低风速下瓷三伞绝缘子积污特性数值模拟研究

吕玉坤，李金岗，刘云鹏，史久志，张雪梅，李志超

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2.华能发电有限责任公司太仓电厂，江苏 太仓 215424)



低风速下瓷三伞绝缘子积污特性数值模拟研究

吕玉坤1，李金岗1，刘云鹏1，史久志1，张雪梅1，李志超2

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2.华能发电有限责任公司太仓电厂，江苏 太仓 215424)

为探讨瓷三伞绝缘子表面积污规律，以XSP-160型瓷三伞绝缘子为研究对象，利用COMSOL模拟了其风洞条件下的积污特性，并与风洞试验结果进行了对比，结果验证了此方法的可行性。藉此，用该方法研究了该绝缘子自然条件下的积污特性与沿伞裙积污分布规律。结果表明：绝缘子表面积污直交比随风速增大而减小，随粒径增大而增加；与交流电和不带电情况相比，直流电作用下其表面整体积污量及其增长速度更大、更快，而前两种情况下，积污量相当，且基本不随粒径变化；小风速大粒径直流电作用下的绝缘子沿伞裙表面积污量呈不规则“U”形分布；随风速增大、粒径减小，“U”形分布特性逐渐消失。

瓷三伞绝缘子；自然积污特性；数值模拟；伞裙

0 引 言

自20世纪以来，大气污染等问题加重了暴露在大气中绝缘子表面污秽的沉积，在雨雪、冰露、大雾等潮湿环境下污层吸湿受潮，导致其电气绝缘性能劣化，甚至发生闪络，严重影响电网安全运行[1]。由于绝缘子积污导致的电力系统污闪事故，其发生的次数虽然仅次于雷击事故，但对电力系统外绝缘造成的危害却是最大的[2]。因此，研究绝缘子积污特性，对预防污闪事故发生，保证电力系统的安全运行具有十分重要的现实意义。

目前研究方法方面，国内外主要有自然积污试验[2-3]、人工污秽试验[4-5]和数值模拟分析[6-7]等。自然积污试验法其结果能最真实、最直接地表明绝缘子实际运行条件下的特性。但周期长、易受周围条件影响，结果分散性大，其研究成果推广应用尚存诸多困难[8-9]。人工污秽试验由于其可以根据需要人为控制并在较短时间获得大量结果而得到了广泛应用；但其边界条件设置很难同自然条件相吻合，结果偏差较大[9-10]。数值模拟虽然较抽象，在模拟分析过程中，需要进行一定简化，但其成本低、时间短，并可获得单一因素的影响[11-12]，且合理的数值模拟方法对实验研究和理论分析具有指导作用。

研究成果方面主要有：文献[13]进行了大量的自然积污试验研究，总结了污秽在绝缘子表面的沉积规律。在该方面做出了指导性的研究工作，为人工试验和数值模拟提供了大量对比性的数据。文献[14]利用风洞模拟系统进行了沙尘暴环境下长棒形、三伞型瓷绝缘子和复合绝缘子的带电积污试验，对比了三者的空气动力学性能。得出在风洞所模拟的沙尘暴环境下，三伞型瓷绝缘子表面积污量最大。但沙尘环境有一定局限性，且没有考虑粒径分布的影响。文献[15]结合风洞试验对直流高压条件下污秽颗粒的运动特性进行了研究，认为在粒径1～10 μm时污秽颗粒的运动轨迹取决于绝缘子周围电场分布，大于10 μm时则取决于流体曳力。文献[16]利用Fluent模拟了尘粒布朗运动、气流曳力、湍流扩散、重力等因素对绝缘子表面积污的影响，但忽略了电场力作用。

本文以XSP-160型瓷三伞绝缘子为研究对象，利用COMSOL软件模拟本校风洞条件下绝缘子的积污特性，并与风洞试验结果进行对比验证，以探讨该方法的可行性。在此基础上，拟对其自然积污情况进行仿真，分析其自然积污特性以及沿伞裙的积污分布特性。

1 计算方法及控制方程

颗粒运动过程中主要受到重力、稳态曳力、电场力、极化力以及压力梯度力等作用。其中，极化力、压力梯度力等均很小，对颗粒运动的影响并不明显，均可忽略[17～18]。故本文假定颗粒在运动过程中只受重力、稳态曳力和电场力的作用。控制方程如下。

