равной 0,75 г/см3 . На рис 1.2-1.4 представлены фотографии образовавшегося на тросе 2- цепной ВЛ 35 кВ гололеда, которые были сделаны в январе 1980г. в районе Прикалаусских высот Ставропольского края. На рис. 1.3 хорошо виден стекловидный характер гололеда, а следовательно, его плотность составляет 0,80-0,90 г/см3.
Рис.1.2. Гололедная муфта на тросе ВЛ 35кВ
Рис. 1.3. Разрезы гололедной муфты, образовавшейся на тросе ВЛ 35кВ
Рис. 1.4. Обрезанный трос ВЛ 35кВ с гололедом
Зернистая изморозь. Отложение характеризуется большим диапазоном значений плотности от 0,1 до 0,6 г/см3. Для равнинно-холмистой территории среднее значение объемного веса зернистой изморози, согласно [7], обычно принимается равным 0,1 г/см3. В горных районах это значение несколько больше и составляет 0,25-0,30 г/см3. Такое различие можно объяснить особенностями микроструктуры туманов, при которых образуется зернистая изморозь. Обычно размеры капель и водность в облаках нижнего яруса больше, чем в туманах. А так как в горах чаще бывает низкая облачность, чем на равнине, то это может влиять на объемный вес зернистой изморози, который в горах оказывается больше, чем на равнине. На рис. 1.5, 1.6 показано образование плотной изморози на ВЛ 110кВ в Ставропольском крае.
В горных районах при повышенных скоростях ветра может наблюдаться также плотная изморозь с заметными механическими включениями (иногда изменяющими ее цвет), имеющая плотность от 0,25 до 0,65 г/см3 (в среднем 0,35—0,40 г/см3).
Мокрый снег. Плотность мокрого снега также колеблется в диапазоне от 0,1 до 0,6 г/см3 и в среднем принимается 0,2 г/см3.
Кристаллическая изморозь. Обычно кристаллическая изморозь имеет малую плотность (0,01-0,09 г/см3, в среднем 0,05 г/см3) и с точки зрения веса не является опасной для ВЛ, однако при большом размере отложений резко увеличиваются ветровые нагрузки.
Рис.1.5. Плотная изморозь на проводах ВЛ 110кВ
Смесь. Плотность сложных отложений в большинстве случаев колеблется в диапазоне 0,25-0,5 г/см3.
Важнейшей характеристикой процесса гололедообразования является интенсивность нарастания (испарения) отложений. Величина нарастания (испарения) характеризуется количеством отложившегося (испарившегося) в единицу времени льда, т. е. скоростью роста (испарения) отложений по весу Vp и диаметру Va.
Скорости роста (испарения) отложений за промежуток времени между двумя наблюдениями Δί могут быть рассчитаны по формулам:
где Р1 и а1 — вес единицы длины и диаметр отложения в момент первого измерения; Р2 и а2 — вес единицы длины и диаметр отложения при последующем измерении.
Процесс отложения гололедного осадка с колебаниями интенсивности или временным прекращением может длиться от нескольких часов или суток до 2-3 месяцев и даже более. При продолжительном процессе отложения на проводах и опорах ВЛ возникают особо опасные образования массой 10-20 κι м и более. Например, на Урале и 1985г. непрерывное обледенение прочета ИЛ продолжалось 28 дней. Масса плотной изморози при этом достигала 86,2 кг/м. В некоторых районах опасные отложения мокрого снега могут возникать очень быстро (до I часа), такое происходит, например, на Черноморском побережье Северного Кавказа, особенно в районе Новороссийска.
Рис.1.6. Линия 110кВ с образованием плотной изморози на проводах и тросе
Сильные обледенения в горных районах преимущественно связаны не с гололедом, а с плотной изморозью и смесями. В отдельных районах это мокрый снег. Например, для горных зон Сахалина было получено следующее распределение повторяемости видов отложений [2]: смеси - 37%, плотная изморозь - 33%, кристаллическая изморозь - 20%, мокрый снег - 6%, гололед - 4%. Анализ степени опасности обледенений по возможной максимальной массе отложений показывает: на первом месте находятся смесь и плотная изморозь, на втором - мокрый снег и на третьем - гололед. Разумеется, в некоторых районах порядок их может меняться.
В случае несимметричного эллиптического осадка зачастую необходимо знать соотношение между большим и малым диаметрами отложения. В работах В. В. Бургсдорфа, Н. С. Муретова и Л. В. Рудневой было установлено, что это отношение меняется в зависимости от физико-географических условий района и особенностей самого промесса образования гололеда или изморози. На основании указанных работ было принято
для гололеда и
для зернистой изморози и смеси (см. рис. 1.1).