低風速下瓷三傘絕緣子積污特性數(shù)值模擬研究

呂玉坤，李金崗，劉云鵬，史久志，張雪梅，李志超

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.華能發(fā)電有限責任公司太倉電廠，江蘇 太倉 215424)

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低風速下瓷三傘絕緣子積污特性數(shù)值模擬研究

呂玉坤1，李金崗1，劉云鵬1，史久志1，張雪梅1，李志超2

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.華能發(fā)電有限責任公司太倉電廠，江蘇 太倉 215424)

為探討瓷三傘絕緣子表面積污規(guī)律，以XSP-160型瓷三傘絕緣子為研究對象，利用COMSOL模擬了其風洞條件下的積污特性，并與風洞試驗結果進行了對比，結果驗證了此方法的可行性。藉此，用該方法研究了該絕緣子自然條件下的積污特性與沿傘裙積污分布規(guī)律。結果表明：絕緣子表面積污直交比隨風速增大而減小，隨粒徑增大而增加；與交流電和不帶電情況相比，直流電作用下其表面整體積污量及其增長速度更大、更快，而前兩種情況下，積污量相當，且基本不隨粒徑變化；小風速大粒徑直流電作用下的絕緣子沿傘裙表面積污量呈不規(guī)則“U”形分布；隨風速增大、粒徑減小，“U”形分布特性逐漸消失。

瓷三傘絕緣子；自然積污特性；數(shù)值模擬；傘裙

0 引 言

自20世紀以來，大氣污染等問題加重了暴露在大氣中絕緣子表面污穢的沉積，在雨雪、冰露、大霧等潮濕環(huán)境下污層吸濕受潮，導致其電氣絕緣性能劣化，甚至發(fā)生閃絡，嚴重影響電網(wǎng)安全運行[1]。由于絕緣子積污導致的電力系統(tǒng)污閃事故，其發(fā)生的次數(shù)雖然僅次于雷擊事故，但對電力系統(tǒng)外絕緣造成的危害卻是最大的[2]。因此，研究絕緣子積污特性，對預防污閃事故發(fā)生，保證電力系統(tǒng)的安全運行具有十分重要的現(xiàn)實意義。

目前研究方法方面，國內外主要有自然積污試驗[2-3]、人工污穢試驗[4-5]和數(shù)值模擬分析[6-7]等。自然積污試驗法其結果能最真實、最直接地表明絕緣子實際運行條件下的特性。但周期長、易受周圍條件影響，結果分散性大，其研究成果推廣應用尚存諸多困難[8-9]。人工污穢試驗由于其可以根據(jù)需要人為控制并在較短時間獲得大量結果而得到了廣泛應用；但其邊界條件設置很難同自然條件相吻合，結果偏差較大[9-10]。數(shù)值模擬雖然較抽象，在模擬分析過程中，需要進行一定簡化，但其成本低、時間短，并可獲得單一因素的影響[11-12]，且合理的數(shù)值模擬方法對實驗研究和理論分析具有指導作用。

研究成果方面主要有：文獻[13]進行了大量的自然積污試驗研究，總結了污穢在絕緣子表面的沉積規(guī)律。在該方面做出了指導性的研究工作，為人工試驗和數(shù)值模擬提供了大量對比性的數(shù)據(jù)。文獻[14]利用風洞模擬系統(tǒng)進行了沙塵暴環(huán)境下長棒形、三傘型瓷絕緣子和復合絕緣子的帶電積污試驗，對比了三者的空氣動力學性能。得出在風洞所模擬的沙塵暴環(huán)境下，三傘型瓷絕緣子表面積污量最大。但沙塵環(huán)境有一定局限性，且沒有考慮粒徑分布的影響。文獻[15]結合風洞試驗對直流高壓條件下污穢顆粒的運動特性進行了研究，認為在粒徑1～10 μm時污穢顆粒的運動軌跡取決于絕緣子周圍電場分布，大于10 μm時則取決于流體曳力。文獻[16]利用Fluent模擬了塵粒布朗運動、氣流曳力、湍流擴散、重力等因素對絕緣子表面積污的影響，但忽略了電場力作用。

