霧霾對(duì)接觸網(wǎng)絕緣子電位和電場(chǎng)分布的影響

孫超，張友鵬，趙珊鵬

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平快速發(fā)展，因大氣污染而出現(xiàn)的霧霾天氣屢屢發(fā)生，受到人們的廣泛關(guān)注[1?2]。霧霾天氣出現(xiàn)頻率高，覆蓋面積廣，不光給廣大人民群眾的身體健康造成了極大的危害，也影響著輸變電線路設(shè)備的外絕緣閃絡(luò)特性[3]。霧霾天氣一方面導(dǎo)致絕緣子表面污穢程度加重，另一方面絕緣子周邊空氣中懸浮的霧霾顆粒也會(huì)導(dǎo)致絕緣子周邊電場(chǎng)的畸變[4?6]。這與絕緣子的閃絡(luò)密切相關(guān)，因此研究霧霾對(duì)絕緣子電位和電場(chǎng)分布的影響是十分必要的。目前，針對(duì)霧霾環(huán)境下絕緣子電位和電場(chǎng)分布的仿真計(jì)算研究相對(duì)較少，主要以模擬實(shí)驗(yàn)為主。ZHONG等[7]使用ANSYS軟件計(jì)算了空氣中多個(gè)帶電沙粒對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布的影響。程浩[8]采用人工污穢試驗(yàn)的方法研究了沙塵環(huán)境下絕緣子積污和交流閃絡(luò)的特性，同時(shí)對(duì)絕緣子在沙塵暴環(huán)境下的沿面電場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。劉澤輝[9]針對(duì)霧霾對(duì)直流輸電線路離子流場(chǎng)以及污穢的影響開展理論計(jì)算與研究，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下人工模擬了霧霾環(huán)境下絕緣子表面積污的特性。作為研究重點(diǎn)，本文基于有限元法建立霧霾顆粒的仿真模型，對(duì)不同空氣污染程度下的霧霾環(huán)境對(duì)絕緣子沿面電位和電場(chǎng)分布的影響進(jìn)行研究，從而為進(jìn)一步研究霧霾環(huán)境下絕緣子的閃絡(luò)機(jī)理提供一定的參考根據(jù)，對(duì)保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行有重要理論意義和工程價(jià)值。

1 模型建立

仿真對(duì)象選擇 FQBG-25/12硅橡膠復(fù)合絕緣子，結(jié)構(gòu)高度為800 mm，爬電距離為1 600 mm，大傘裙傘徑為180 mm，小傘裙傘徑128 mm，大、小傘裙分別有9個(gè)和8個(gè)。絕緣子的一端金具邊緣所加電壓為接觸網(wǎng)最高網(wǎng)壓的交流峰值41 kV[10]，另外一端接地。絕緣子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 絕緣子結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Drawing of structure of the composite insulator

工頻交流電氣設(shè)備中，不同電位導(dǎo)體間的電位差隨時(shí)間的變化比較緩慢，導(dǎo)體間距離遠(yuǎn)小于相應(yīng)電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)，所以在任一瞬間工頻交流電氣設(shè)備中的電場(chǎng)可近似視作靜電場(chǎng)[11?12]，故采用靜電場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真分析是可行的。由于本文主要研究霧霾顆粒對(duì)傘裙沿面電場(chǎng)的分布影響，因此在計(jì)算時(shí)忽略了導(dǎo)線與桿塔對(duì)絕緣子電場(chǎng)的影響[13]，又由于絕緣子本身是具有軸對(duì)稱特性的物體，可以將模型近似處理作軸對(duì)稱。使用有限元軟件 Comsol Multiphysics將絕緣子模型簡(jiǎn)化為軸截面的一半[14]，并設(shè)置軸對(duì)稱的條件建立簡(jiǎn)化模型，即提高了計(jì)算效率，又不失準(zhǔn)確性。但由于有限元法求解電場(chǎng)問題時(shí)，求解區(qū)域必須是有界閉區(qū)域，因此需要將無界區(qū)域轉(zhuǎn)化為有界區(qū)域。本文采用矩形人工漸近邊界條件，邊界設(shè)定為零電荷。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，離絕緣子較遠(yuǎn)處的顆粒對(duì)于電場(chǎng)的影響幾乎可以忽略，因此只需要在絕緣子附近空氣域中放置霧霾顆粒的模型。

