呂玉坤，魏壯，魏子安，汪岳池，王欣

鹽霧環(huán)境下瓷及復(fù)合絕緣子積污特性模擬研究

呂玉坤，魏壯，魏子安，汪岳池，王欣

（華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

鹽霧環(huán)境下的污穢物具有較高的可溶鹽含量，可造成絕緣子絕緣性能下降，進(jìn)而危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。以XWP2-160型瓷雙傘絕緣子和FXBW-110/120-2型復(fù)合絕緣子為研究對象，基于場致荷電機(jī)理，利用多物理場耦合軟件COMSOL對其積污特性進(jìn)行數(shù)值模擬，探索了鹽密的計(jì)算方法，并驗(yàn)證了其合理性。利用該方法研究了鹽霧環(huán)境下風(fēng)速、霧滴粒徑、電壓類型對瓷及復(fù)合絕緣子積污特性的影響，分析了污穢沿絕緣子傘裙的分布規(guī)律。結(jié)果表明：復(fù)合絕緣子的積污量大于同條件下瓷雙傘絕緣子積污量，鹽霧環(huán)境頻發(fā)地區(qū)可優(yōu)先考慮瓷雙傘絕緣子；直流電壓下，瓷及復(fù)合絕緣子的積污量增長趨勢均與風(fēng)速、粒徑呈正相關(guān)；復(fù)合絕緣子積污量沿傘裙近似呈U型分布，瓷雙傘絕緣子積污量沿傘裙近似呈M型分布，且風(fēng)速越大分布趨勢越明顯。

瓷雙傘絕緣子；復(fù)合絕緣子；數(shù)值模擬；積污特性；等值鹽密；鹽霧環(huán)境

0 引言

我國電力工業(yè)發(fā)展快速，輸電線路的建設(shè)突飛猛進(jìn)。絕緣子作為一種特殊的絕緣控件起著非常重要的作用。工業(yè)的發(fā)展使霧霾天氣頻發(fā)，輸電線路外絕緣設(shè)備面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)[1]。在東北、華北等地區(qū)的城市工業(yè)區(qū)或沿海地區(qū)出現(xiàn)的鹽霧環(huán)境中，一方面微小水滴的聚集增大了空氣的濕度，另一方面微小鹽粒的溶解也增大了絕緣子表面污穢物中的可溶鹽含量，致使絕緣子表面電導(dǎo)和泄漏電流增大，閃絡(luò)電壓降低，甚至發(fā)生閃絡(luò)事故[2-5]。因此，有必要研究鹽霧環(huán)境中瓷及復(fù)合絕緣子的積污特性，為絕緣子選型以及絕緣子狀態(tài)清掃提供參考。

絕緣子表面的積污狀況與電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行息息相關(guān)，近年來關(guān)于其霧霾環(huán)境下的研究也持續(xù)開展，并取得一系列成果。文獻(xiàn)[6]通過統(tǒng)計(jì)霧霾環(huán)境下污穢試驗(yàn)站內(nèi)絕緣子的積污數(shù)據(jù)，分析了相對濕度和霧水電導(dǎo)率對絕緣子積污特性的影響。文獻(xiàn)[7]通過測定霧霾污區(qū)線路上絕緣子表面污穢的理化性質(zhì)，分析研究了其鹽密、灰密、粒度等特征。文獻(xiàn)[8]搭建了絕緣子人工霧霾試驗(yàn)平臺，試驗(yàn)研究了不同風(fēng)速下0～10 μm的顆粒在絕緣子表面的沉積量。文獻(xiàn)[9]通過自然積污試驗(yàn)測量了霧霾期間絕緣子的等值鹽密變化，并得到了沉積污穢的一些理化特性。文獻(xiàn)[10]通過研究潔凈霧條件下的泄漏電流，提出了一種等效電路模型，進(jìn)而模擬了各種環(huán)境條件下陶瓷戶外絕緣子的泄漏電流現(xiàn)象。文獻(xiàn)[11]通過大量實(shí)驗(yàn)研究了凍雨和冬霧對絕緣子性能的影響。城市工業(yè)區(qū)和沿海地區(qū)出現(xiàn)的鹽霧作為一種特殊的氣象條件，其與霧霾卻有著較大的差別。鹽霧是含有多種可溶性鹽的霧，較之霧霾有著更高的電導(dǎo)率[12]。所以，研究鹽霧環(huán)境下絕緣子的積污有一定的現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)[13]通過人工鹽霧模擬平臺，研究了不同傘形結(jié)構(gòu)的5種絕緣子在鹽霧條件下的污閃特性。文獻(xiàn)[14]試驗(yàn)研究了3種不同類型輸電線路絕緣子的交流閃絡(luò)特性，討論了附加鹽密值以及絕緣子傘裙表面鹽密和霧水電導(dǎo)率的關(guān)系及其對交流閃絡(luò)特性的影響。文獻(xiàn)[15]對清潔和污染兩種條件下的瓷絕緣子進(jìn)行了鹽霧試驗(yàn)，探究了不同鹽密和霧水電導(dǎo)率下絕緣子的耐壓特性。

