不同时期雪中的盐分迁移现象及环境温度的影响研究

李隆基，郗晓光，刘继平，贾志东，文清丰，王 浩，柳顺楠，胥经纬

（1.国网天津电力公司电力科学研究院，天津300000；2.清华大学深圳研究生院，广东深圳518055）

0 引言

电能是一种十分重要的二次能源，然而，电能的输送离不开电网。由于电能的广泛使用，输电线路需要经过寒冷地带。在这些高寒地区，绝缘子上的覆冰积累会严重影响绝缘子的绝缘性能，甚至会发生闪络事故，引发输电线路跳闸。雪是大气覆冰的类型之一。前人对于覆冰的研究表明，对于电力系统外绝缘危害最大的覆冰类型是雨凇和雾凇，最后才是雪。然而，最近发生了多起绝缘子覆雪闪络事故，引起输电线路跳闸。因此，研究绝缘子覆雪闪络的机理是十分必要的。目前关于绝缘子覆雪闪络的研究主要是收集自然降雪并堆积到绝缘子上，研究在不同条件下雪闪电压的变化[1-3]，包括雪厚、密度、染污程度和电压类型等因素。而盐分在雪中以污秽的形式存，也会影响覆雪的电气性能。王康宁等人研究了过冷却水中的盐分迁移现象，得出盐分会随着液滴的冻结而集中到液相部分，导致冰层表面含盐量增大，在融冰初期融冰水电导率更大，易引发闪络事故[4]。

雪主要分为湿雪和干雪两种类型，其主要区别在于雪中液态水含量的差异。湿雪从微观角度主要由冰颗粒、水颗粒和空气组成[5]；而对于干雪，其中的水大部分以冰的形式存在，微观上水颗粒很少，含水量较低。由于含水量的差异，湿雪相对于干雪更容易引发闪络事故。

对于积雪的含水量测量，有多种方法，包括破坏性方法和非破坏性方法两大类。其中破坏性方法包括离心法、热量测定法[6]；非破坏性方法包括TDR（time-domain reflectometry）[7]、SPA（snow pack analyser）、upGPR（ground-penetrating radar）以及光谱法[8-11]等。

破坏性方法的优点在于可以直接获得含水量数据，不需要拟合，缺点在于测量时间较长且不利于长时间监测。而非破坏性方法正相反。在本文中，由于仅需要在实验室中测量，故采用热量测定法更加合适。热量测定法是通过将雪样送入装有盐溶液的容器中，待溶液温度达到平衡态时测量平衡温度，通过热量守恒方程计算其中的含水量。

对于覆雪绝缘子，闪络往往发生在融雪期内，且在融雪水电导率较高的情况下[12]，故研究不同时期内雪的盐分迁移过程有重大意义。笔者主要关注雪在不同时期的盐分迁移情况，并对环境温度对雪中盐分迁移的影响进行研究。

1 试验设置

本试验在清华大学深圳研究生院的小型气候室内展开，示意图如图1所示。试验前，将玻璃板放入气候室内降温，并设置气候室内温度为-5℃。试验中，覆雪时间约为1.5 h，覆雪过程中气候室内的温度保持在-5℃～-4℃，保证雪均匀覆到玻璃板表面，方便此后分层取样进行分析。

图1 气候室示意图Fig.1 Schematic diagram of the climate chamber

在试验中，雪的盐分通过融雪水电导率来反映。因为雪中的盐分往往以杂质的形式存在，而在融化后，融雪水因为杂质的存在电导率会发生变化，且雪的体积电导率不易测量，故采用融雪水电导率反映盐分的高低。

在覆雪结束后，每次选取一定量的雪进行采样，采样过程中按照垂直高度将雪分为三层，分别收集每层雪样，融化后测量融雪水电导率。

雪中含水量的测量方法有热量法、介电常数测量法等。本试验中采用热量法进行测量。热量法采用将待测雪样放入溶液中，达到平衡后测量平衡温度、质量以及加入雪样前溶液的温度、质量和雪样的温度来进行测量。试验中采用6%的NaCl溶液进行含水量的测定，测定结果以液态水占总雪样质量的质量分数表示。热量测定法相对于其他方法的好处在于易于在实验室或者现场进行，同时可以直接得出含水量数值。

2 不同时期的盐分迁移现象

一般来说，雪在融化时会产生大量的液态水，而盐分作为一种杂质，在雪中会吸附在冰雪颗粒的表面[13]，可能会溶解在下渗的液态水中，进而引发盐分迁移现象。本节主要针对覆雪期、储雪期和融雪期内的雪，研究不同时期内雪的盐分迁移情况。

