典型粉塵污染源下絕緣子積污粒徑特征及其影響研究

張東東，劉 欣，楊成順，黃宵寧，張志勁，陳 杰，邱 剛

（1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院 江蘇 南京 211103）

0 引言

隨著我國工業(yè)持續(xù)飛速發(fā)展，大氣污染問題愈加嚴(yán)重，致使輸電線路外絕緣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境日益嚴(yán)峻，污閃現(xiàn)象時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，局部地區(qū)污閃事故頻發(fā)，污閃事故數(shù)量在電網(wǎng)事故總數(shù)中排第2位[1]。絕緣子表面污穢分布受污穢顆粒粒徑的影響而產(chǎn)生差異[2]，污穢不溶成分會影響污層的附水性以及電導(dǎo)率，進(jìn)而影響絕緣子的污閃特性[3-5]。因此，研究污穢地區(qū)絕緣子的積污特性，降低污閃風(fēng)險，對輸配電外絕緣的設(shè)計與指導(dǎo)具有重要意義。

工業(yè)粉塵污穢更容易在輸電線路外絕緣設(shè)備表面沉積。前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鹽城工業(yè)園區(qū)內(nèi)鎳廠、化工廠附近絕緣子表面積污差異明顯，鎳廠附近絕緣子表面積污較為嚴(yán)重，污層較厚且較為松散，呈塊狀；化工廠附近絕緣子表面積污致密稀薄，呈垢狀。邵仕超等[6]通過對上述絕緣子表面污穢采樣，開展了污穢成分檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明兩種區(qū)域下絕緣子表面污穢成分仍以NaCl、硫酸鹽等為主，兩種粉塵污染源下絕緣子表面污穢成分基本相似。因此，考慮是污穢顆粒粒徑造成了上述積污差異。

目前，國內(nèi)外學(xué)者通過建模及試驗(yàn)?zāi)M研究了顆粒粒徑對絕緣子積污特性的影響。文獻(xiàn)[7-10]建立了污穢顆粒積聚模型以及流場和電場作用下的積污仿真模型，提出了污穢顆粒在復(fù)合絕緣子表面的沉積判據(jù)；文獻(xiàn)[11]分析了直流線路絕緣子的污穢粒徑特征，發(fā)現(xiàn)正、負(fù)極線路污穢粒徑分布差異明顯，絕緣子上、下表面污穢粒徑分布大致相同；文獻(xiàn)[12-13]分析了瓷絕緣子表面污穢粒徑的分布區(qū)間，發(fā)現(xiàn)粒徑分布受濕度和風(fēng)速影響較大；文獻(xiàn)[14]通過風(fēng)洞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絕緣子下表面的污穢分布受傘形影響較大，在4.5 m/s的風(fēng)速下絕緣子表面污穢度達(dá)到峰值；文獻(xiàn)[15-16]分析了污穢分布的影響因素，得到玻璃材質(zhì)絕緣子表面污穢粒徑大于復(fù)合材質(zhì)絕緣子，粒徑為1～20 μm的顆粒受電場影響顯著，隨著風(fēng)速、粒徑的增大，電場影響減弱；文獻(xiàn)[17-19]提出，霧霾環(huán)境與自然環(huán)境下絕緣子的積污差異較小，但高污穢環(huán)境下絕緣子的積污程度較重，粒徑為0.2～100 μm。

上述研究在一定程度上分析了污穢顆粒沉積與其粒徑的關(guān)系，但是少有結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際分析工業(yè)粉塵地區(qū)的污穢顆粒粒徑特征，且定性地提出顆粒粒徑與沉積率的關(guān)系。本文以鹽城工業(yè)園區(qū)鎳廠、化工廠附近絕緣子為對象，研究典型工業(yè)粉塵地區(qū)污穢顆粒粒徑分布特征，同時建立污穢顆粒沉積模型，基于此模型進(jìn)行仿真及風(fēng)洞試驗(yàn)，提出污穢顆粒粒徑對絕緣子表面積污特征的影響，為典型工業(yè)粉塵地區(qū)外絕緣配置及防污措施的開展提供參考。

1 工業(yè)粉塵地區(qū)污穢粒徑特征分析

1.1 試品

試品取樣地點(diǎn)為江蘇省境內(nèi)鹽城市響水經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，該區(qū)域降雨多集中在6～8月，平均降水量在900 mm左右，平均風(fēng)速約為3 m/s，相對濕度約為82%，屬于微風(fēng)、高濕環(huán)境，利于污穢沉積。