以上研究多數(shù)是基于試驗(yàn)，而基于數(shù)值模擬對鹽霧環(huán)境下絕緣子積污特性的研究尚不全面，特別是鹽密模擬方法方面研究較少。故本文以輸電線路上常用的FXBW-110/120-2型復(fù)合絕緣子、XWP-160型瓷雙傘絕緣子為研究對象，以折算的等值鹽密為積污特性評價指標(biāo)，利用多物理場耦合軟件對其在城市工業(yè)區(qū)或沿海地區(qū)的鹽霧環(huán)境下的積污特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析風(fēng)速大小、霧滴粒徑、電壓類型等因素對該絕緣子積污特性的影響。

1 數(shù)學(xué)模型及顆粒荷電方式分析

1.1 流場數(shù)學(xué)控制方程

氣流在繞流絕緣子復(fù)雜的傘裙結(jié)構(gòu)時會產(chǎn)生漩渦，流線彎曲曲率大，故湍流模型選用RNG模型[16,17]，提高計(jì)算結(jié)果的可信度和精度，其控制方程組如式（1）所示。

式中：為流場速度，m/s；為體積力，N/m3；為主應(yīng)力張量，Pa；為空氣密度，kg/m3；、s、12為湍流模型參數(shù)；為湍動能，m2/s2；為湍流耗散率，m2/s3；T為分別湍流動力粘度和空氣動力粘度，Pa×s；為粘度系數(shù)；p為湍動能源項(xiàng)，W/m3。

1.2 電場數(shù)學(xué)模型及其控制方程

在電場模塊中，直流電模塊采用穩(wěn)態(tài)分析，穩(wěn)態(tài)控制方程為：

1.3 顆粒場控制方程

鹽霧環(huán)境中霧滴的密度約為101～102個/cm3，在沉積過程中呈離散狀態(tài)[18]。故對霧滴做如下假設(shè)：（1）將霧滴等效為球形顆粒，沉積過程中互不粘合，其形狀、尺寸及密度不變；（2）霧滴的初始速度與自由流體速度相同；（3）在電場和流場中考慮霧滴所受的重力g、電場力e和流體曳力d[19,20]。其運(yùn)動過程如式（3）所示。

式中：p為單個霧滴顆粒的質(zhì)量，kg；為霧滴運(yùn)動時間，s；為霧滴速度，m/s；

1.4 顆粒荷電方式

考慮到霧滴的粒徑為微米級別，故采用場致荷電方式。場致荷電飽和電量計(jì)算公式如下：

式中：Φr為霧滴外表面某一位置電位；M0為霧滴在電場中極化形成的偶極矩，C·m；E0和Ep分別為霧滴初始電場強(qiáng)度和內(nèi)部極化電場強(qiáng)度，V/m；r為距霧滴中心的距離，cm；θ0為霧滴表面位置與外部電場線方向的夾角，（°）；εr為霧滴的相對介電常數(shù)，εr=ε1/ε0，其中ε0和ε1分別為真空介電常數(shù)和霧滴的介電常數(shù)；Qmax為霧滴飽和荷電量，C；τq為荷電時間常數(shù)，一般取10–2～10–3。取ε1=80，則1～20 μm的霧滴在10 kV/m電場強(qiáng)度下飽和荷電量及所受電場力變化如圖1所示。