本文以XSP-160型瓷三傘絕緣子為研究對象，利用COMSOL軟件模擬本校風洞條件下絕緣子的積污特性，并與風洞試驗結果進行對比驗證，以探討該方法的可行性。在此基礎上，擬對其自然積污情況進行仿真，分析其自然積污特性以及沿傘裙的積污分布特性。

1 計算方法及控制方程

顆粒運動過程中主要受到重力、穩(wěn)態(tài)曳力、電場力、極化力以及壓力梯度力等作用。其中，極化力、壓力梯度力等均很小，對顆粒運動的影響并不明顯，均可忽略[17～18]。故本文假定顆粒在運動過程中只受重力、穩(wěn)態(tài)曳力和電場力的作用?？刂品匠倘缦?。

電場力：

式中：e為元電荷；E為電場強度；z為顆粒荷電量；

重力：

式中：mp為顆粒重量；ρp為顆粒密度；ρ為空氣密度。

穩(wěn)態(tài)流場的曳力：

式中：τp為顆粒響應時間；u為氣體流速；v為顆粒速度；dp為顆粒粒徑；μ為運動粘度。

顆粒運動特性由下式確定。

積污量的計算：

本文采用拉格朗日模型模擬氣固兩相流(具體邊界及物性條件設置見下文)，并以絕緣子表面灰密值(硅藻土)作為污穢顆粒在絕緣子表面沉積狀況的評價指標。積污量是指在確定的時間段內(如自然積污為5個月)，絕緣子表面單位面積上沉積的污穢量(灰密值)，以NSDD表示，單位為mg/cm2。

積污量的具體計算方法：利用comsol的統(tǒng)計功能，獲得模擬積污時長時絕緣子傘裙表面污穢顆粒的沉積總數(shù)，并將其換算為風洞試驗積污時長時的積污量。其計算公式為

式中：n為傘裙表面污穢顆粒沉積的總數(shù)，軟件中可以直接獲??；ξ為時間系數(shù)；m為單個顆粒質量；ts為風洞試驗積污時間；tp為積污模擬時長；S為絕緣子傘裙總表面積。

2 風洞試驗簡介及其數(shù)值模擬結果的對比分析

2.1 本校閉式風洞試驗簡介

本校風洞積污模擬試驗[19]裝置如圖1所示。試驗在低速段(10.5 m×1.1 m×0.8 m)進行，風速為自然微風：4 m/s。限于試驗段結構，選XSP-160型瓷三傘絕緣子3片垂直懸掛，串長為0.51m，絕緣子實物如圖2所示。以下傘裙鋼腳為高壓端，上傘裙鐵帽為接地端，試驗電壓及范圍：DC，±12 kV～±36 kV，電壓持續(xù)作用于整個積污過程。污穢顆粒試樣：細沙、硅藻土與Nacl顆粒以6∶6∶1混合的混合物，粒徑分別為100 μm、50 μm、100 μm，密度分別為2.32 g/cm3、0.47 g/cm3、2.165 g/cm3。試驗中主要測量絕緣子傘裙表面的灰密值(硅藻土)作為積污量，每種情況重復3次取其平均。

圖1 風洞試驗室結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of Wind Tunnel Laboratory

圖2 瓷三傘絕緣子物理模型及傘裙劃分 Fig.2 Geometrical model and sheds division of Porcelain Three Umbrella Insulators

2.2 風洞積污特性數(shù)值模擬研究

2.2.1 物理模型建立及網(wǎng)格劃分

瓷三傘絕緣子風洞試驗低速段的幾何物理模型如圖3所示。對應風洞試驗中低速段的幾何結構尺寸構建相同的長方體，并在其外部建立一個厚度為100 mm的虛擬區(qū)域——“無限元域”——電磁波的吸收區(qū)域。在保證計算精度的前提下，絕緣子表面使用自由剖分三角形網(wǎng)格，其它區(qū)域使用自由剖分四面體網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格無關性驗證后，確定網(wǎng)格數(shù)量為70萬時可以較好的權衡計算精度和計算時間的影響。

