不同溫差下的玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層 受潮程度建模分析

劉勝波

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局 廣東 東莞 523000)

0 引言

玻璃纖維樹(shù)脂是一種以樹(shù)脂作為基體材料,通過(guò)對(duì)其玻璃纖維增強(qiáng)而成的復(fù)合材料,由于玻璃纖維樹(shù)脂具有絕緣性能良好、易獲取、成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),目前玻璃纖維樹(shù)脂材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)中,尤其是作為絕緣子芯棒材料,并且已經(jīng)得到批量化生產(chǎn)[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,截至目前國(guó)內(nèi)掛網(wǎng)線路中玻璃纖維樹(shù)脂芯棒已經(jīng)超過(guò)900萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合絕緣子。但是玻璃纖維樹(shù)脂芯棒是典型的有機(jī)絕緣設(shè)備,長(zhǎng)期處于高溫、高壓的惡劣環(huán)境中,受雨淋、空氣氧化、日照以及風(fēng)吹等諸多自然因素影響,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒會(huì)經(jīng)歷“積污—濕潤(rùn)受潮”,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度直接關(guān)系到玻璃纖維樹(shù)脂芯棒耐污閃性能,從而引發(fā)閃絡(luò)放電故障[2]。近幾年,隨著惡劣天氣不斷加劇,對(duì)玻璃纖維樹(shù)脂芯棒的抗污閃性能提出了更高的要求,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮機(jī)理和受潮程度分析研究迫在眉睫。環(huán)境溫差是玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮重要影響因素,兩者之間存在一定的線性關(guān)系,目前不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度的研究比較匱乏,無(wú)法為改善玻璃纖維樹(shù)脂芯棒、提高玻璃纖維樹(shù)脂芯棒抗污閃性能提供有力的理論支撐,為此提出不同溫差下的玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度建模分析。

1 玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮過(guò)程

玻璃纖維樹(shù)脂芯棒表面污層的受潮過(guò)程可歸納為:水分子在大氣中凝結(jié)、水滴撞擊玻璃纖維樹(shù)脂芯棒表面污層、表面污層的吸水現(xiàn)象以及水分子在玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層中的化學(xué)擴(kuò)散,前者未發(fā)生污層結(jié)構(gòu)改變,屬于污層之外的潤(rùn)濕過(guò)程,因此將水分子在大氣中凝結(jié)、水滴撞擊玻璃纖維樹(shù)脂芯棒表面污層歸納為玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外的受潮過(guò)程,其中水分子在大氣中凝結(jié)過(guò)程屬于物理中的凝露現(xiàn)象,即水分子從氣相到液相的轉(zhuǎn)化過(guò)程,在空氣飽和濕度情況下當(dāng)空氣環(huán)境中溫度高于玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層表面溫度,形成溫差時(shí)空氣中水分子會(huì)凝結(jié)在玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層表面。

玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層的受潮過(guò)程的最后2個(gè)階段為表面污層的吸水現(xiàn)象以及水分子在玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層中的化學(xué)擴(kuò)散,由于均涉及玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層變化,故將這2個(gè)受潮階段歸類(lèi)為玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)受潮過(guò)程[3]。污層吸濕和水分子化學(xué)擴(kuò)散主要取決于玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層所處環(huán)境的溫差。因此以玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層環(huán)境溫差作為自變量,將污層受潮程度作為因變量,對(duì)不同溫差下的玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外、內(nèi)受潮程度進(jìn)行建模分析。

2 不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外受潮過(guò)程建模分析

根據(jù)以上對(duì)玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外受潮過(guò)程的分析,建立污層內(nèi)受潮機(jī)理數(shù)學(xué)模型。首先,要明確玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層凝結(jié)的產(chǎn)生條件,獲得凝結(jié)過(guò)程中水分子所受的外力(凝結(jié)驅(qū)動(dòng)力),進(jìn)而分析玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部水分子凝結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的主控因子。其次,利用模型方程描述凝結(jié)后在大氣中形成水滴的速率。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)凝結(jié)速率以及溫差,計(jì)算出不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部液態(tài)水滴的質(zhì)量流量,以下將從不同溫差下污層外冷凝和水滴碰撞2個(gè)方面對(duì)污層外受潮過(guò)程進(jìn)行建模分析。

2.1 污層外冷凝

在飽和濕度情況下,當(dāng)水蒸氣與流體接觸時(shí),冷凝一般都是在流體表面進(jìn)行,要想在水蒸氣內(nèi)生成水珠,只能從凝結(jié)核開(kāi)始向外逐步擴(kuò)大[4]。從傳熱和傳質(zhì)的觀點(diǎn)來(lái)看,在氣—液兩相界面處有一個(gè)邊界層,當(dāng)其溫度比環(huán)境中的溫度更高時(shí),邊界層會(huì)向周?chē)鷼怏w散熱,從而使流體中的吉布斯自由能增大,使流體發(fā)生汽化[5]。當(dāng)大氣中的空氣溫度較低時(shí),大氣中的熱量會(huì)被空氣所吸收,從而降低大氣中的吉布斯自由能,產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象。在傳熱理論中,通常把珠狀水滴看成是半球體。由于吉布斯自由能存在一定的差異,環(huán)境中的物質(zhì)會(huì)由亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài),假設(shè)玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮過(guò)程中環(huán)境中的理想氣體為水蒸氣,并且處于亞穩(wěn)態(tài)相,由于環(huán)境中存在溫差,處于過(guò)飽和狀態(tài)的水蒸氣將發(fā)生冷凝,環(huán)境中的氣態(tài)相水蒸氣有冷凝為液相水滴的趨勢(shì),該趨勢(shì)定義為玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部冷凝驅(qū)動(dòng)力的大小,其數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式(1):