由圖1可知，在10 kV/m電場強(qiáng)度下，霧滴的飽和荷電量及霧滴所受的電場力隨霧滴粒徑均隨著霧滴粒徑增加而增加，且與其粒徑的平方成正比。

2 絕緣子積污物理模型建立

2.1 物理模型建立及網(wǎng)格劃分

依據(jù)廠家提供的XWP2-160型瓷雙傘絕緣子以及FXBW-110/120-2型復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行建模，如圖2所示，其主要幾何參數(shù)如表1所示。

圖2 兩種絕緣子的三維模型圖

表1 瓷及復(fù)合絕緣子主要模型參數(shù)

利用COMSOL軟件建立尺寸為2.2 m×1.2 m× 2.0 m的計(jì)算區(qū)域，并在計(jì)算域外構(gòu)建厚度為100 mm的“無限元域”。瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子的網(wǎng)格數(shù)量經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后最終選取為82萬和94萬左右。物理模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 物理模型及網(wǎng)格劃分

2.2 單值性條件設(shè)置

（1）邊界條件設(shè)置

考慮湍流流場為時均定常流。在流場中，入口端設(shè)置為速度入口，出口側(cè)設(shè)置為壓力出口；在電場中，“無限元域”設(shè)置為電絕緣邊界條件，絕緣子上端接地，下端接電壓。在沉積過程中，霧滴顆粒從入口以瞬態(tài)釋放的形式隨風(fēng)送入風(fēng)道，與絕緣子接觸便粘附。

（2）材料參數(shù)設(shè)置

瓷雙傘絕緣子芯棒采用COMSOL中的內(nèi)置材料，絕緣子傘裙部分材料設(shè)為陶瓷。復(fù)合絕緣子兩端金具的材料設(shè)為鋁合金CZ42，剩余部分材料設(shè)為硅橡膠。絕緣子周圍計(jì)算區(qū)域的材料設(shè)定為空氣。材料具體參數(shù)如表2所示。

表2 材料電氣參數(shù)

2.3 積污量ESDD評價指標(biāo)

考慮到絕緣子所處的鹽霧環(huán)境，本文采用等值鹽密作為其表面積污狀況的評價指標(biāo)。等值鹽密又稱等值附鹽密度，即把絕緣子表面導(dǎo)電污物密度轉(zhuǎn)換為等值單位面積上含鹽量（NaCl），其可根據(jù)電導(dǎo)率和等值鹽密的關(guān)系獲得。

確定模擬積污時長下的絕緣子表面沉積顆粒的含鹽量，并將其換算成絕緣子確定時間段內(nèi)的積污量，其計(jì)算公式如式（5）。

式中：為霧滴中含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為霧滴沉積數(shù)量；p和s分別為積污模擬時間和試驗(yàn)時間，h；為傘裙表面總面積，cm2。

本文模擬了不同條件下瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子的積污狀況，模擬結(jié)果顯示其等值鹽密范圍分別為（0.07～26.5）′10–3mg/cm2、（4～27）′10–3mg/cm2，符合鹽密數(shù)值范圍，驗(yàn)證了以等值鹽密作為積污特性評價指標(biāo)及其計(jì)算方法的合理性。

3 鹽霧環(huán)境下絕緣子積污特性模擬結(jié)果對比分析

本文對瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子在鹽霧環(huán)境下的積污特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬電壓類型為110 kV直流電壓和無電壓，所用霧滴粒徑分別為1 μm、5 μm、10 μm、15 μm、20 μm，風(fēng)速分別為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s。