2 清潔環(huán)境下絕緣子的電位和電場(chǎng)分布

絕緣子電場(chǎng)電位分布是由絕緣子幾何形狀，絕緣子兩端所施加的電壓值、構(gòu)成絕緣子的材料的屬性等各種因素決定。為了與處于霧霾環(huán)境下工作的絕緣子電位和電場(chǎng)分布比較，首先仿真得出了清潔絕緣子(絕緣子表面以及絕緣子所處空氣中無污穢顆粒)的電位與電場(chǎng)。由圖2絕緣子電位分布圖和沿面電場(chǎng)分布圖可以看出，高壓端和低壓端金具附近電位梯度較大，并且電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較大。

圖2 清潔絕緣子沿面電位和電場(chǎng)分布Fig. 2 Potential distribution and electric field distribution of clean insulator

由圖3可以得出清潔絕緣子沿面電位由接地的零電位端到高壓端漸漸升高，但由于受絕緣子形狀的影響，絕緣子沿面的電位并不是一直單調(diào)上升，在每一個(gè)傘裙處會(huì)有局部電位下降的趨勢(shì)。由圖3分析可知，絕緣子高壓端和低壓端附近的傘裙承受了較高的電壓，而中間處的傘裙承擔(dān)的電壓相對(duì)兩端來說較低。

圖3 潔凈絕緣子沿面電位曲線Fig. 3 Potential distribution curves of clean insulator

圖4 潔凈絕緣子沿面電場(chǎng)曲線Fig. 4 Electric field distribution curve of clean insulator

如圖4所示，絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度整體呈現(xiàn)出一個(gè)近似的非對(duì)稱“U”形分布，每個(gè)傘裙上電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況相似。

3 空氣中懸浮霧霾顆粒時(shí)絕緣子的電位和電場(chǎng)分布

霧霾顆粒是一種典型的懸浮微粒，懸浮微粒有兩種荷電方式，第一種稱為碰撞荷電，即由于處于電場(chǎng)力作用之下的空間電荷沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)候與懸浮微粒相撞產(chǎn)生的荷電；另一種是由于空間電荷的擴(kuò)散導(dǎo)致的荷電，被稱為擴(kuò)散荷電[15]。

在對(duì)絕緣子周圍霧霾顆粒荷電形式與荷電量進(jìn)行分析時(shí)，采用文獻(xiàn)[9]中以下假設(shè)：

1) 霧霾顆粒大小均勻且為球形，在空氣中為懸浮狀態(tài)；

2) 霧霾顆粒所處位置的電場(chǎng)局部均勻，其電場(chǎng)不影響其他霧霾顆粒的電場(chǎng)分布；

3) 粒徑相同的霧霾顆粒在相同的外部電場(chǎng)下能獲得相同電荷量。

霧霾中的懸浮顆粒物平均直徑在1~2 μm左右，在分析霧霾天氣下的霧霾顆粒荷電時(shí)，起到主要作用的荷電方式是電場(chǎng)荷電，擴(kuò)散荷電可以被忽略。由文獻(xiàn)[15]可知懸浮顆粒的飽和電荷量：

對(duì)于空氣中相對(duì)介電常數(shù)為εr的懸浮顆粒物，上述式子還必須修正為：

式中：a為懸浮顆粒物的半徑；ε0為真空介電常數(shù)；E0為顆粒所在位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度。

由文獻(xiàn)[15]可知霧霾天氣下懸浮顆粒物εr/(εr+2)的值為 0.8。霧霾顆粒在達(dá)到飽和電量所需要的時(shí)間與其在電場(chǎng)中停留時(shí)間相比幾乎可以忽略不計(jì)，因此認(rèn)為霧霾顆粒在電場(chǎng)中可以很快達(dá)到飽和電量，下文中計(jì)算霧霾顆粒的帶電量也考慮的是飽和帶電量。

在計(jì)算飽和帶電量時(shí)，先在軟件中計(jì)算出二維平面的絕緣子電場(chǎng)云圖，然后將所得計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出到后綴名為 txt的電子表格中。在組件的全局定義中，自定義一個(gè)名為int1的內(nèi)插函數(shù)，將剛才所得txt文件導(dǎo)入到函數(shù)中，形成一個(gè)以二維平面坐標(biāo)為自變量，坐標(biāo)所在位置的電場(chǎng)模值為函數(shù)的自定義函數(shù)int1(x, y)。然后在仿真計(jì)算帶電霧霾顆粒的模型中，引用這個(gè)函數(shù)，就可算出懸浮顆粒的飽和電量值。