試品結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，試品如圖1所示。

表1 試品參數(shù)Tab.1 Test sample parameters

圖1 復(fù)合絕緣子試品Fig.1 Composite insulator sample

1.2 粒徑檢測結(jié)果分析

為對比分析不同污染源下絕緣子表面污穢的粒徑分布差異，使用mastersize-2000型粒度儀對試驗(yàn)絕緣子表面污穢進(jìn)行測試。其中對于鎳廠區(qū)域絕緣子，由于其表面存在電弧燒蝕的情況，將其分為傘面完好（A）、傘面損壞（B）兩組分別進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，鎳廠區(qū)域內(nèi)A組絕緣子表面污穢顆粒平均粒徑為16.3 μm，粒徑主要分布區(qū)間為0～144.38 μm，B組平均粒徑為24.5 μm，粒徑主要分布區(qū)間為 0～154.63 μm；化工區(qū)域內(nèi)絕緣子表面污穢顆粒的平均粒徑為6.67 μm，粒徑主要分布區(qū)間為0～36.69 μm。鎳廠區(qū)域劣化、未劣化傘裙表面污穢顆粒粒徑分布相近，而化工區(qū)域絕緣子污穢顆粒平均粒徑明顯小于鎳廠區(qū)域絕緣子污穢顆粒平均粒徑。

圖2 粒徑分布結(jié)果Fig.2 Particle size distribution results

造成上述粒徑分布的差異可能與污染源的性質(zhì)及生產(chǎn)工藝流程有關(guān)。其中，鎳廠鍋爐大都是金屬熔煉設(shè)備，其排放的工業(yè)廢氣含有較大粒徑的一次顆粒物，具備粉塵特質(zhì)；而化工廠排放的工業(yè)廢氣大多是粒徑較小的微粒物，在大氣中容易發(fā)生二次反應(yīng)落在絕緣子表面，具備煙塵特質(zhì)。因此鎳廠區(qū)域內(nèi)的顆粒物粒徑大于化工區(qū)域的顆粒物粒徑。

2 污穢顆粒沉積仿真及驗(yàn)證

2.1 污穢顆粒沉積模型

根據(jù)前文研究結(jié)果，鎳廠、化工廠區(qū)域污穢顆粒粒徑有明顯差異?；诹綑z測結(jié)果，建立了污穢顆粒在染污絕緣子表面的團(tuán)聚、分離模型，基于此模型進(jìn)行仿真模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。

污穢顆粒的黏性主要由顆粒與接觸面之間力的相互作用產(chǎn)生，接觸應(yīng)力主要包括范德華力、靜電力、表面張力和液橋力[20]。污穢顆粒在這些力的相互作用下在絕緣子表面團(tuán)聚、吸附。當(dāng)外力產(chǎn)生的能量大于界面能（Ec）時，則團(tuán)聚破碎，顆粒碰撞示意圖如圖3所示。

圖3 顆粒與顆粒之間的碰撞運(yùn)動軌跡Fig.3 Collision motion trajectory between particles

圖3中K表示顆粒1中心指向顆粒2中心的單位矢量。m1、m2分別為顆粒1和顆粒2的質(zhì)量，則顆粒破碎所需的最小速度Vc可通過式（1）計算得到。

式（1）中：e為顆粒彈性恢復(fù)系數(shù)；Ec為界面能。

團(tuán)聚條件為式（2）。

式（2）中：θ12為外來顆粒速度矢量與碰撞方向的夾角；c1、c2分別為顆粒1與顆粒2的速度。

當(dāng)污穢吸附在絕緣子表面時，絕緣子表面的摩擦力、粗糙度等特性將會改變，從而影響污穢在絕緣子表面的分布。因此污穢顆粒在染污絕緣子與潔凈絕緣子表面沉積有明顯差異。染污絕緣子表面污穢顆粒之間碰撞示意圖如圖4所示，圖中β為碰撞角度，取值為0°～90°。以SiO2為例分析其在染污絕緣子表面的團(tuán)聚情況，取Ec=9.88×10-15kg·m2/s2，m1=m2=m，c2=0，對于顆粒間的彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)e取0.5[7]，c1則可由污穢顆粒在邊界層中的運(yùn)動特性求得，如式（3）所示。