3.1 風(fēng)速大小對積污特性影響分析

無電壓與直流電壓作用下，在不同霧滴粒徑時，兩種絕緣子積污量隨風(fēng)速的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子在各個粒徑范圍內(nèi)的積污量均隨風(fēng)速的增加而增大，在相同條件下復(fù)合絕緣子的整體積污量大于瓷雙傘絕緣子。這主要是因?yàn)椋猴L(fēng)速的增加使單位時間內(nèi)吹向絕緣子的霧滴增多，積污量也隨之增大；復(fù)合絕緣子的傘裙坡度較緩，自清潔能力較差，同時考慮到復(fù)合絕緣子的材質(zhì)為硅橡膠，相比于陶瓷其質(zhì)地更軟更易形變黏附顆粒，故其積污量高于瓷雙傘絕緣子。因此，對于鹽霧環(huán)境頻發(fā)的地區(qū)，可以考慮使用瓷雙傘絕緣子。

圖4 不同霧滴粒徑下積污量隨風(fēng)速的變化

由圖4可知，無電壓時瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子的積污量均小于直流電壓作用下的積污量；隨著風(fēng)速的增大，無電壓時瓷雙傘絕緣子積污量增長速度先慢后快；無論加電壓與否，復(fù)合絕緣子的積污量和風(fēng)速近似呈線性關(guān)系。主要原因?yàn)椋簾o電壓時，霧滴主要只受流體曳力和重力的作用沉積到絕緣子上；而施加直流電壓時，電場力也會對霧滴的沉積起促進(jìn)作用，故無電壓時積污量較小。流體曳力和風(fēng)速有關(guān)。隨著風(fēng)速的增大，霧滴受到變化的流體曳力和重力的綜合作用，再考慮到瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子的傘型以及材質(zhì)的不同，使無電壓時瓷雙傘絕緣子積污量隨風(fēng)速增長速度先慢后快，而復(fù)合絕緣子增長速度不變。

3.2 霧滴粒徑對積污特性影響分析

不同風(fēng)速時，兩種絕緣子積污量與霧滴粒徑關(guān)系如圖5所示。

由圖5（a）可知，直流電壓作用下，同一風(fēng)速時，瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子的積污量均隨粒徑的增加而增大，但其增長幅度各不相同。因?yàn)殪F滴所受電場力與其粒徑的二次方呈正比，粒徑越大，所受的電場力越大，霧滴越易沉積在絕緣子上。在風(fēng)速為3 m/s時，瓷雙傘絕緣子積污量隨粒徑的增加增幅最大，而復(fù)合絕緣子積污量仍均勻增長。這可能是瓷雙傘絕緣子的傘型不如復(fù)合絕緣子的傘型開放，風(fēng)速越大，流場分布越復(fù)雜，沉積的污穢就更多。由圖5（b）可知，無電壓作用時，霧滴對瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子積污量影響不大。

圖5 不同風(fēng)速下積污量隨霧滴粒徑的變化

3.3 污穢沿傘裙分布特性及分析

圖6、圖7示出了霧滴粒徑為1、10、20 μm，風(fēng)速為0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s時，共36個工況下污穢沿絕緣子傘裙的分布規(guī)律。

由圖6可知，對于瓷雙傘絕緣子，當(dāng)粒徑為1mm時，積污量沿傘裙呈W型分布；當(dāng)粒徑為10mm和20mm時，積污量沿傘裙呈M型分布，風(fēng)速越大作用效果越明顯，2號傘裙積污達(dá)到最大值，中間的4號傘裙有拐點(diǎn)。對于復(fù)合絕緣子，當(dāng)粒徑為1mm時，積污量沿各傘裙分布較均勻；當(dāng)粒徑為10mm和20mm時，1號、11號傘裙積污量明顯更多，整體積污趨勢沿傘裙呈U型分布，且風(fēng)速越大作用效果越明顯。