2.1 覆雪期内的盐分迁移

在覆雪期内，干雪在绝缘子上的增长方式以干增长为主，因此，这个阶段雪中的盐分很难迁移。而湿雪则不同，湿雪在降雪过程中含有大量的水分，落到绝缘子表面后会存在水的冻结过程，故可能会存在盐分迁移现象。试验针对湿雪，在湿雪覆雪完成后立即分层测量其融雪水电导率，直到湿雪中液态水完全冻结。测量每隔10 min进行一次，共计3次。

图2所示为覆雪期内湿雪的盐分迁移变化曲线。在30 min后，湿雪冻结成为固体的冰雪层，故试验停止进行。而从图2中可以看出，上层雪和下层雪的融雪水电导率发生小幅下降，而中层雪的融雪水电导率略有上升，说明在湿雪冻结过程中，盐分存在一定的向下迁移现象。在湿雪刚刚落到绝缘子表面上时，由于液态水含量较高且流动性较强，会有部分盐分随着水分流失，导致测量时下层盐分普遍偏低。由于是在湿雪覆雪结束后开始盐分迁移测量，此时中、下层含水量较少，上层雪含水量较大，使得上层雪到中层雪的盐分迁移比较明显，出现了上层雪盐分减小而中层雪盐分增大的现象。

图2 覆雪期内湿雪的盐分迁移变化Fig.2 Salt migration of wet snow in snow cover period

2.2 储雪期内的盐分迁移

储雪期内的盐分迁移主要是关注雪在一定的含水量程度下，不同雪层的盐分变化。由于在储雪期内雪样的温度维持在-5℃以下，雪样很难融化，故雪中的液态水含量即为雪的含水量。实验中通过改变雪的贮藏温度来改变雪中的含水量，在实验时间内，保持雪贮藏的温度等条件不变，监测24 h内雪层的盐分变化。盐分的变化通过雪层的融雪水电导率反应，每次采集雪样时将雪在竖直方向上平均分为三层，收集每层的积雪，融化后测得融雪水电导率。试验中使用的覆雪水电导率为130 μS/cm。

试验分两组进行，两组的差异仅在雪样的含水量，分别为10%和20%。试验结果如图3和图4所示。

图3 不同雪层融雪水电导率随时间的变化曲线（含水量10%）Fig.3 Snowmelt water conductivity of different layers as a function of time（the water content of snow was 10%）

图4 不同雪层融雪水电导率随时间的变化曲线（含水量20%）Fig.4 Snowmelt water conductivity of different layers as a function of time（the water content of snow was 20%）

图3和图4分别为含水量为10%和20%条件下。从图3和图4可以得出，在储雪期内，上、中、下雪层的融雪水电导率几乎不发生变化，也即无论含水量高低，盐分在储雪期内几乎不会发生变化。其原因可能是液态水的含量有限而不能在重力作用下大规模向下渗透，导致盐分很难发生迁移。

2.3 融雪期内的盐分迁移

在融雪期内雪的盐分迁移试验在室温下进行，为了便于观察室温下雪中盐分迁移的路径，在覆雪水中加入高锰酸钾进行试验，通过高锰酸钾的颜色来标记盐分的迁移路径。试验时，将试验用玻璃绝缘子挂到气候室内，用稀高锰酸钾溶液进行覆雪，覆雪温度控制在-5℃。覆雪结束后，绝缘子放在25℃室温下融化，融化过程如图5所示。

图5 绝缘子上雪的融化过程Fig.5 Melting process of snow on insulators

从图5可以看出，覆雪结束后雪表面呈现淡粉色，颜色很浅。开始融化后，雪表面颜色加深，变为浅粉色，此时表明液态水雪表面出现液态水，溶解了部分高锰酸钾，形成盐溶液，呈现出较深的颜色。雪从边缘部分开始融化，因为此时边缘部分的雪的颜色变为紫色，说明此时出现更多的水分，盐分经由融雪水进行迁移。而边缘部分大面积融化后会留下透明的冰层，不带任何颜色，表明大部分盐分已迁移完毕，同时雪层其他部分变为紫色，开始融化过程。现象表明，雪融化后生成的水在下渗过程中会带走大量的盐分，留下透明的冰层，融化过程由边缘向中心进行。综上所述，雪在融雪期内的盐分迁移现象较为明显，且与融化过程以及温度密切相关。

为了详细研究盐分迁移的过程，持续收集融雪期内的融雪水，每收集约5 mL测量一次电导率，以便观察电导率的变化情况。初始的覆雪水电导率为150 μS/cm。测量结果如图6所示。