(1)

式(1)中,F表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部冷凝驅(qū)動(dòng)力;r表示冷凝生成水滴的半徑;T表示環(huán)境溫差;P1表示環(huán)境中水蒸氣處于亞穩(wěn)態(tài)相時(shí)的壓力值;P2表示環(huán)境中水蒸氣處于穩(wěn)態(tài)相時(shí)的壓力值[6]。在冷凝驅(qū)動(dòng)力的作用下,環(huán)境空氣中的過(guò)飽和水蒸氣由亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài),從水蒸氣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗?玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層表面發(fā)生凝露現(xiàn)象,逐步受潮。

隨著水蒸氣從氣態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層表面珠狀水滴體積不斷增加?？紤]到水滴自身的導(dǎo)熱熱阻對(duì)冷凝水滴的影響,以及水滴表面曲率對(duì)兩相體平衡的影響,生成任意大小的珠狀水滴模型,根據(jù)四熱阻模型求出玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部冷凝水滴生成的速率,計(jì)算見(jiàn)式(2):

(2)

式(2)中,V表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部冷凝水滴生成的速率;△T表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層表面與環(huán)境的溫差;q表示水的密度;H表示氣化潛熱;e表示最小凝結(jié)水滴半徑;k表示比熱容的比率;h表示一定水蒸氣壓力下氣-液兩相分界面上的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);t表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部凝結(jié)水滴邊界層厚度[7]。利用以上數(shù)學(xué)模型即可求出玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部冷凝水滴生成的速率。由于溫差會(huì)對(duì)水滴冷凝質(zhì)量流量具有一定的影響,根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理,建立玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部水滴冷凝質(zhì)量流量數(shù)學(xué)模型,計(jì)算見(jiàn)式(3):

(3)

式(3)中,J表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部水滴冷凝質(zhì)量流量;α表示調(diào)節(jié)系數(shù);ρ表示水蒸氣密度;Tcv表示水蒸氣飽和溫度。利用以上建立的數(shù)學(xué)模型,設(shè)定溫差為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6種工況,將溫差和相關(guān)參數(shù)代入到上述數(shù)學(xué)模型中,分別求出不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外冷凝驅(qū)動(dòng)力、水滴生成速率以及冷凝質(zhì)量流量,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同溫差下污層外冷凝程度

冷凝驅(qū)動(dòng)力是保證玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部發(fā)生冷凝線性的關(guān)鍵條件,只有存在冷凝驅(qū)動(dòng)力才能有水滴生成。從表1可以看出,在不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部冷凝表現(xiàn)不同,環(huán)境溫差與玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部冷凝驅(qū)動(dòng)力、水滴生成速率以及冷凝質(zhì)量流量呈線性正比,隨著環(huán)境溫差的增大,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部冷凝驅(qū)動(dòng)力逐漸增大,水滴生成速率逐漸提升,冷凝質(zhì)量流量不斷加大。

2.2 污層外水滴碰撞

在受潮過(guò)程中玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部會(huì)發(fā)生水滴碰撞,為了進(jìn)一步分析不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外受潮過(guò)程,建立玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部水滴碰撞模型。由于玻璃纖維樹(shù)脂芯棒整體結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于足夠多個(gè)小圓柱體的疊加,在玻璃纖維樹(shù)脂芯棒外自由流為層流的情況下,水滴碰撞模型可以將玻璃纖維樹(shù)脂芯棒等效為足夠多個(gè)小圓柱體的疊加組合。以單一小圓柱體為例,假設(shè)玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部水滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,空氣溫度、水蒸氣壓力等介質(zhì)參數(shù)始終保持不變,并且水滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自身形狀也不會(huì)發(fā)生改變,則對(duì)單一小圓柱體水滴碰撞率有式(4):

dm=2Cσ1σ2Twdhdt

(4)

式(4)中,dm表示單位時(shí)間內(nèi)玻璃纖維樹(shù)脂芯棒單一小圓柱體表面水滴累積量;C表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒半徑;σ1表示發(fā)生碰撞的小圓柱體表面水滴的流通密度和最大流通密度的比率,即水滴在玻璃纖維樹(shù)脂芯棒單一小圓柱體表面上的碰撞率;σ2表示水滴在玻璃纖維樹(shù)脂芯棒單一小圓柱體表面的積水率;w表示自由流中液態(tài)水的含量;dh表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒高度。利用以上建立的數(shù)學(xué)模型,設(shè)定溫差為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6種工況,將溫差和相關(guān)參數(shù)代入到上述數(shù)學(xué)模型中,分別求出不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外水滴碰撞率和積水率,具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同溫差下污層外水滴碰撞程度

