干冰清洗變電站絕緣子試驗(yàn)

張華榮，馮敏星，徐 綱，梅小云，程小杰

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司東臺(tái)市供電分公司，江蘇鹽城 224200）

0 引言

本次研究側(cè)重于對(duì)干冰清洗變電站絕緣子的效果進(jìn)行試驗(yàn)，因此需要對(duì)清洗接觸網(wǎng)的實(shí)際需求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上制定干冰清洗裝置的設(shè)計(jì)方案，分析干冰清洗裝置在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中的安全性。

在Fluent 仿真軟件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)干冰噴槍?zhuān)芯績(jī)?nèi)容主要包括干冰噴槍的參數(shù)對(duì)干冰顆粒的實(shí)際影響，運(yùn)用田口法進(jìn)一步優(yōu)化干冰噴槍參數(shù)。最終確保干冰清洗可以滿足實(shí)際變電站絕緣子清洗需求。

1 變電站絕緣子污穢閃絡(luò)的狀況

1.1 污穢閃絡(luò)的危害

變電站絕緣子出現(xiàn)污穢閃絡(luò)現(xiàn)象會(huì)造成接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)跳閘，并且污穢閃絡(luò)常見(jiàn)于空氣塵埃大量存在的秋冬時(shí)期。如果變電站絕緣子頻繁出現(xiàn)污穢閃絡(luò)現(xiàn)象就會(huì)妨礙電力系統(tǒng)的正常供電，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電力系統(tǒng)設(shè)備的損壞，污穢閃絡(luò)使供電系統(tǒng)的安全性面臨巨大的挑戰(zhàn)。

盡管現(xiàn)階段在全球范圍內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展一系列的環(huán)保計(jì)劃，但是大氣污染程度仍然在不斷加劇，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞的同時(shí)也造成了輸電線路頻繁出現(xiàn)污穢閃絡(luò)現(xiàn)象。高頻度的污穢閃絡(luò)很容易造成電網(wǎng)故障從而引發(fā)大范圍停電，這種故障會(huì)給電力搶修造成較大的難度，通常需要付出高額的代價(jià)。

1.2 清洗變電站絕緣子的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

當(dāng)輸電線路因?yàn)槲鄯x閃絡(luò)造成故障從而進(jìn)行清洗的方式被稱(chēng)為被動(dòng)維護(hù)。為了避免電力故障的發(fā)生，電力工作部門(mén)需要采取主動(dòng)維護(hù)方式防患于未然?，F(xiàn)階段常見(jiàn)的電路主動(dòng)維護(hù)清洗方式有人為清掃、水沖洗、氣吹沖洗、機(jī)械干清掃、蒸汽清洗、干冰清洗。每一種清洗方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，表1 為現(xiàn)階段各類(lèi)電路清洗方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

表1 各類(lèi)電路清洗方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2 干冰清洗供應(yīng)方案

干冰清洗裝置的主要組成部分有液態(tài)CO2儲(chǔ)存裝置、干冰制造裝置、干冰存儲(chǔ)裝置、干冰輸送裝置、氣壓裝置。

干冰清洗裝置不需要自行設(shè)計(jì)，通過(guò)采購(gòu)即可。干冰作為一種即時(shí)消耗品并不能進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)，因此對(duì)于清洗時(shí)需要使用的干冰可以采取兩種方式：一是將液態(tài)的CO2放入干冰造粒機(jī)，即可獲得干冰；二是直接購(gòu)買(mǎi)。表2 為兩種干冰獲取方式的成本對(duì)比。

表2 兩種干冰獲取方式成本對(duì)比

3 干冰噴槍的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)干冰內(nèi)腔

作為整個(gè)干冰清潔系統(tǒng)的重要組成部分，干冰噴槍的性能直接決定了清洗效果的質(zhì)量。干冰噴槍的性能主要取決于其氣體特性。本次研究中設(shè)計(jì)的干冰噴槍需要滿足以下條件：①噴槍入口壓力在0.5～1 MPa，噴槍出口的風(fēng)速需要≥600 m/s；②干冰顆粒抵達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，速度需要≥300 m/s，有效覆蓋直徑與寬度需要達(dá)到20 cm；③符合安全距離的實(shí)際需求。

3.2 噴槍的流場(chǎng)特性

噴槍的流場(chǎng)特性與干冰顆粒特性受到噴槍內(nèi)腔、輸入壓力、干冰顆粒的尺寸與性狀等因素的影響。

在進(jìn)行Fluent 仿真時(shí)，首先假設(shè)干冰顆粒的持續(xù)相與連續(xù)相具有較小的比率，正因如此干冰顆粒間的相互作用與顆粒相體積占比對(duì)于流體流場(chǎng)特性的影響并不明顯，一般情況下顆粒相的體積占比小于10%～12%，固體相的質(zhì)量占比可以大于10%。本次研究中選用的固體干冰顆粒加載體積的速率為2.12×10-5m3/s，內(nèi)流場(chǎng)空氣流動(dòng)體積速率為2.5×10-2m3/s，二者之間相差3 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在本次研究中選擇了離散相模型進(jìn)行研究。

