带电水冲洗水柱打击力特性

李显强 王建国 樊亚东 黄松波 廖一帆 詹清华,

(1.武汉大学电气工程学院 武汉 430072 2.广东电网公司佛山供电局 佛山 528300 3.南方电网科学研究院 广州 510080)



带电水冲洗水柱打击力特性

李显强1王建国1樊亚东1黄松波2廖一帆3詹清华1,2

(1.武汉大学电气工程学院 武汉 430072 2.广东电网公司佛山供电局 佛山 528300 3.南方电网科学研究院 广州 510080)

带电水冲洗采用高电阻率水清洗绝缘子表面污秽，水柱打击力过大不利于绝缘子安全，水柱打击力过小又不利于污秽的彻底清除。建立了带电水冲洗水柱冲洗打击力实验系统，测试了中、大水冲洗三种典型喷嘴在不同冲洗角度、不同出口压强以及不同水柱长度下的水柱打击力，得到了水柱打击力与出口压强、水柱长度间的定量关系及三种喷嘴在典型带电水冲洗工况下打击力的变化范围，对进一步认识带电水冲洗水柱压力特性、带电水冲洗污秽清洗机理以及安全高效地开展带电水冲洗作业控制具有重要的理论和实践意义。

带电水冲洗 水柱 喷嘴 冲洗压力 打击力

0 引言

带电水冲洗采用高电阻率水清洗绝缘子表面污秽，具有污秽清洗彻底、清洗效率高、安全性好、对电力系统影响小、不需要停电倒闸操作等一系列优点[1-3]。如何在较短的时间内安全高效地将污秽盐密和灰密减少到规定值以下[4-7]，是带电水冲洗的关键问题。合适的冲洗打击力可有效提高冲洗效率，打击力过大可能会影响绝缘子的机械强度，打击力过小又不易将绝缘子表面的污秽冲洗干净。

国内外带电水冲洗作业文献对于水柱电阻率及水柱绝缘长度、绝缘子冲洗安全性能较为关注[8-11]，对冲洗方法和清洗效率也进行了一些探索[12，13]，对带电水冲洗水柱打击力研究基本处于空白状态。GB13395《电气设备带电水冲洗导则》[14]及IEEE STD 957-2005《IEEE GUIDE FOR CLEANING INSULATORS》[15]均未涉及水柱打击力问题。由于带电水冲洗是一种特种作业，冲洗压力、水泵参数、喷嘴直径等冲洗参数差异较大，目前研究人员及作业者对于带电水冲洗打击力变化范围、影响因素及与清洗效率和绝缘子安全关系的认识不清晰。研究带电水冲洗水柱打击力对确定合理的带电水冲洗作业工艺参数、提高冲洗效率、推动带电水冲洗技术发展具有非常重要的意义。

在武汉大学户外带电水冲洗实验场建立了打击力实验系统，研究了3种典型喷嘴在不同的冲洗角度、出口压强以及水柱长度下的水柱打击力，得到不同喷嘴在带电水冲洗典型工况下打击力的变化范围以及水柱打击力与出口压强、水柱长度间的定量关系。

1 水柱打击力实验系统

带电水冲洗所用的高压水射流在清洗作业中属于低压水射流范围[16]，射流分为紧密段、起松段、破裂段和水滴段。500 kV变电设备带电水冲洗主要对象为瓷支柱，带电水冲洗中常运用破裂段，属于空气混入两相射流。打击力实验布置如图1所示。

图1 带电水冲洗水柱打击力实验布置Fig.1 Layout of hitting force of hot washing test

打击力测量采用基于应变片原理的荷重传感器，当电阻应变片受力发生形变时，通过电阻变化来测量形变，进而计算出打击力大小，量程为294 N(30 kg)，响应时间40 ms，输出电压在0～10 V。荷重传感器共有5个，每个传感器接13cm×2.6 cm的长方形受力板，共同形成13 cm×13 cm的总受力面积，而绝缘子串两伞群的间距是13 cm，受力板受力能模拟水柱在两伞群间形成的打击力。荷重传感器布置如图2所示。

采用PCI-6221采集卡配合LabVIEW软件及计算机搭建多路数据采集系统，对荷重传感器上的电压信号进行监测、采集和存储。系统结构如图3所示。调节喷嘴与荷重传感器测力板的水平距离和垂直距离得到不同角度、不同水柱长度打击力。