电场力：

式中：e为元电荷；E为电场强度；z为颗粒荷电量；

重力：

式中：mp为颗粒重量；ρp为颗粒密度；ρ为空气密度。

稳态流场的曳力：

式中：τp为颗粒响应时间；u为气体流速；v为颗粒速度；dp为颗粒粒径；μ为运动粘度。

颗粒运动特性由下式确定。

积污量的计算：

本文采用拉格朗日模型模拟气固两相流(具体边界及物性条件设置见下文)，并以绝缘子表面灰密值(硅藻土)作为污秽颗粒在绝缘子表面沉积状况的评价指标。积污量是指在确定的时间段内(如自然积污为5个月)，绝缘子表面单位面积上沉积的污秽量(灰密值)，以NSDD表示，单位为mg/cm2。

积污量的具体计算方法：利用comsol的统计功能，获得模拟积污时长时绝缘子伞裙表面污秽颗粒的沉积总数，并将其换算为风洞试验积污时长时的积污量。其计算公式为

式中：n为伞裙表面污秽颗粒沉积的总数，软件中可以直接获取；ξ为时间系数；m为单个颗粒质量；ts为风洞试验积污时间；tp为积污模拟时长；S为绝缘子伞裙总表面积。

2 风洞试验简介及其数值模拟结果的对比分析

2.1 本校闭式风洞试验简介

本校风洞积污模拟试验[19]装置如图1所示。试验在低速段(10.5 m×1.1 m×0.8 m)进行，风速为自然微风：4 m/s。限于试验段结构，选XSP-160型瓷三伞绝缘子3片垂直悬挂，串长为0.51m，绝缘子实物如图2所示。以下伞裙钢脚为高压端，上伞裙铁帽为接地端，试验电压及范围：DC，±12 kV～±36 kV，电压持续作用于整个积污过程。污秽颗粒试样：细沙、硅藻土与Nacl颗粒以6∶6∶1混合的混合物，粒径分别为100 μm、50 μm、100 μm，密度分别为2.32 g/cm3、0.47 g/cm3、2.165 g/cm3。试验中主要测量绝缘子伞裙表面的灰密值(硅藻土)作为积污量，每种情况重复3次取其平均。

图1 风洞试验室结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Wind Tunnel Laboratory

图2 瓷三伞绝缘子物理模型及伞裙划分 Fig.2 Geometrical model and sheds division of Porcelain Three Umbrella Insulators

2.2 风洞积污特性数值模拟研究

2.2.1 物理模型建立及网格划分

瓷三伞绝缘子风洞试验低速段的几何物理模型如图3所示。对应风洞试验中低速段的几何结构尺寸构建相同的长方体，并在其外部建立一个厚度为100 mm的虚拟区域——“无限元域”——电磁波的吸收区域。在保证计算精度的前提下，绝缘子表面使用自由剖分三角形网格，其它区域使用自由剖分四面体网格。经网格无关性验证后，确定网格数量为70万时可以较好的权衡计算精度和计算时间的影响。

图3 风洞试验低速段几何物理模型及边界条件示意图Fig.3 Geometric model of the low-speed test section of the wind tunnel and the boundary conditions

2.2.2 边界及物性条件设置

流场采用时均法，为更好地处理高应变率及较大流线弯曲程度的流动，选择RNGk-ε模型。在图3中，流场入口为速度入口，以4m/s的速度垂直速度入口均匀送入空气；出口为压力出口；其余四个面设为壁面，采用壁面函数求解速度、压力分布；电磁场计算区域外边界为默认的电绝缘边界条件；在“粒子追踪”模块中定义施加到颗粒上的各力，颗粒从入口随风送入。

2.2.3 数值模拟结果与试验结果对比分析

图4为绝缘子表面积污量的风洞试验结果和数值模拟结果对比图。由图4可知，数值模拟结果的积污量小于风洞试验结果，但两者属于同一量级，整体上随直流电压变化趋势一致且呈“V”形分布。虽然风洞数值模拟结果与试验结果存在一定的差异，但规律性较为吻合，从而验证了本文采用的数值模拟方法是可行的。

图4 绝缘子表面积污量的风洞试验和数值模拟结果对比图Fig.4 Comparison of wind tunnel test results with simulation results

风洞实验与仿真结果出现的差异在一定程度上是由以下因素造成的：

(1)钢脚、铁帽等金属部件的复杂结构在局部高压区域下可能造成空间场强畸变，从而影响颗粒的运动轨迹。

(2)污秽颗粒物的荷电情况极为复杂，实际情况中颗粒荷电量的极性及大小不断变化，影响颗粒所受电场力大小，这一点在本文的数值模拟方法中尚无法完全实现。受资源限制，无法完整复现风洞实验的整个动态积污过程。

