Wet snow accretion and shedding on overhead conductors

The present work deals with the issues caused by wet snowfall to overhead power lines, as snow peculiar adhesive and cohesive properties lead to the formation of heavy sleeves around the wires, often resulting in damages to the infrastructure. Two models to predict snow mass accretion and liquid water (lwc) content evolution were implemented and compared to experimental data collected by a weather station: the cylindrical growth model of Makkonen and a contextually modified version of the sectional model of Poots and Skelton. Both provided similar results for the midspan section in term of accreted mass. A preliminary experimental activity was carried out to validate the equation that predicts the lwc: it was found that the model underestimates the heat flux by a factor 3.3. A methodology was defined, and specific equipment was designed and built to characterize snow adhesive and cohesive properties. Measurements of snow shear and tensile adhesion to different surfaces treatments were performed, to study the ability of hydrophobic/ice-phobic coatings to reduce wet snow adhesion. The results depended heavily on the coating type: hierarchically textured superhydrophobic treatments were able to reduce wet snow adhesion with respect to the reference case, SLS slippery coating performed better on dry snow. Tests on uniaxial strength of snow were also performed: ductile-brittle transition as a function of strain rate was observed for dry snow, as reported in the literature. Wet snow showed a reduction in strength with respect to dry snow. Shear adhesion strength values were integrated in the sectional accretion model to predict shedding: the results showed the typical loading-shedding mechanism in the sections near the towers and the typical cylindrical growth at midspan. A preliminary activity was undertaken using a 2D finite element model of the midspan cross-section to study the effect of snow time-dependent stress-strain behavior and of a more realistic interfacial stress distribution. The results show that stress concentrate inside the snow sleeve about the cable surface. Snow deformation determines adhesion failure, which in turn, results in an increase of the compressive stress near the top half of the snow-wire interface.

Il lavoro di dottorato tratta il problema causati delle nevicate umide sulle linee aeree, in quanto le peculiari proprietà adesive e coesive della neve portano alla formazione di pesanti manicotti intorno ai cavi, con conseguenti danni all'infrastruttura. Sono stati implementati due modelli per prevedere l'accrescimento della massa di neve e l'evoluzione del contenuto di acqua liquida (lwc). I risultati sono stati confrontati con i dati sperimentali raccolti da una stazione meteorologica: il modello di accrescimento cilindrico di Makkonen e una versione contestualmente modificata del modello sezionale di Poots e Skelton. Entrambi hanno fornito risultati simili per la sezione di mezzeria in termini di massa accumulata. È stata condotta un'attività sperimentale preliminare per convalidare l'equazione che predice la lwc ed è stato osservato che il modello sottostima il flusso di calore di un fattore 3.3. Per caratterizzare le proprietà adesive e coesive della neve, delle apparecchiature sperimentali sono state appositamente progettate e costruite. Si sono eseguite misure dell'adesione a taglio e a trazione della neve diversi trattamenti superficiali, per studiare la capacità dei rivestimenti idrofobici/ghiaccio-fobici di ridurre l'adesione della neve bagnata. I risultati mostrano una forte dipendenza dal tipo di rivestimento: i trattamenti super-idrofobici a struttura gerarchica sono stati in grado di ridurre l'adesione della neve bagnata rispetto al caso di riferimento, mentre il rivestimento “slippery” SLS ha ottenuto risultati migliori sulla neve secca. Sono stati eseguiti anche test sulla resistenza uniassiale della neve: la transizione duttile-fragile in funzione della velocità di deformazione è stata osservata per la neve asciutta, così come riportato in letteratura. La neve bagnata ha evidenziato una riduzione della resistenza rispetto alla neve asciutta. I valori della forza di adesione a taglio sono stati integrati nel modello di accrescimento sezionale per prevedere il distacco del manicotto: i risultati hanno mostrato il tipico meccanismo di accumulo-distacco periodico nelle sezioni vicino alle torri e la tipica crescita cilindrica in mezzeria. È stata intrapresa un'attività preliminare utilizzando un modello 2D agli elementi finiti della sezione trasversale di mezzeria per studiare l'effetto che il comportamento sforzo-deformazione tempo-dipendente della neve ha sulla distribuzione delle sollecitazioni all’interfaccia cavo-neve. I risultati mostrano che le sollecitazioni si concentrano all'interno del manicotto di neve in prossimità della superficie del cavo. La deformazione della neve determina il cedimento dell'adesione, che a sua volta determina un aumento degli sforzi di compressione in prossimità della metà superiore dell'interfaccia neve-cavo.