為分析霧霾顆粒所帶電荷量以及極性對(duì)絕緣子電位和電場(chǎng)分布的影響，仿真中設(shè)置全部帶正電荷、全部帶負(fù)電荷和不帶電3種霧霾顆粒進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。又分別設(shè)置 0.5 μm(以 r1表示)和 1 μm(以 r2表示)2種粒徑的懸浮顆粒。在空氣中設(shè)定2種霧霾天氣條件下的霧霾顆粒數(shù)量。同一環(huán)境中，設(shè)置霧霾顆粒間距均勻。

圖5 霧霾顆粒分布示意圖Fig. 5 Distribution of haze particles

霧霾天氣下污染等級(jí)為重度污染時(shí)顆粒濃度為156個(gè)/cm3(用顆粒數(shù)量n1表示)，嚴(yán)重污染時(shí)顆粒濃度為269個(gè)/cm3(用顆粒數(shù)量n2表示)。分別設(shè)置對(duì)應(yīng)這兩種污染等級(jí)的霧霾顆粒模型進(jìn)行仿真。如圖5所示，為霧霾顆粒的分布示意圖。

3.1 懸浮霧霾顆粒時(shí)絕緣子的電位分布

1) 如圖所示，空氣中懸浮的不帶電霧霾顆粒對(duì)絕緣子沿面電位的影響很小。

2) 當(dāng)懸浮的霧霾顆粒全部帶電且電荷量為其飽和電荷量時(shí)，絕緣子沿面電位與潔凈絕緣子相比變化明顯。

霧霾顆粒帶正電荷時(shí)，絕緣子沿面電位隨霧霾顆粒數(shù)量、粒徑的增加而升高。霧霾顆粒帶負(fù)電時(shí)，絕緣子沿面電位隨顆粒數(shù)量、粒徑的增加而降低。

3.2 懸浮霧霾顆粒時(shí)絕緣子的電場(chǎng)分布

1)由圖 7(a)可知，空氣中懸浮的電中性霧霾顆粒對(duì)絕緣子沿面電場(chǎng)的影響比較微弱。

2) 懸浮顆粒全部帶上電荷時(shí)絕緣子沿面電場(chǎng)的畸變幅度變大。當(dāng)顆粒所帶電極性相同時(shí)，絕緣子沿面電場(chǎng)的畸變程度隨顆粒數(shù)量和粒徑的增大而加大。當(dāng)顆粒濃度、顆粒粒徑相同而所帶電荷極性相反時(shí)，絕緣子高壓處帶負(fù)電的顆粒對(duì)電場(chǎng)影響大于帶正電顆粒對(duì)原有電場(chǎng)的影響；而絕緣子低壓處帶正電的顆粒對(duì)電場(chǎng)的影響大于帶負(fù)電顆粒對(duì)原有電場(chǎng)的影響。從各張圖中都可以看出，顆粒粒徑對(duì)電場(chǎng)和電位的影響程度要大于顆粒濃度的影響。

圖6 不同霧霾環(huán)境條件下絕緣子沿面電位曲線Fig. 6 Potential distribution curves of insulator in different haze environment conditions

圖7 不同霧霾環(huán)境條件下絕緣子沿面電場(chǎng)曲線Fig. 7 Electric field distribution curve of insulator in different haze environment conditions

絕緣子周圍空氣中的懸浮霧霾顆粒不帶電時(shí)，絕緣子周圍環(huán)境中由于空氣與懸浮顆粒介電常數(shù)不同，通過懸浮顆粒時(shí)電位線和電場(chǎng)線會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致絕緣子沿面電位和電場(chǎng)的微小變化。當(dāng)懸浮顆粒荷電后，懸浮顆粒本身形成的電場(chǎng)與絕緣子周圍本身存在的電場(chǎng)疊加，受此影響絕緣子周邊的電位和場(chǎng)強(qiáng)的大小、方向都產(chǎn)生變化，且因顆粒數(shù)量、粒徑和所帶電荷極性的不同而不盡相同，進(jìn)而引起了絕緣子沿面電位與電場(chǎng)的畸變。懸浮顆粒荷電是導(dǎo)致絕緣子沿面電位和電場(chǎng)畸變的重要原因。

4 結(jié)論

1) 懸浮的電中性霧霾顆粒會(huì)輕微造成絕緣子沿面電場(chǎng)和電位的改變。

2) 懸浮微粒荷電后，引起絕緣子沿面電位和電場(chǎng)較大幅度的畸變。

3) 絕緣子沿面電位和電場(chǎng)的畸變程度與絕緣子周圍空氣中霧霾顆粒的濃度、粒徑以及所帶電荷極性有關(guān)。

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