3 瓷三伞绝缘子自然积污特性数值模拟

基于上文模拟方法对XSP-160型瓷三伞绝缘子自然积污特性进行数值模拟，分析在直流、交流以及不带电情况下，风速、粒径等对绝缘子自然积污特性的影响以及污秽沿绝缘子伞裙的分布特性。

3.1 自然积污仿真模型建立

建立与风洞试验数值模拟类似的自然积污物理模型，其网格剖分及伞裙编号如图5所示，选取7片绝缘子串。边界条件设置如下：风速分别为0.5、3、5 m/s，粒径分别为5、10、20 μm。对应7片绝缘子的电压等级，在绝缘子上分别施加90 kV直、交流电压，且持续作用于整个模拟过程。其它条件的设置同风洞试验。

图5 自然积污模型计算区域网格剖分及伞裙编号示意图Fig.5 Schematic diagram of grid in natural pollution model computing area and numbering of various sheds of the porcelain insulator

3.2 瓷三伞绝缘子自然积污特性影响因素分析

以XSP-160型瓷三伞绝缘子表面整体积污量和沿其伞裙的积污分布情况来分析绝缘子的自然积污特性。积污模拟时间段对应为10月至次年3月的少雨季节，即模拟绝缘子在积污期内的污秽自然沉积情况。

3.2.1 颗粒受力量级分析

要研究污秽颗粒在绝缘子表面的沉积特性，首先要清楚颗粒所受重力、曳力、电场力的相对大小关系。图6为不同粒径颗粒所受的气流曳力及电场力相对于重力的大小。其中负号代表方向相反。

图6 曳力及电场力相对于重力的大小Fig.6 Drag force and the electric force relative to the size of gravity

由图6可知：dp分别为10 μm和20 μm时，颗粒所受各力中，曳力均最大，重力次之，电场力最小。在上述两种粒径下，曳力比重力分别大两个和一个量级，电场力与重力在同一个量级，即曳力比电场力也大1～2个量级。故颗粒受曳力作用最大。

3.2.2 风速对自然积污的影响分析

图7为绝缘子表面整体积污量与风速的关系曲线。由图7可知，绝缘子表面整体积污量随风速增大而增加，小粒径下(≤10 μm)增加得更明显，在20 μm粒径下随风速的变化趋于平缓，说明在一定范围内粒径越大，风速对积污的影响越弱，积污量随风速的增加趋于饱和；绝缘子表面积污量的直交比随风速增大而减小。

图7 积污量与风速关系Fig.7 Deposition vs. wind speed curve

风速通过对流场曳力的影响，进而影响绝缘子表面积污量。风速较小时，颗粒在流场曳力作用下跟随气流在空间中运动，流经绝缘子附近时，颗粒跟随气流掠过绝缘子表面，发生碰撞的概率较低，故积污量较小；随风速增加，颗粒自身的惯性作用逐渐增强并大于对气流的跟随性，污秽颗粒在绝缘子表面附近运动时易偏离气流轨道，与绝缘子表面发生碰撞概率增大，最终导致绝缘子表面积污量增加。

3.2.3 粒径对自然积污的影响分析

图8 不同风速下积污量随粒径变化曲线Fig.8 Deposition vs. particle size curve

不同风速条件下积污量随粒径变化如图8所示。对比图8可知：不同风速时直流电作用下的绝缘子的积污量随着颗粒粒径的增大而持续增加。这是因为：颗粒重力同其粒径的三次方成正比关系。随着粒径的增加，颗粒的重力增加，颗粒比表面积(颗粒面积与颗粒质量的比值)减少，流场湍流脉动对颗粒单位面积作用力虽然也是增加的，但随着粒径增加，其相比重力增加得较少；重力增加后，颗粒的惯性作用增强。相比小粒径颗粒，大粒径的颗粒重力作用明显，自身惯性作用较强，气流跟随性减弱，故容易偏离气流轨道，从而与绝缘子发生碰撞，此时重力作用沉降也会增强，而小粒径颗粒由于自身惯性作用弱，对气流的跟随性强，不容易偏离气流轨道而随风绕过伞裙表面。因此，随着粒径的增加，颗粒在伞裙表面碰撞概率增加。由图8还可知：与不带电和交流电作用下相比，绝缘子表面积污量及其增长速度直流电作用下更大、更快，而前两种情形下积污量相当，且基本不随粒径变化。绝缘子表面积污量的直交比随粒径增大而增加。

3.2.4 沿绝缘子伞裙的积污分布特性

图9 积污量沿伞裙分布情况Fig.9 The quantity of contamination along distribution umbrella group parachute skirt

