摘 要：XP-160絕緣子是高壓傳輸系統(tǒng)中保證輸電線與桿塔保持電氣隔離的關(guān)鍵零部件，其絕緣性能直接影響電力線路的安全可靠運(yùn)行。電場分布是衡量絕緣子電氣性能的重要指標(biāo)，線路運(yùn)行環(huán)境對絕緣子電場分布的影響至關(guān)重要。為了研究揚(yáng)塵條件下帶電污穢顆粒對絕緣子電場分布的影響，以XP-160絕緣子串為研究對象，搭建了靜電場、流場、帶電顆粒相互作用和帶電顆粒運(yùn)動(dòng)的多物理場耦合風(fēng)洞模型。研究結(jié)果表明：揚(yáng)塵中的帶電顆粒對帶電運(yùn)行絕緣子串的電位和電場分布有較大影響；當(dāng)絕緣子完全處于揚(yáng)塵中時(shí)，傘裙表面電位達(dá)到最大值，最大電位相較于潔凈時(shí)的絕緣子電位增大了13.82%；揚(yáng)塵條件下，帶電顆粒對絕緣子傘裙表面的電場影響大于對金具電場的影響，電場變化最大位置在靠近低壓端傘裙根部，最大時(shí)刻為絕緣子完全處于揚(yáng)塵中時(shí)，變化量為37.14%。

關(guān)鍵詞：絕緣子；帶電顆粒；多物理場耦合；電場分布；風(fēng)洞

中圖分類號(hào)：TM216" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）23-0026-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.006

0" " 引言

位于我國西北地區(qū)的甘肅省，春季干燥多風(fēng)，荒漠化的干旱缺水，為揚(yáng)塵天氣的形成提供了條件[1]。文獻(xiàn)[2]研究表明空氣中的污穢顆粒等離子體是一個(gè)由電子、正負(fù)離子、中性粒子和顆粒組成的復(fù)雜系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]對顆粒運(yùn)動(dòng)下的靜電效應(yīng)與荷電特性進(jìn)行相關(guān)研究，結(jié)果表明顆粒碰撞點(diǎn)的外電場大小和方向由電勢分布決定。文獻(xiàn)[4-5]指出干燥、潔凈絕緣子的電位和電場分布主要取決于絕緣子形狀。文獻(xiàn)[6]以鐵路用FQB-25/12型腕臂絕緣子為研究對象，計(jì)算分析了絕緣子表面污穢分布的影響。文獻(xiàn)[7-8]研究結(jié)果表明大氣中的霧霾顆粒不帶電時(shí)基本不會(huì)改變絕緣子沿面電位和電場。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于空氣中的帶電顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中對絕緣子表面電位和電場影響的研究較少，也未研究帶電顆粒與絕緣子表面的碰撞、沉積。因此，研究揚(yáng)塵中帶電顆粒對帶電運(yùn)行絕緣子的多物理場耦合影響非常必要。

1" " 模型建立

1.1" " 絕緣子模型

以電力線路用XP-160絕緣子串為研究對象，單片XP-160絕緣子的相關(guān)尺寸如表1所示。

表中H表示試品結(jié)構(gòu)高度，D表示XP-160絕緣子盤徑，L表示單片XP-160絕緣子爬電距離。

單片XP-160絕緣子形狀及剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

以3片XP-160絕緣子實(shí)際懸掛串為研究對象，為了反映更實(shí)際的電場情況，根據(jù)絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)和懸掛方式進(jìn)行1：1等比例建模，對模型不進(jìn)行簡化處理，3D全尺寸模型及其剖面圖分別如圖2（a）和圖2（b）所示。

1.2" " 多物理場風(fēng)洞模型

由于要考慮揚(yáng)塵中的帶電污穢顆粒對絕緣子表面電場分布的影響，即要考慮多物理場耦合情況下的數(shù)值分析，建立風(fēng)洞進(jìn)行空間揚(yáng)塵條件模擬，并考慮空間中氣流速度的作用。模型絕緣子串安裝后的結(jié)構(gòu)長度約為465 mm，盤徑為255 mm，模型絕緣子串為對稱結(jié)構(gòu)，為了更切合運(yùn)行中的實(shí)際情況，建立風(fēng)洞的長、寬、高分別為絕緣子串尺寸的7倍，即風(fēng)洞的長、寬、高分別為3 255、1 785、1 785 mm，如此的風(fēng)洞設(shè)計(jì)可以保證湍流計(jì)算模擬的準(zhǔn)確性；進(jìn)一步考慮到空間電場的分布，需在外圍建立100 mm寬度的區(qū)域進(jìn)行無限元域模擬。多物理場耦合風(fēng)洞模型如圖3所示。