图2 荷重传感器Fig.2 Loading sensor

图3 水柱打击力信号采集系统Fig.3 Signal collecting system of hitting force

实验时喷枪离地1 m高，喷枪处装有压力传感器，实验中当喷嘴出口压力稳定时对准传感器表面，同步采集喷嘴出口压力和打击力信号，采样率为3 kHz，每种工况反复做两次，每次采集10 s的数据。数据处理时取5个传感器打击力之和在一个完整周期内的平均值，即综合平均打击力，代表该水柱对被冲洗设备法向方向产生的平均作用力。

选取了220 kV、500 kV电压等级线路及变电站带电水冲洗现场中水冲(4～7 mm喷嘴)和大水冲(8 mm以上喷嘴)常用喷嘴(包括6 mm、8 mm和10 mm三种喷嘴)进行了不同水柱长度、出口压强下水柱打击力实验。喷嘴如图4所示。

图4 不同直径喷嘴Fig.4 Nozzle with different diameter

2 水柱打击力与出口压强

从小到大调节喷嘴出口水的压强，以水平方向进行打击力测量，实验结果如图5所示。

图5 打击力与喷嘴出口压强的关系Fig.5 Relationship between hitting force and outlet water pressure of nozzle

由图5可知：

1)当水柱以水平方向正面冲洗竖直放置的荷重传感器时，水柱的作用范围是一个圆形区域，水射流在喷枪里的静压转换为冲击传感器的动压，打击力与出口压强呈线性变化关系，随着喷嘴处水压提高，水柱打击力显著提高。

2)打击力随出口压强增长线性增加，喷嘴处水压提高，水柱打击力显著提高。对于6 mm喷嘴、出口压强从0.8 MPa增加到2.2 MPa时，6.2 m水柱打击力从45 N增加到123 N，11.4 m水柱打击力从9 N增加59 N。8 mm喷嘴、出口压强从0.8 MPa增加到1.8 MPa时，6.2 m水柱打击力从91 N增加到200 N，11.4 m水柱打击力从43 N增加到98 N。对于10 mm喷嘴、出口压强从0.6 MPa增加到1.4 MPa时，6.2 m水柱打击力从218 N增加到287 N，11.4 m水柱打击力从168 N增加到213 N。

3 水柱打击力与水柱长度

带电水冲洗作业中，特别是冲洗500 kV等级变电设备，绝缘子连同支柱高度较高，对水柱长度提出了更高的要求，水柱不仅需要射到被冲洗设备高压端，更须保证在最大高度时有足够的打击力，从而保证冲洗有效性和安全性。

三种直径喷嘴在不同水柱长度下水柱打击力与水柱长度间的关系如图6所示。

图6 水柱打击力与水柱长度的关系Fig.6 Relationship between hitting force and length of water column

由图6可知：

1)打击力与水柱长度之间关系密切。随着喷嘴处水压提高，水柱的打击力急剧衰减。

2)出口压强为0.8 MPa、水柱长度从6.2 m增加到11.4 m，对于6 mm喷嘴，水柱打击力从45 N下降到9 N；对于8 mm喷嘴，水柱打击力从90 N下降到43 N；对于10 mm喷嘴，水柱打击力从237 N下降到186 N。出口压强为1.0 MPa，水柱长度从6.2 m增加到11.4 m，6 mm喷嘴水柱打击力从55 N下降到12 N；8 mm喷嘴，水柱打击力从106 N下降到52 N；10 mm喷嘴，水柱打击力从248 N下降到189 N。

3)从水柱基本结构分析，当水从水枪喷嘴以较高的速度喷出后，水柱射流与空气发生摩擦，并卷吸其周围一部分空气以小气泡的形式随水柱一起向前流动。水柱自身的一部分动能传递给这些小气泡而使水柱动能减少。水柱在向前运动的过程中，不断与空气摩擦和撞击，同时吸入空气，其结果是使高压水柱逐渐疏松，形成散花。水柱横截面不断扩大，受到空气的阻力也不断增加，导致水柱动能丧失、流速迅速降低，因此水柱的冲洗打击力也减弱。

4 水柱打击力与冲洗角度

带电水冲洗过程中存在两个冲洗角度——垂直与水平。垂直冲洗角度是指水柱与地面的夹角，而水平冲洗角度是被冲洗的绝缘子和临近的绝缘子的连线与水柱之间的锐角。本文冲洗角度为水柱与地面的夹角，即垂直冲洗角度。

喷嘴在不同冲洗角度、出口压强、水柱长度下对绝缘子的打击力对带电水冲洗作业中选择合适的冲洗参数、提高清洗效率有重要作用。GB13395-2008《电力设备带电水冲洗导则》规定带电水冲洗角度一般不超过45°。对于500 kV变电站，设备高度更高，开展带电水冲洗作业后冲洗角度有可能大于45°，故有必要对各种喷嘴在不同冲洗角度的打击力进行测量和研究。