圖6 不同粒徑時瓷雙傘絕緣子積污量沿傘裙分布

結(jié)合場致荷電機(jī)理可以解釋為：由于顆粒飽和荷電量與其所處位置的電場強(qiáng)度成正比，導(dǎo)致絕緣子高壓端與接地端周圍霧滴荷電量較多，故在電場力作用下霧滴更容易發(fā)生沉積，從而形成明顯的U型分布。但同時，絕緣子存在于無窮大的無限元域中，絕緣子兩端流域很大，使風(fēng)速基本不受影響，瓷雙傘絕緣子表面的陶瓷材質(zhì)不如復(fù)合絕緣子表面的硅橡膠，因而積污很容易吹走，使瓷雙傘絕緣子積污量沿傘裙呈M型分布。對于絕緣子中間部位的傘裙，其電場線分布稀疏，霧滴受電場力作用最小，故積污較少。在實(shí)際工程中，應(yīng)著重對絕緣子兩端進(jìn)行清掃，從而減少污閃事故。

圖7 不同粒徑時復(fù)合絕緣子積污量沿傘裙分布

4 結(jié)論

（1）模擬結(jié)果顯示，瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子等值鹽密范圍為（0.07～26.5）′10–3mg/cm2、（4～27）′10–3mg/cm2，和實(shí)際相符，驗(yàn)證了以等值鹽密作為積污特性評價指標(biāo)及其計(jì)算方法的合理性。

（2）直流或無電壓作用下，在霧滴各粒徑范圍內(nèi)，絕緣子整體積污量隨風(fēng)速增大而增加，且復(fù)合絕緣子的積污量大于同條件下瓷雙傘絕緣子的積污量。對于鹽霧環(huán)境頻發(fā)的地區(qū)，可以考慮使用瓷雙傘絕緣子。

（3）無電壓時，瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子的積污量均小于直流電壓作用下的積污量。

（4）直流電壓作用下，同一風(fēng)速時，瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子的積污量均隨粒徑的增加而增大，但其增長幅度各不相同。無電壓作用時，霧滴對瓷雙傘絕緣子和復(fù)合絕緣子積污量影響不大。

（5）當(dāng)粒徑為10mm和20mm時，瓷雙傘絕緣子積污量沿傘裙呈M型分布，復(fù)合絕緣子積污量沿從高壓端到低壓端傘裙近似呈U型分布，風(fēng)速越大作用效果越明顯。

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Simulation Study on Pollution Characteristics of Porcelain and Composite Insulators in Salt Spray Environment

LV Yukun, WEI Zhuang, WEI Zian, WANG Yuechi, WANG Xin

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Contaminants in the salt spray environment has a high soluble salt content, which causes the insulation performance of the insulator to decrease, thereby endangering the safe operation of the power system.Taking XWP2-160 porcelain double umbrella insulator and FXBW-110/120-2 composite insulator as the research objects, based on the field-induced charge mechanism, the multi-physical field coupling software COMSOL was used to numerically simulate the pollution characteristics.And the calculation method of salt densitywas explored and its rationality was verified.Based on this method, the effect of wind speed, droplet size, and voltage type on the pollution characteristics of porcelain and composite insulators were studied.The distribution law of pollution along the shed was analyzed.The results show that the pollution accumulation of composite insulator is greater than that of porcelain double umbrella insulator under the same conditions.The porcelain double umbrella insulator can be preferred in areas with frequent salt fog environment; under DC voltage, the pollution increasing trend of porcelain and composite insulators is positively correlated with wind speed and particle size; the pollution accumulation of composite insulators is approximately U-shaped distribution along the shed, and that of porcelain double umbrella insulators is approximately M-shaped.In addition, the larger the wind speed is, the more obvious the distribution trend, which can provide guidance for the cleaning work in the actual project.

porcelain double umbrella insulator; composite insulator; numerical simulation; pollutant characteristics; equivalent salt density; salt spray environment

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.10.009

TM216

A

1672-0792(2021)10-0071-08

2021-07-15

呂玉坤（1964—），男，副教授，主要研究方向?yàn)槿~輪機(jī)械、絕緣子積污、新能源開發(fā)與利用；

魏 壯（1996—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻^緣子積污、葉輪機(jī)械。