圖4 染污絕緣子表面污穢顆粒碰撞示意圖Fig.4 Schematic diagram of the collision of contaminated particles on the surface of contaminated insulator

式（3）中：Vpx、Vpy分別為污穢顆粒在x、y方向上的速度。

根據(jù)團(tuán)聚原則，染污絕緣子表面再次吸附顆粒的邊界條件可表示為式（4）。

對于未能直接沉積在絕緣子污層表面的污穢顆粒，其后續(xù)的運(yùn)動情況如下。根據(jù)黏性顆粒碰撞動力學(xué)，顆粒碰撞后分離，則其速度變化可表示為式（5）。

則式（5）可改寫為式（6）～（7）。

2.2 污穢顆粒沉積仿真及驗(yàn)證

為研究粒徑對絕緣子積污的影響，基于上述建立的污穢顆粒沉積模型，選擇3片型號為XP-160的線路積污試驗(yàn)絕緣子，呈懸垂串，利用流體力學(xué)軟件進(jìn)行模擬仿真分析。

邊界條件設(shè)置如下：入口邊界條件為速度入口，污穢顆粒采用面發(fā)射形式，湍流強(qiáng)度I和湍流尺度L分別按照經(jīng)驗(yàn)公式I=0.16(Re)-1/8和L=0.07l確定，其中l(wèi)為風(fēng)洞的水力學(xué)直徑，絕緣子風(fēng)洞網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 XP-160絕緣子網(wǎng)格劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of XP-160 insulator meshing

設(shè)t=0時刻污穢顆粒達(dá)到絕緣子表面，則污穢顆粒直接團(tuán)聚的邊界條件如式（4）所示，未能直接團(tuán)聚的污穢顆粒的后續(xù)運(yùn)動方程如式（6）～（7）所示。

結(jié)合絕緣子表面吸附邊界條件，根據(jù)鹽城工業(yè)粉塵地區(qū)氣象環(huán)境參數(shù)，取入口風(fēng)速為3 m/s，相對濕度為80%，模擬絕緣子表面污層的基本分布情況，并且利用風(fēng)洞積污試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)污穢顆粒從計算域的入口進(jìn)入到出口流出為1個積污周期，為直觀表達(dá)絕緣子表面污穢狀況，污穢量用污穢體積分?jǐn)?shù)Δp（無量綱）表示，如式（8）所示。

式（8）中：VP為同溫同壓下污穢體積，L；Vg為同溫同壓下空氣體積，L。絕緣子表面污穢體積分?jǐn)?shù)體現(xiàn)了絕緣子表面的積污狀況，可得到絕緣子的初始污層分布特性，并據(jù)此進(jìn)行不同屬性污穢顆粒吸附能力的對比。

仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)絕緣子表面污層對比Fig.6 Contrast between simulation and wind tunnel test results on the surface of insulators

從圖6可以看出，Δp的顏色分布形狀與風(fēng)洞試驗(yàn)絕緣子表面污層分布形狀相似；Δp較小（顏色較淺）的區(qū)域?qū)?yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)中積污較輕的區(qū)域；Δp較大（顏色較深）的區(qū)域?qū)?yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)中積污較重的區(qū)域，仿真與試驗(yàn)結(jié)果相一致。因此，基于吸附判據(jù)的仿真模型較好地展現(xiàn)了絕緣子表面污層的分布情況。

為對比不同粒徑下，1個積污周期內(nèi)絕緣子表面污層分布差異，以粒徑為5、10、25、40 μm的污穢顆粒進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示，其中左側(cè)為污穢顆粒在絕緣子上下表面的污穢分布，右側(cè)為不同污穢顆粒粒徑下Δp的取值分布。

圖7 不同污穢顆粒粒徑下絕緣子積污狀況及Δp取值分布Fig.7 Pollution accumulation and ΔPvalue distribution of insulators under different pollution particle sizes