在变电站的带电水冲洗中，6 mm喷嘴常用于110 kV、220 kV大中型直径变电设备。8 mm喷嘴常用于220 kV及500 kV大直径变电设备。10 mm喷嘴由于射程远，常用于500 kV大直径变电设备冲洗或220 kV、500 kV变电站支柱较高、水柱长度10 m以上绝缘子的冲洗。

采用6 mm、8 mm、10mm三种喷嘴、在10°、20°、30°、40°、50°五个角度下进行水柱冲洗打击力测量。测量结果分别见表1～表3。绘制打击力与3个因素关系如图7～图9所示。

水柱打击力F与出口压强P、水柱长度D都有明显的相关性，因此进行多项式拟合，得到拟合式见表4～表6。

由图7～图9以及表1～表6可知：

1)三种喷嘴不同角度水柱打击力随冲洗角度的增加而减少。因此，在允许的范围内降低冲洗角度可提高带电水冲洗水柱打击力及清洗效率。

2)水柱打击力F取决于出口水压强P和水柱长度D。拟合式P的二次方前面系数为正数，说明打击力F随P的增加而增加，D的二次方前面系数为负数，说明打击力F随D的增加而减少。在满足水柱绝缘性能的前提下，缩短水柱长度是提高带电水冲洗水柱打击力及清洗效率的有效方法。

表1 6 mm喷嘴水柱打击力Tab.1 Hitting force of 6 mm nozzle (单位：N)

图7 6 mm喷嘴水柱打击力Fig.7 Hitting force of 6 mm nozzle

表2 8 mm喷嘴水柱打击力Tab.2 Hitting force of 8 mm nozzle (单位：N)

图8 8 mm喷嘴水柱打击力Fig.8 Hitting force of 8 mm nozzle

表3 10 mm喷嘴水柱打击力Tab.3 Hitting force of 10 mm nozzle (单位：N)

图9 10 mm喷嘴水柱打击力Fig.9 Hitting force of 10 mm nozzle

表4 6 mm喷嘴水柱打击力与水柱压强、水柱长度拟合Tab.4 Fitting of pressure and length for hitting force of 6 mm nozzle

表5 8 mm喷嘴水柱打击力与水柱压强、水柱长度拟合Tab.5 Fitting of pressure and length for hitting force of 8 mm nozzle

表6 10 mm喷嘴水柱打击力与水柱压强、水柱长度拟合Tab.6 Fitting of pressure and length for hitting force of 10 mm nozzle

3)冲洗角度增加，水柱能量不仅要克服空气阻力，更要克服自身重力，不断卷入的空气使水柱形态更加复杂。故在冲洗角度大于40°时，3个喷嘴打击力F与P、D的拟合确定系数呈降低趋势。

5 结论

本文开展了带电水冲洗水柱打击力系统实验，研究了三种典型喷嘴在不同出口压强、不同冲洗角度、不同水柱长度下的水柱打击力，得到了水柱打击力与出口压强、水柱长度间的定量关系。

1)水柱打击力和出口压强基本呈线性关系，随着喷嘴处压强的提高，水柱的打击力显著提高。在一定范围内增加出口压强是提高带电水冲洗水柱打击力和清洗效率的有效方式。

2)随着水柱长度的增加，水柱的打击力急剧衰减。在满足水柱绝缘性能的前提下，缩短水柱长度，是提高带电水冲洗水柱打击力和冲洗效率的有效方法之一。

3)冲洗角度增加的同时，水柱打击力随之减少。因此，在允许范围内减少冲洗角度是提高带电水冲洗水柱打击力和清洗效率的有效方法之一。

4)220 kV及500 kV支柱绝缘子弯曲机械破坏负荷一般不小于6 kN和8 kN。实验表明，对于6.2 m～11.4 m@1.2 MPa及10°～50°带电水冲洗，6 mm喷嘴打击力在13.5～62.24 N，8 mm喷嘴打击力在39.6～130.21 N，10 mm喷嘴打击力在110.85～278.47 N，带电水冲洗打击力是可控的，远小于绝缘子弯曲机械破坏负荷，可保障绝缘子冲洗安全。

[1] SD129—84.电气设备带电水冲洗导则(试行)及编制说明[S].北京：水利电力出版社，1984.

[2] 王如璋.电气设备带电水冲洗培训教材(上)[J].电网技术，1987(2)：59-73. Wang Ruzhang.Training materials of hot washing for electric power apparatus (Ⅰ)[J].Power System Technology，1987(2)：59-73.

