隨著我國現代化進程的加快，電網輻射范圍不斷擴大，輸送容量逐步提升。電力安全輸送的重要性日益凸顯。我國幅員遼闊，受到氣候、微地形和微氣象等條件的影響，冰災事故時有發生，給電網可靠性帶來了巨大的挑戰。許多地區因為凍雨覆冰造成多種事故，包括絕緣子覆冰閃絡、導線舞動乃至斷線、桿塔倒塌等。

覆冰是空氣中的水以各種形式凝固在物體表面的過程，受到多種環境因素的影響，包括風速、空氣中液態水含量、水滴中值直徑（Median Volume Diameter,MVD）、環境溫度等。覆冰類型多樣，過程較為復雜。

文獻[6]指出風速是影響導線覆冰厚度的重要因素，而環境溫度和液態水含量決定導線覆冰強度的變化。導線覆冰凍結系數可由環境溫度、風速、液態水含量等條件推導得出，并決定導線覆冰方式（干增長、濕增長）以及覆冰類型（雨凇、霧凇或混合淞）。

文獻[8-10]通過人工氣候室控制氣象條件的方式證明環境參數的變化同樣影響不同類型絕緣子表面覆冰的發展。在一定范圍內，環境溫度的降低使得絕緣子表面冰棱增長速度加快，且更粗。水滴中值直徑的增大也將增大絕緣子覆冰速度。相同環境下，不同結構的復合絕緣子覆冰速率不同。而不同的覆冰類型和覆冰程度將直接影響絕緣子電氣性能和冰閃特性。文獻[14,15]得出絕緣子覆冰質量和交直流冰閃電壓呈負指數函數關系。

為進一步研究導線覆冰增長過程，文獻[16-18]基于環境參數建立并完善了導線覆冰數值模型，研究表明：在各項環境參數已知的條件下，導線表面水滴碰撞系數可以通過經驗公式獲得，且實時的導線覆冰冰形和覆冰厚度的數值模擬需完全依賴于準確采集獲得的環境參數值。

受到導線覆冰數值模擬研究的影響，國內一些學者提出建立絕緣子覆冰數值模擬。文獻[19-21]從流體力學出發，根據不同的環境條件，分析計算了絕緣子表面的水滴碰撞捕獲過程，研究表明風速、水滴中值直徑等環境參數是影響絕緣子表面水滴碰撞率的重要因素。

在覆冰條件下，一般的氣象傳感器很難測得MVD及空氣中液態水含量等參數。為準確獲取時變的環境參數，陳凌、蔣興良等設計制作了旋轉多導體裝置，并依據圓導體水滴碰撞率經驗公式建立了覆冰參數計算模型。但是，由于該裝置采用集中方式設計，忽略了覆冰后導體間氣流的相互影響，降低了測量準確度。同時，其采用人工測量的方法，在數據采集上存在高誤差、低效率的缺點，不能滿足自然條件下覆冰參數實時測量的需要。

本文數值分析了不同直徑圓導體的水滴碰撞特性和凍結特性，確定了依據五個不同直徑旋轉圓導體進行覆冰參數預測的方法，建立了基于改進的差分進化算法的反算模型。在試驗驗證部分，自主設計了分散型旋轉圓導體，避免了不同直徑導體覆冰后的相互影響，采用微型拉力傳感器結合采集卡進行信號采集，實現了多個旋轉圓導體覆冰重量的實時監測，通過模型反算，預測了6.7h覆冰環境參數，并對裝置測量數據及模型預測準確性進行了驗證。

圖5 分散型旋轉圓導體和氣象儀

圖6 圓導體覆冰厚度變化及五個旋轉圓導體自然覆冰形態

結論

1）因為水滴碰撞率的差異性，在風速較低、空氣液態水含量較小時，相對大直徑旋轉圓導體，小直徑旋轉圓導體覆冰速率較高；在風速較大、空氣中液態水含量較高時，大直徑圓導體因為表面積優勢，其覆冰速率更高。

2）分散型旋轉圓導體實現了覆冰質量的自動化數據采集，解決了人工測量的高誤差、非連續的缺點，為自然條件下覆冰參數的實時監測提供了可能。

3）在覆冰參數非線性方程組求解過程中，采用窮舉方式的三參數差分進化算法（三參數法），在預測準確性上明顯優于四參數預測法，且減小風速窮舉步長可提高預測準確度。

4）自然環境條件下，環境參數實時改變，分散型旋轉圓導體覆冰速率隨環境參數的改變而改變，三項環境參數（風速、環境溫度、空氣液態水含量）的預測誤差均小于7%。通過五號旋轉圓導體覆冰質量反算，驗證了水滴中值直徑預測相對誤差小于4%。