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        典型粉塵污染源下絕緣子積污粒徑特征及其影響研究

        2022-02-28 10:05:48張東東楊成順黃宵寧張志勁
        絕緣材料 2022年1期
        關(guān)鍵詞:污穢絕緣子沉積

        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)國家重點實驗室,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,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?zāi)M研究了顆粒粒徑對絕緣子積污特性的影響。文獻[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[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[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[14]通過風(fēng)洞試驗,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到峰值;文獻[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[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,基于此模型進行仿真及風(fēng)洞試驗,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

        試品取樣地點為江蘇省境內(nèi)鹽城市響水經(jīng)濟開發(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型粒度儀對試驗絕緣子表面污穢進行測試。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聚、分離模型,基于此模型進行仿真模擬與風(fēng)洞試驗驗證。

        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聚、吸附。當(dāng)外力產(chǎn)生的能量大于界面能(Ec)時,則團聚破碎,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的線路積污試驗絕緣子,呈懸垂串,利用流體力學(xué)軟件進行模擬仿真分析。

        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,湍流強度I和湍流尺度L分別按照經(jīng)驗公式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時刻污穢顆粒達到絕緣子表面,則污穢顆粒直接團聚的邊界條件如式(4)所示,未能直接團聚的污穢顆粒的后續(xù)運動方程如式(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)洞積污試驗進行驗證。設(shè)污穢顆粒從計算域的入口進入到出口流出為1個積污周期,為直觀表達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)此進行不同屬性污穢顆粒吸附能力的對比。

        仿真與風(fēng)洞試驗對比結(jié)果如圖6所示。

        圖6 仿真與風(fēng)洞試驗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)洞試驗中積污較重的區(qū)域,仿真與試驗結(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性,無法確切解析出表面積污顆粒團聚的碰撞角度,因此選取團聚最嚴(yán)重的情況作為判據(jù),即認(rèn)為顆粒團聚時的碰撞角度為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,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,且與實驗現(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20%~25%,建議運行單位在進行污區(qū)劃分或開展防污工作時,重點考慮該粒徑區(qū)間粉塵污染源處的外絕緣配置。

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