2" " 電位和電場分布分析結(jié)果

采用新造、未染污的XP-160潔凈絕緣子串進(jìn)行電位和電場分布的研究。以甘肅隴東地區(qū)330 kV輸電線路為研究背景，3片XP-160組成的絕緣子串為研究對象，模型高壓端金具電位設(shè)置為330 kV，低壓端金具電位設(shè)置為0 kV。材料具體參數(shù)如表2所示。

2.1" " 潔凈空氣條件下的電位和電場分布

求解后得到電位和電場強(qiáng)度的分布云圖如圖4所示。

由圖4可知，電位分布比較均勻；電場分布在絕緣子傘面比較均勻，且電場強(qiáng)度較小；在金具與電瓷接觸處，電場強(qiáng)度最大，為3×104 kV/m；其余位置電場分布比較均勻。

2.2" " 帶電顆粒對絕緣子電位分布的影響

模型需進(jìn)行多物理場耦合，耦合場包括靜電場模塊、揚(yáng)塵顆粒相互作用模塊、流場模塊和揚(yáng)塵顆粒運(yùn)動(dòng)模塊。風(fēng)洞左側(cè)面為流場入口，流場流速設(shè)置為20 m/s，風(fēng)洞壁面不允許發(fā)生滑移現(xiàn)象。顆粒直徑設(shè)定為20 μm，10 000個(gè)粒子，釋放時(shí)間2 s，其中25%為正電荷，30%為負(fù)電荷，45%不帶電。對絕緣子表面的電場強(qiáng)度沿爬電路徑進(jìn)行提取，提取路徑如圖5所示。

分別沿圖5所示路徑對0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s六個(gè)時(shí)刻的絕緣子表面電場強(qiáng)度進(jìn)行提取，提取結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可知，隨著揚(yáng)塵中帶電顆粒的來臨，除了高壓端和低壓端電位由于鉗制作用保持不變，絕緣子表面的電位分布有了明顯的變化，對于爬電距離為1 184.6 mm位置處，在0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s時(shí)刻其電位分別為2.17×105、2.21×105、2.23×105、2.26×105、2.33×105、2.47×105 V，后五個(gè)時(shí)刻相比0 s電位分別增大了1.84%、2.76%、4.15%、7.37%、13.82%。

2.3" " 帶電顆粒對絕緣子電場分布的影響

對多物理場耦合后的絕緣子串表面電場進(jìn)行求解。沿圖5所示路徑進(jìn)行絕緣子沿面電場提取，提取的時(shí)刻分別為0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s，結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可知，在揚(yáng)塵條件下，空間中的帶電顆粒作用使得絕緣子表面的電場明顯增大，傘裙上電場的變化明顯大于金具場強(qiáng)的變化，變化最大位置出現(xiàn)在靠近低壓端傘裙根部；在電場最大處，0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s時(shí)刻的電場強(qiáng)度分別為1.05×107、1.22×107、1.26×107、1.30×107、1.34×107、1.44×107 V/m，后五個(gè)時(shí)刻相比0 s電場強(qiáng)度分別增大了16.19%、20%、23.81%、27.62%、37.14%。

3" " 結(jié)論

本文以330 kV高壓輸電線路用XP-160絕緣子串為研究對象，通過建立風(fēng)洞進(jìn)行環(huán)境數(shù)值模擬，計(jì)算揚(yáng)塵中帶電顆粒在多物理場耦合下對絕緣子串電位和電場分布的影響。研究結(jié)果表明：

1）揚(yáng)塵條件下，空氣中的帶電顆粒對帶電運(yùn)行絕緣子串的電位和電場分布有較大影響，在考慮環(huán)境對絕緣子的影響時(shí)，不可忽略。

2）在揚(yáng)塵中帶電顆?？拷鼛щ娺\(yùn)行絕緣子串時(shí)，絕緣子傘裙的電位變化幅度明顯，在絕緣子完全處于揚(yáng)塵中時(shí)，傘裙表面電位達(dá)到最大值，其相較于潔凈時(shí)的絕緣子電位增大了13.82%。

3）在揚(yáng)塵條件下帶電顆粒對絕緣子傘裙表面的電場影響大于對金具電場的影響，電場變化最大位置在靠近低壓端傘裙根部，電場變化最大時(shí)刻為絕緣子完全處于揚(yáng)塵中時(shí)，變化量為37.14%。

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收稿日期：2024-08-19

作者簡介：李成學(xué)（1975—），男，甘肅慶陽人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)。