圖3 風洞試驗低速段幾何物理模型及邊界條件示意圖Fig.3 Geometric model of the low-speed test section of the wind tunnel and the boundary conditions

2.2.2 邊界及物性條件設置

流場采用時均法，為更好地處理高應變率及較大流線彎曲程度的流動，選擇RNGk-ε模型。在圖3中，流場入口為速度入口，以4m/s的速度垂直速度入口均勻送入空氣；出口為壓力出口；其余四個面設為壁面，采用壁面函數(shù)求解速度、壓力分布；電磁場計算區(qū)域外邊界為默認的電絕緣邊界條件；在“粒子追蹤”模塊中定義施加到顆粒上的各力，顆粒從入口隨風送入。

2.2.3 數(shù)值模擬結果與試驗結果對比分析

圖4為絕緣子表面積污量的風洞試驗結果和數(shù)值模擬結果對比圖。由圖4可知，數(shù)值模擬結果的積污量小于風洞試驗結果，但兩者屬于同一量級，整體上隨直流電壓變化趨勢一致且呈“V”形分布。雖然風洞數(shù)值模擬結果與試驗結果存在一定的差異，但規(guī)律性較為吻合，從而驗證了本文采用的數(shù)值模擬方法是可行的。

圖4 絕緣子表面積污量的風洞試驗和數(shù)值模擬結果對比圖Fig.4 Comparison of wind tunnel test results with simulation results

風洞實驗與仿真結果出現(xiàn)的差異在一定程度上是由以下因素造成的：

(1)鋼腳、鐵帽等金屬部件的復雜結構在局部高壓區(qū)域下可能造成空間場強畸變，從而影響顆粒的運動軌跡。

(2)污穢顆粒物的荷電情況極為復雜，實際情況中顆粒荷電量的極性及大小不斷變化，影響顆粒所受電場力大小，這一點在本文的數(shù)值模擬方法中尚無法完全實現(xiàn)。受資源限制，無法完整復現(xiàn)風洞實驗的整個動態(tài)積污過程。

3 瓷三傘絕緣子自然積污特性數(shù)值模擬

基于上文模擬方法對XSP-160型瓷三傘絕緣子自然積污特性進行數(shù)值模擬，分析在直流、交流以及不帶電情況下，風速、粒徑等對絕緣子自然積污特性的影響以及污穢沿絕緣子傘裙的分布特性。

3.1 自然積污仿真模型建立

建立與風洞試驗數(shù)值模擬類似的自然積污物理模型，其網(wǎng)格剖分及傘裙編號如圖5所示，選取7片絕緣子串。邊界條件設置如下：風速分別為0.5、3、5 m/s，粒徑分別為5、10、20 μm。對應7片絕緣子的電壓等級，在絕緣子上分別施加90 kV直、交流電壓，且持續(xù)作用于整個模擬過程。其它條件的設置同風洞試驗。

圖5 自然積污模型計算區(qū)域網(wǎng)格剖分及傘裙編號示意圖Fig.5 Schematic diagram of grid in natural pollution model computing area and numbering of various sheds of the porcelain insulator

3.2 瓷三傘絕緣子自然積污特性影響因素分析

以XSP-160型瓷三傘絕緣子表面整體積污量和沿其傘裙的積污分布情況來分析絕緣子的自然積污特性。積污模擬時間段對應為10月至次年3月的少雨季節(jié)，即模擬絕緣子在積污期內的污穢自然沉積情況。

3.2.1 顆粒受力量級分析

要研究污穢顆粒在絕緣子表面的沉積特性，首先要清楚顆粒所受重力、曳力、電場力的相對大小關系。圖6為不同粒徑顆粒所受的氣流曳力及電場力相對于重力的大小。其中負號代表方向相反。

圖6 曳力及電場力相對于重力的大小Fig.6 Drag force and the electric force relative to the size of gravity