[3] 王如璋.电气设备带电水冲洗培训教材(下)[J].电网技术，1987(3)：51-64. Wang Ruzhang.Training Materials of hot washing for electric power apparatus (Ⅱ)[J].Power System Technology，1987(3)：51-64.

[4] 王建国，王康，姚森敬，等.不带电条件下复合绝缘子与XP—70绝缘子自然积污特性对比分析[J].高电压技术，2013，39(4)：957-963. Wang Jianguo，Wang Kang，Yao Senjing，et al.Comparison and analysis on natural contamination characteristics of uncharged composite insulator and XP-70 insulator[J].High Voltage Engineering，2013，39(4)：957-963.

[5] 李恒真，叶晓君，刘刚，等.广州地区输电线路沿线绝缘子自然污秽化学成分的来源分析[J].高电压技术，2011，37(8)：1937-1943. Li Hengzhen，Ye Xiaojun，Liu Gang，et al.Source analysis on the chemical compositon of natural contamination on the line insulator in Guangzhou area[J].High Voltage Engineering，2011，37(8)：1937-1943.

[6] 王康，王建国，姚森敬，等，深圳地区支柱绝缘子自然积污特性[J].高电压技术，2014，40(3)：780-786. Wang Kang，Wang Jianguo，Yao Senjing，et al.Natural contamination characteristics of post insulator in Shenzhen area[J].High Voltage Engineering，2014，40(3)：780-786.

[7] 王彬，梁曦东，张轶博，等.交、直流电压下复合绝缘子和瓷绝缘子的自然积污实验[J].高电压技术，2009，35(9)：2322-2328. Wang Bin，Liang Xidong，Zhang Yibo，et al.Natural pollution test of composite and porcelain insulator under AC and DC stress[J].High Voltage Engineering，2009，35(9)：2322-2328.

[8] Johnson Jamison C.Insulator hot washing with deionized water[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1976，95(3)：864-870.

[9] Fujimura T，Okayama M，Isozaki T.Hot-line washing of substation insulators[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1970，89(5)：770-774.

[10]Yasuda M，Fujimura T.A study and development of high water pressure hot line insulator washing equipment for 500 kV substation[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems 1976，95(6)：1919-1928.

[11]Perin D，Pigini A，Visintainer I，et al.Live-line insulator washing：experimental investigation to assess safety and efficiency requirements[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10(1)：518-525.

[12]黄松波，王祖林，樊亚东，等.500kV输电线路绝缘子串带电水冲洗[J].中国电机工程学报，2014，34(27)：4724-4730. Huang Songbo，Wang Zulin，Fan Yadong，et al.Research on hot washing technology of 500 kV transmission line insulator strings[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(27)：4724-4730.

[13]王祖林，王建国，黄松波，等.500 kV输电线路4联污秽绝缘子串带电水冲洗[J].高电压技术，2014，40(12)：3688-3694. Wang Zulin，Wang Jianguo，Huang Songbo，et al.Hot washing of quadruple polluted insulator string on 500 kV transmission line[J].High Voltage Engineering，2014，40(12)：3688-3694.

[14]GB/T 13395-2008.电力设备带电水冲洗导则[S].北京：中国标准出版社，2008：10.

[15]IEEE Guide for cleaning insulators[S].IEEE Std.2005.

[16]李晓红，卢义玉，向文英.水射流理论及在矿业工程中的应用[M].重庆：重庆大学出版社，2007.

Experimental Research on Hitting Force Characteristics of Water Column in Hot Washing

LiXianqiang1WangJianguo1FanYadong1HuangSongbo2LiaoYifan3ZhanQinghua1，2

(1.School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China 2.Foshan Power Supply Breau Guangdong Power Grid Corp Foshan 528300 China 3.Electric Power Research Institute CSG Guangzhou 510080 China)

The hot washing of insulators uses high resistivity water to remove pollution away.Stronger washing hitting force may impede the safety of the insulator，while weaker hitting force cannot wash the pollution away completely.The washing hitting force of the water column in hot washing is studied with experiments in this paper.The quantitative relationship between the hitting force and the nozzle pressure and water column length is studied through the measurement of the hitting power with three typical nozzles under various typical working conditions，i.e.washing angles，nozzle pressures，and water column lengths.The work of this paper has important theoretical and practical significance for further understanding the hot washing water pressure characteristics，washing mechanism，and safety efficiently operation control method.

Hot washing，water column，nozzle，washing pressure，washing hitting force

2014-11-26 改稿日期2015-02-11

TM84

李显强 男，1973年生，博士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术。

王建国 男，1968年生，教授，博士生导师，研究方向为雷电防护与接地技术、高电压绝缘与测试技术。