從表2可以看出,隨著環(huán)境溫差的不斷增大,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層外部水滴碰撞率逐漸增大,表面積水率也隨著溫差的增大而增大。這是由于隨著環(huán)境溫差的增大,水滴重力自沉降和氣流曳力起到主要作用,冷凝形成的水滴更容易掉落,從而與玻璃纖維樹(shù)脂芯棒發(fā)生碰撞。

3 不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)受潮過(guò)程建模分析

3.1 污層內(nèi)吸濕

為了減少玻璃纖維樹(shù)脂芯棒結(jié)構(gòu)以及污穢成分對(duì)污層內(nèi)吸濕受潮過(guò)程建模分析的影響,在建模中玻璃纖維樹(shù)脂芯棒采用結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的KHFA-A744玻璃纖維樹(shù)脂芯棒,直徑為22.45 cm,長(zhǎng)度為75.61 cm,污穢成分參數(shù)設(shè)定為:鹽密度0.35 mg/cm2,灰度1.65 mg/cm2。將環(huán)境溫差分別設(shè)定為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃。利用Origin 9.12自帶的高斯曲線對(duì)溫差—污層內(nèi)吸濕時(shí)間曲線進(jìn)行擬合,得到玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)吸濕時(shí)間-溫差關(guān)系數(shù)學(xué)模型,計(jì)算見(jiàn)式(5):

T=0.75+125.45w-0.5(x-0.85)2

(5)

式(5)中,w表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)部電導(dǎo)率;x表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)吸濕時(shí)間。從公式(5)可以看出,環(huán)境溫差與玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)吸濕時(shí)間呈二次函數(shù)關(guān)系,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)吸濕時(shí)間長(zhǎng)短受溫差影響比較大,隨著環(huán)境溫差的增大,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)飽和吸濕時(shí)間逐漸縮短。

3.2 污層內(nèi)水分子擴(kuò)散

玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)水分子擴(kuò)散過(guò)程可以歸結(jié)為氣-液的傳質(zhì)過(guò)程,因此為了進(jìn)一步分析不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)部水分子擴(kuò)散程度,建立傳質(zhì)模型,利用傳質(zhì)模型對(duì)不同溫差下污層內(nèi)水分子擴(kuò)散程度進(jìn)行分析。在氣相中,主要物質(zhì)以平穩(wěn)的速度進(jìn)入邊界層,并以平穩(wěn)的速度穿越氣膜進(jìn)入2個(gè)相間的相界,再在液膜中發(fā)生劇烈的化學(xué)變化,并伴隨著平穩(wěn)的分子擴(kuò)散,最后穿越液膜而形成鹽溶液。

體積傳質(zhì)系數(shù)可以反映出玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)水分子自身的流動(dòng)屬性,體積傳質(zhì)系數(shù)越大,則表示玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)水分子擴(kuò)散速度越快,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)受潮時(shí)間越短,受潮程度越大。利用傳質(zhì)模型,設(shè)定溫差為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6種工況,將溫差和相關(guān)參數(shù)代入到數(shù)學(xué)模型中,求出不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)體積傳質(zhì)系數(shù),具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同溫差下污層內(nèi)水分子擴(kuò)散程度

從表3可以看出,環(huán)境溫差與玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)水分子體積傳質(zhì)系數(shù)成正比,體積傳質(zhì)系數(shù)隨著溫差的增大而增大,即隨著環(huán)境溫差的增大,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層內(nèi)水分子擴(kuò)散速度越快,污層內(nèi)部受潮時(shí)間越短。綜合以上建模分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論:環(huán)境溫差對(duì)玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度具有較大影響,隨著環(huán)境溫差的增加,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮時(shí)間逐漸縮短,受潮程度逐漸加大,以此完成不同溫差下的玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度建模分析。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,玻璃纖維樹(shù)脂作為一種常見(jiàn)的絕緣材料,表面污穢密度、污層受潮是影響其污閃的重要因素,此次參考相關(guān)文獻(xiàn)資料,采用建模分析的方法對(duì)不同溫差下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度進(jìn)行了分析,明確溫差對(duì)玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度的影響,了解其作用機(jī)理,對(duì)不同溫差對(duì)玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度的影響研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于此次研究時(shí)間有限,玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度影響因素比較多,此次僅從溫差方面展開(kāi)了研究,在研究?jī)?nèi)容方面存在一些不足之處,今后會(huì)對(duì)不同空氣溫度下、不同污穢密度下以及不同濕度下玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮程度建模分析進(jìn)行進(jìn)一步研究,為玻璃纖維樹(shù)脂芯棒污層受潮機(jī)理研究提供有力的理論支撐。