由圖6可知：dp分別為10 μm和20 μm時，顆粒所受各力中，曳力均最大，重力次之，電場力最小。在上述兩種粒徑下，曳力比重力分別大兩個和一個量級，電場力與重力在同一個量級，即曳力比電場力也大1～2個量級。故顆粒受曳力作用最大。

3.2.2 風速對自然積污的影響分析

圖7為絕緣子表面整體積污量與風速的關系曲線。由圖7可知，絕緣子表面整體積污量隨風速增大而增加，小粒徑下(≤10 μm)增加得更明顯，在20 μm粒徑下隨風速的變化趨于平緩，說明在一定范圍內粒徑越大，風速對積污的影響越弱，積污量隨風速的增加趨于飽和；絕緣子表面積污量的直交比隨風速增大而減小。

圖7 積污量與風速關系Fig.7 Deposition vs. wind speed curve

風速通過對流場曳力的影響，進而影響絕緣子表面積污量。風速較小時，顆粒在流場曳力作用下跟隨氣流在空間中運動，流經(jīng)絕緣子附近時，顆粒跟隨氣流掠過絕緣子表面，發(fā)生碰撞的概率較低，故積污量較??；隨風速增加，顆粒自身的慣性作用逐漸增強并大于對氣流的跟隨性，污穢顆粒在絕緣子表面附近運動時易偏離氣流軌道，與絕緣子表面發(fā)生碰撞概率增大，最終導致絕緣子表面積污量增加。

3.2.3 粒徑對自然積污的影響分析

圖8 不同風速下積污量隨粒徑變化曲線Fig.8 Deposition vs. particle size curve

不同風速條件下積污量隨粒徑變化如圖8所示。對比圖8可知：不同風速時直流電作用下的絕緣子的積污量隨著顆粒粒徑的增大而持續(xù)增加。這是因為：顆粒重力同其粒徑的三次方成正比關系。隨著粒徑的增加，顆粒的重力增加，顆粒比表面積(顆粒面積與顆粒質量的比值)減少，流場湍流脈動對顆粒單位面積作用力雖然也是增加的，但隨著粒徑增加，其相比重力增加得較少；重力增加后，顆粒的慣性作用增強。相比小粒徑顆粒，大粒徑的顆粒重力作用明顯，自身慣性作用較強，氣流跟隨性減弱，故容易偏離氣流軌道，從而與絕緣子發(fā)生碰撞，此時重力作用沉降也會增強，而小粒徑顆粒由于自身慣性作用弱，對氣流的跟隨性強，不容易偏離氣流軌道而隨風繞過傘裙表面。因此，隨著粒徑的增加，顆粒在傘裙表面碰撞概率增加。由圖8還可知：與不帶電和交流電作用下相比，絕緣子表面積污量及其增長速度直流電作用下更大、更快，而前兩種情形下積污量相當，且基本不隨粒徑變化。絕緣子表面積污量的直交比隨粒徑增大而增加。

3.2.4 沿絕緣子傘裙的積污分布特性

圖9 積污量沿傘裙分布情況Fig.9 The quantity of contamination along distribution umbrella group parachute skirt

圖9為絕緣子表面積污量沿傘裙的分布情況。由圖9可知：直流電作用下，1號和7號傘裙的積污量明顯較其它傘裙大，絕緣子表面積污量沿傘裙呈不規(guī)則“U”型分布。1號和7號傘裙電勢、場強較大，帶電顆粒在電場力的作用下脫離空氣氣流，與絕緣子表面發(fā)生碰撞，因此積污量較大。中間位置3、4、5號傘裙場強較小，顆粒所受電場力不足以脫離原運動軌跡，遂跟隨氣流掠過絕緣子，與傘裙表面發(fā)生碰撞的概率較低，故中間位置傘裙的積污量較少。