從圖7可以看出，絕緣子表面不同區(qū)域的污穢分布因污穢顆粒的粒徑不同而產(chǎn)生差異。對于粒徑為5、10、25、40 μm的污穢顆粒，其在絕緣子表面的Δp分別為0.04～0.06、0.03～0.07、0.008～0.140、0～0.300。由此可知，污穢顆粒的粒徑越小，絕緣子表面污穢的體積分?jǐn)?shù)越集中，即各個區(qū)域的積污輕重程度差異越小，反之積污輕重程度差異越大。這與現(xiàn)場試品中，鎳廠附近絕緣子表面污穢呈塊狀分散，而化工廠附近絕緣子表面污穢呈垢狀集中分布的現(xiàn)象一致。

3 顆粒粒徑對污穢沉積的影響分析

由于絕緣子表面污層的顆粒堆積情況復(fù)雜，顆粒之間的碰撞具有隨機(jī)性，無法確切解析出表面積污顆粒團(tuán)聚的碰撞角度，因此選取團(tuán)聚最嚴(yán)重的情況作為判據(jù)，即認(rèn)為顆粒團(tuán)聚時的碰撞角度為0。判定顆粒是否沉積的流程為如圖8所示。

圖8 判定顆粒是否沉積的流程Fig.8 Process to determine whether the particles accumulate

基于上述流程本文定義污穢顆粒沉積率Δd作為反映絕緣子積污特性的參數(shù)。設(shè)顆粒聚團(tuán)時的碰撞角度為0，可計算得到污穢顆粒沉積率，即表示絕緣子可達(dá)最大污穢的狀況。定義污穢顆粒沉積率為單個積污周期內(nèi)，絕緣子表面計入沉積的顆粒數(shù)量與絕緣子截面自由來流方向投影面積包含的顆粒數(shù)量之比，可表示為式（9）。

式（9）中：Nd是絕緣子表面的顆粒沉積量；NP是絕緣子投影面來流射入的顆粒量；S為絕緣子表面在自由來流方向投影的面積；np為風(fēng)洞入口每單位面積入射的污穢顆粒量。

結(jié)合污穢顆粒團(tuán)聚邊界條件，以XP-160瓷絕緣子為試樣，污穢顆粒為SiO2。根據(jù)鹽城地區(qū)氣象環(huán)境參數(shù)，取風(fēng)速為3 m/s，相對濕度為80%，計算得到不同粒徑下的污穢顆粒沉積率如圖9所示。由圖9可得，污穢顆粒粒徑為20～30 μm時沉積率最高，可達(dá)20%～25%；在1～10 μm區(qū)間，污穢顆粒沉積率較小，不到15%，這可能是由于粒徑越小，氣流的跟隨性越強(qiáng)，污穢顆粒在碰撞之前容易被氣流帶走；在30～50 μm區(qū)間，污穢顆粒沉積率稍微減少，但變化不明顯，這是由于粒徑越大，碰撞時動能越大，越難以被直接吸附或團(tuán)聚。鎳廠區(qū)域污穢顆粒平均粒徑為24.5 μm，處于沉積率最高區(qū)域，因此該區(qū)域積污明顯重于化工廠地區(qū)。

圖9 污穢顆粒沉積率Fig.9 Contamination particle deposition rate

4 結(jié)論

（1）化工廠和鎳廠附近絕緣子表面污穢顆粒粒徑分布差異明顯，體現(xiàn)為鎳廠地區(qū)絕緣子表面污穢顆粒平均粒徑為24.5 μm，而化工廠地區(qū)絕緣子表面污穢顆粒平均粒徑僅為6.67 μm，明顯小于鎳廠地區(qū)。

（2）基于所建立的污穢顆粒沉積模型進(jìn)行流體力學(xué)仿真，計算得到絕緣子表面污穢顆粒體積分?jǐn)?shù)，可以很好地反映不同污穢顆粒粒徑下的絕緣子積污特性差異，且與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。

（3）利用模型仿真得到，污穢顆粒的粒徑越小，絕緣子表面污穢體積分?jǐn)?shù)越集中，即表面不同位置積污程度差異越小。這與鎳廠附近絕緣子表面污穢呈塊狀分散，而化工廠附近絕緣子表面污穢呈垢狀集中的現(xiàn)象互相印證。

（4）污穢顆粒粒徑在20～30 μm區(qū)間時污穢沉積率最高，其沉積率可達(dá)20%～25%，建議運(yùn)行單位在進(jìn)行污區(qū)劃分或開展防污工作時，重點(diǎn)考慮該粒徑區(qū)間粉塵污染源處的外絕緣配置。