首先簡(jiǎn)化模型，忽略噴槍自身寬度，在二維平面內(nèi)進(jìn)行仿真模擬。在二維仿真模型中設(shè)定邊界條件：假設(shè)噴槍內(nèi)部氣流為理想化的可壓縮流體，干冰顆粒的密度為1572 kg/m3，直徑4.07 mm，長(zhǎng)3 mm，球形度0.84，質(zhì)量加載速率0.0.3 kg/s，入口壓力0.5 MPa，出口壓力0.1 MPa。干冰的特性決定了干冰的汽化現(xiàn)象且時(shí)間較短，因此在噴槍軸線方向上的計(jì)算區(qū)域不可過(guò)大，經(jīng)查閱相關(guān)資料，最終確定噴槍外流暢計(jì)算區(qū)域?yàn)?.8 m×0.6 m。

4 田口法優(yōu)化干冰噴槍內(nèi)腔

考慮到噴槍的流場(chǎng)特性會(huì)受到結(jié)構(gòu)多種參數(shù)的影響，因此本次研究中使用田口法對(duì)噴槍結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

田口法由日本著名質(zhì)量管理專(zhuān)家田口玄一于20 世紀(jì)70 年代提出。田口法可以有效優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段可以有效避免因產(chǎn)品質(zhì)量造成的一系列問(wèn)題。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中使用田口法可以提升問(wèn)題解決速度以及降低設(shè)計(jì)成本，突破工作瓶頸達(dá)到最終目標(biāo)。

使用田口法實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化有以下具體步驟：

（1）確定品質(zhì)特性。要對(duì)產(chǎn)品的屬性實(shí)現(xiàn)改良或設(shè)計(jì)，需要嚴(yán)格結(jié)合產(chǎn)品的品質(zhì)特性。品質(zhì)特性由對(duì)實(shí)數(shù)進(jìn)行測(cè)量獲得，選擇恰當(dāng)?shù)钠焚|(zhì)特性可以確保產(chǎn)品性能的優(yōu)化。

（2）計(jì)算品質(zhì)特征的理想值。

（3）尋找影響因子。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中常見(jiàn)的影響因子：①信號(hào)，體現(xiàn)產(chǎn)品的反應(yīng)值，為了更好地體現(xiàn)產(chǎn)品的反應(yīng)值有時(shí)可以選取多個(gè)信號(hào)影響因子；②雜音，絕大部分雜音影響因子均為人為不可控因素，因?yàn)殡s音影響因子的存在，常常造成品質(zhì)特征缺失，雜音影響因子可以大致分為外在、零件間變異、損壞；③控制，與雜音影響因子正相反，絕大部分控制影響因子均是人為可控因素。將所以可對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)特性產(chǎn)生影響的控制因子羅列出來(lái)。

（4）水準(zhǔn)確定。雖然對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)特征產(chǎn)生影響的因子有很多，但是即便如此也不是所有的因子都可以作為控制影響因子，因?yàn)橐恍┮蜃訉?duì)于產(chǎn)品品質(zhì)特征的影響微乎其微，可以忽略，故此不作考慮。除此之外一些因子還會(huì)使產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本增加，因此需要對(duì)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行考量從而進(jìn)一步確定控制因子。

（5）在水準(zhǔn)數(shù)控以及控制影響因子數(shù)量的基礎(chǔ)上制作直交表，進(jìn)一步完善試驗(yàn)計(jì)劃。

（6）完成實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)。

（7）分析資料。分析資料的過(guò)程中需要側(cè)重于水準(zhǔn)變化對(duì)于目標(biāo)參數(shù)造成的實(shí)際影響。以計(jì)算得出的影響效應(yīng)對(duì)水準(zhǔn)進(jìn)行不斷地調(diào)整，目的是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品特質(zhì)與預(yù)期效果更加接近。

（8）進(jìn)一步確認(rèn)新的設(shè)計(jì)值。確定控制影響因子的最優(yōu)解組合后，對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)特征值進(jìn)行判斷，隨后將確認(rèn)實(shí)驗(yàn)值與產(chǎn)品品質(zhì)特征值進(jìn)行對(duì)比，如果二者間差距甚微，即可認(rèn)定該解為最優(yōu)解。

5 結(jié)論

由于污穢閃絡(luò)可能造成大面積停電，給生產(chǎn)和生活造成損失，因此電力部門(mén)有必要對(duì)變電站絕緣子污穢顆粒進(jìn)行有效清理，避免污穢閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生。本次研究對(duì)變電站絕緣子污穢閃絡(luò)的狀況進(jìn)行介紹，包括污穢閃絡(luò)的危害、清洗變電站絕緣子的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比；提出干冰清洗供應(yīng)方案；分析清洗作業(yè)實(shí)際需求，包括清潔度需求、清洗裝置要求；對(duì)干冰噴槍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體包括設(shè)計(jì)干冰內(nèi)腔、噴槍的流場(chǎng)特性、噴槍的二維特性；以田口法為基礎(chǔ)對(duì)噴槍內(nèi)腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。