對比圖9(a)和9(c)，同粒徑不同風速，大風速(5 m/s)直流電作用下的積污曲線完全偏離“U”型分布。對比圖9(c)和9(d)，同風速不同粒徑，大粒徑(10 μm)直流電作用下的曲線呈“U”型分布。說明在大風速(5 m/s)、小粒徑(5 μm)下，直流電場力的影響較弱，顆粒不足以克服流體曳力的影響使其脫離原運動軌跡與絕緣子表面發(fā)生碰撞并沉積。

綜上所述，在小風速大粒徑下，直流電作用下絕緣子表面積污量沿傘裙呈不規(guī)則“U”形分布，高壓端和接地端積污量較大；隨著風速增大、粒徑減小，“U”形分布的特征逐漸消失，電場力的作用對絕緣子表面積污的影響減弱。

4 結 論

經(jīng)分析，瓷三傘絕緣子數(shù)值模擬結果與風洞試驗結果積污量的數(shù)量級相同，整體上隨直流電壓的變化趨勢一致且呈“V”形分布，驗證了本文所采用的模擬方法的可行性。通過對自然積污的數(shù)值模擬，主要得出以下結論：

(1)絕緣子表面積污量及其增長速度在直流電作用下更大、更快，而不帶電和交流電作用下積污量相當且基本不隨粒徑變化。

(2)絕緣子表面積污量的直、交流積污比隨風速增大而減小，隨粒徑增大而增加。

(3)小粒徑下(≤10 μm)積污量隨風速增加而增加的趨勢更明顯，在20 μm粒徑下隨風速的變化趨于平緩，說明在一定范圍內粒徑越大，風速對積污的影響越弱，積污量隨風速的增加趨于飽和。

(4)小風速、大粒徑下，直流電作用下絕緣子表面積污量沿傘裙呈不規(guī)則“U”形分布，高壓端和接地端積污量較大；隨風速增大粒徑減小，“U”形分布的特性逐漸消失，電場作用對絕緣子表面積污的影響減弱。

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Numerical Simulation Study on Pollution Accumulation Characteristics of Three Umbrella Porcelain Insulators under Low Wind Speed Condition

LV Yukun1, LI Jingang1, LIU Yunpeng1, SHI Jiuzhi1, ZHANG Xuemei1, LI Zhichao2

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Taicang Power Station of China Huaneng Group, Taicang 215424, China)

In order to investigate the pollution accumulation rule on the surface of three umbrella porcelain insulators. Using COMSOL, a simulation of the pollution accumulation characteristics of the XSP-160 Porcelain Three Umbrella Insulators was conducted in the wind tunnel at North China Electric Power University, and the simulation results were compared with the results from the wind tunnel test conducted at the campus. The verification results confirm the rationality of the simulation method. Based on these results, the natural contamination characteristics of the insulator and the distribution of pollution along umbrella skirt were analyzed by this method. The results show that the propportion of NSDDDCto NSDDACon the insulator surface decreases as the wind speed increases, and increases with increasing particle size. Compared with AC voltage and the unelectrified state, DC voltage leads to a greater overall deposition of contaminants on the insulator surface and a faster rate of increase. However, the values of the deposition under AC voltage and the unelectrified state are similar, they essentially do not change with increasing particle size. In the small wind speed or large particle size, the deposition along umbrella groups has a irregular “U” type distribution under DC condition. With the increase of wind speed or the decrease of particle size, the feature of "U" type distribution gradually disappear.

three umbrella porcelain insulators; natural pollution accumulation characteristics; numerical simulation; umbrella skirt

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.09

2016-03-07.

國家電網(wǎng)公司科技團隊項目(GY7111053).

TM216

A

1007-2691(2016)05-0055-07

呂玉坤(1964-)，男，副教授，主要從事絕緣子積污特性、泵與風機節(jié)能技術以及大型回轉機械經(jīng)濟運行方面的研究；李金崗(1990-)，男，碩士研究生，主要從事絕緣子積污特性、汽輪機在線監(jiān)測系統(tǒng)方面的研究；劉云鵬(1976-)，男，教授，主要從事特高壓輸電技術、電氣設備在線檢測和故障診斷等方面研究。