图6 融雪水电导率随测量次数的变化曲线Fig.6 The variation of snowmelt water at each measurement

图6中纵轴为融雪水电导率，横轴为测量次数，测量连续进行。融雪水电导率先增大，随后减小，直至低于覆雪水电导率，达到稳定。由于雪的融化最先由边缘部分发生，故最初收集的融雪水的电导率接近覆雪水电导率。而后由于表层雪开始融化，融化形成的水在重力作用下向下渗透，在渗透过程中带走大量的盐分，故融雪水电导率呈现升高的趋势。此后，由于盐分被大量带走，刚刚融化形成的液态水只能带走少量盐分，故而融雪水电导率到达峰值后出现下降的趋势。最后剩余的部分以冰层为主，其融化后电导率很低，使得最后收集到的融雪水的电导率低于覆雪水电导率。

综上所述，融雪水电导率会在融雪初期迅速达到峰值，此后开始慢慢下降。故在融雪初期，融雪水的含盐量较高，电导率更大，更加容易发生闪络事故。

3 环境温度对于盐分迁移的影响

由第二节可知，环境温度对于融雪速率和融化过程有着重大的影响。不同温度场下融雪速率存在一定的差异，故试验中选取相同温度下的雪样放入不同环境温度下进行融雪试验。试验结果如图7和图8所示。

试验在玻璃板表面进行，覆雪时间约1 h，覆雪厚度约为2.5 cm，雪样温度为-7℃。将雪样分别放入温度为17℃和10℃的环境中进行融雪试验，每次间隔10～20 min分层取样，将上、中、下三层雪样分别融化，待完全融化后，测量融雪水电导率。

由图7和图8可以得出，雪在融化过程中存在盐分的向下迁移现象，上层雪的融雪水电导率逐渐减小，即盐分随着雪的融化而向下迁移；而中层雪的盐分会随着上层雪盐分的下渗而先增大，而后自身的盐分向下迁移而减少，融雪水电导率呈现上下波动的趋势；而下层雪即接收从上层迁移下来的盐分，同时会以液态水的形式流失盐分，盐分同样会出现波动的趋势。

图7 环境温度为10℃时融雪期盐分迁移Fig.7 Salt migration during snowmelt period at ambient temperature of 10℃

图8 环境温度为17℃时融雪期盐分迁移Fig.8 Salt migration during snowmelt period at ambient temperature of 17℃

横向对比两个温度下的盐分迁移现象。在环境温度为17℃时，中层雪和下层雪分布在20 min和10 min附近到达极值，而在环境温度为10℃时，对应雪层分别在60 min和40 min达到峰值。前者明显快于后者，说明环境温度会极大改变雪中的盐分迁移速率，而中层雪达到极值的时间高于下层雪，也印证了雪从边界开始向内部融化的猜测。从图7可知，在任意时刻，中层雪的融雪水电导率总是处于上层雪和下层雪之间，而在图8中没有这个现象，中层雪的融雪水电导率一度超过下层雪的融雪水电导率。现象表明，图7中的雪样盐分迁移较为缓慢也即环境温度低时盐分迁移较弱，从而导致上层雪盐分缓慢迁移到中层雪，而中层雪的盐分缓慢迁移到下层雪，而下层雪不会发生剧烈融化，盐分不会大幅流失。而环境温度高时，如图8，此时上层，下层先开始剧烈融化，同时盐分迅速迁移，上层雪中的盐分迁移到了中层雪而中层雪此时融化速率较慢，下渗的盐分较少，使得此时中层雪的盐分增加，超过下层雪。

4 结论

本研究主要针对不同时期雪中的盐分迁移现象进行研究，并讨论了环境温度对雪中盐分迁移的影响，主要有以下结论。

1）覆雪期内干雪几乎不发生盐分迁移过程，而湿雪会发生部分盐分迁移，其主要差别在于雪中液态水含量，表明雪中的盐分迁移离不开液态水的作用。

2）在储雪期内雪样几乎不发生盐分迁移现象，无论雪样的含水量高低，原因在于没有足够的液态水，导致大范围的盐分迁移不会发生，表明盐分迁移发生的必要条件在于足够多的液态水。

3）在融雪期内，雪的盐分迁移现象十分明显。雪由边缘开始融化，且开始时融雪水电导率接近覆雪水电导率，此后随着雪的融化，液态水会带走大量盐分而使得融雪水电导率逐渐升高，在达到峰值之后融雪水电导率逐渐下降，此时雪中的盐分较少，直至盐分几乎被融化形成的液态水带走，剩下含盐量很低的冰层。

4）温度会影响融雪期内盐分迁移的速率。温度越高，雪的融化速率越快，此时的盐分迁移越剧烈。

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