图9为绝缘子表面积污量沿伞裙的分布情况。由图9可知：直流电作用下，1号和7号伞裙的积污量明显较其它伞裙大，绝缘子表面积污量沿伞裙呈不规则“U”型分布。1号和7号伞裙电势、场强较大，带电颗粒在电场力的作用下脱离空气气流，与绝缘子表面发生碰撞，因此积污量较大。中间位置3、4、5号伞裙场强较小，颗粒所受电场力不足以脱离原运动轨迹，遂跟随气流掠过绝缘子，与伞裙表面发生碰撞的概率较低，故中间位置伞裙的积污量较少。

对比图9(a)和9(c)，同粒径不同风速，大风速(5 m/s)直流电作用下的积污曲线完全偏离“U”型分布。对比图9(c)和9(d)，同风速不同粒径，大粒径(10 μm)直流电作用下的曲线呈“U”型分布。说明在大风速(5 m/s)、小粒径(5 μm)下，直流电场力的影响较弱，颗粒不足以克服流体曳力的影响使其脱离原运动轨迹与绝缘子表面发生碰撞并沉积。

综上所述，在小风速大粒径下，直流电作用下绝缘子表面积污量沿伞裙呈不规则“U”形分布，高压端和接地端积污量较大；随着风速增大、粒径减小，“U”形分布的特征逐渐消失，电场力的作用对绝缘子表面积污的影响减弱。

4 结 论

经分析，瓷三伞绝缘子数值模拟结果与风洞试验结果积污量的数量级相同，整体上随直流电压的变化趋势一致且呈“V”形分布，验证了本文所采用的模拟方法的可行性。通过对自然积污的数值模拟，主要得出以下结论：

(1)绝缘子表面积污量及其增长速度在直流电作用下更大、更快，而不带电和交流电作用下积污量相当且基本不随粒径变化。

(2)绝缘子表面积污量的直、交流积污比随风速增大而减小，随粒径增大而增加。

(3)小粒径下(≤10 μm)积污量随风速增加而增加的趋势更明显，在20 μm粒径下随风速的变化趋于平缓，说明在一定范围内粒径越大，风速对积污的影响越弱，积污量随风速的增加趋于饱和。

(4)小风速、大粒径下，直流电作用下绝缘子表面积污量沿伞裙呈不规则“U”形分布，高压端和接地端积污量较大；随风速增大粒径减小，“U”形分布的特性逐渐消失，电场作用对绝缘子表面积污的影响减弱。

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Numerical Simulation Study on Pollution Accumulation Characteristics of Three Umbrella Porcelain Insulators under Low Wind Speed Condition

LV Yukun1, LI Jingang1, LIU Yunpeng1, SHI Jiuzhi1, ZHANG Xuemei1, LI Zhichao2

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Taicang Power Station of China Huaneng Group, Taicang 215424, China)

In order to investigate the pollution accumulation rule on the surface of three umbrella porcelain insulators. Using COMSOL, a simulation of the pollution accumulation characteristics of the XSP-160 Porcelain Three Umbrella Insulators was conducted in the wind tunnel at North China Electric Power University, and the simulation results were compared with the results from the wind tunnel test conducted at the campus. The verification results confirm the rationality of the simulation method. Based on these results, the natural contamination characteristics of the insulator and the distribution of pollution along umbrella skirt were analyzed by this method. The results show that the propportion of NSDDDCto NSDDACon the insulator surface decreases as the wind speed increases, and increases with increasing particle size. Compared with AC voltage and the unelectrified state, DC voltage leads to a greater overall deposition of contaminants on the insulator surface and a faster rate of increase. However, the values of the deposition under AC voltage and the unelectrified state are similar, they essentially do not change with increasing particle size. In the small wind speed or large particle size, the deposition along umbrella groups has a irregular “U” type distribution under DC condition. With the increase of wind speed or the decrease of particle size, the feature of "U" type distribution gradually disappear.

three umbrella porcelain insulators; natural pollution accumulation characteristics; numerical simulation; umbrella skirt

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.09

2016-03-07.

国家电网公司科技团队项目(GY7111053).

TM216

A

1007-2691(2016)05-0055-07

吕玉坤(1964-)，男，副教授，主要从事绝缘子积污特性、泵与风机节能技术以及大型回转机械经济运行方面的研究；李金岗(1990-)，男，硕士研究生，主要从事绝缘子积污特性、汽轮机在线监测系统方面的研究；刘云鹏(1976-)，男，教授，主要从事特高压输电技术、电气设备在线检测和故障诊断等方面研究。