干冰清洗变电站绝缘子试验

张华荣，冯敏星，徐 纲，梅小云，程小杰

（国网江苏省电力有限公司东台市供电分公司，江苏盐城 224200）

0 引言

本次研究侧重于对干冰清洗变电站绝缘子的效果进行试验，因此需要对清洗接触网的实际需求进行分析，在此基础上制定干冰清洗装置的设计方案，分析干冰清洗装置在实际作业过程中的安全性。

在Fluent 仿真软件的基础上设计干冰喷枪，研究内容主要包括干冰喷枪的参数对干冰颗粒的实际影响，运用田口法进一步优化干冰喷枪参数。最终确保干冰清洗可以满足实际变电站绝缘子清洗需求。

1 变电站绝缘子污秽闪络的状况

1.1 污秽闪络的危害

变电站绝缘子出现污秽闪络现象会造成接触网供电系统跳闸，并且污秽闪络常见于空气尘埃大量存在的秋冬时期。如果变电站绝缘子频繁出现污秽闪络现象就会妨碍电力系统的正常供电，严重时会造成电力系统设备的损坏，污秽闪络使供电系统的安全性面临巨大的挑战。

尽管现阶段在全球范围内已经开展一系列的环保计划，但是大气污染程度仍然在不断加剧，对生态环境造成破坏的同时也造成了输电线路频繁出现污秽闪络现象。高频度的污秽闪络很容易造成电网故障从而引发大范围停电，这种故障会给电力抢修造成较大的难度，通常需要付出高额的代价。

1.2 清洗变电站绝缘子的优缺点对比

当输电线路因为污秽闪络造成故障从而进行清洗的方式被称为被动维护。为了避免电力故障的发生，电力工作部门需要采取主动维护方式防患于未然。现阶段常见的电路主动维护清洗方式有人为清扫、水冲洗、气吹冲洗、机械干清扫、蒸汽清洗、干冰清洗。每一种清洗方式都有各自的优缺点，表1 为现阶段各类电路清洗方式优缺点对比。

表1 各类电路清洗方式优缺点对比

2 干冰清洗供应方案

干冰清洗装置的主要组成部分有液态CO2储存装置、干冰制造装置、干冰存储装置、干冰输送装置、气压装置。

干冰清洗装置不需要自行设计，通过采购即可。干冰作为一种即时消耗品并不能进行长期存储，因此对于清洗时需要使用的干冰可以采取两种方式：一是将液态的CO2放入干冰造粒机，即可获得干冰；二是直接购买。表2 为两种干冰获取方式的成本对比。

表2 两种干冰获取方式成本对比

3 干冰喷枪的优化设计

3.1 设计干冰内腔

作为整个干冰清洁系统的重要组成部分，干冰喷枪的性能直接决定了清洗效果的质量。干冰喷枪的性能主要取决于其气体特性。本次研究中设计的干冰喷枪需要满足以下条件：①喷枪入口压力在0.5～1 MPa，喷枪出口的风速需要≥600 m/s；②干冰颗粒抵达目标位置时，速度需要≥300 m/s，有效覆盖直径与宽度需要达到20 cm；③符合安全距离的实际需求。

3.2 喷枪的流场特性

喷枪的流场特性与干冰颗粒特性受到喷枪内腔、输入压力、干冰颗粒的尺寸与性状等因素的影响。

在进行Fluent 仿真时，首先假设干冰颗粒的持续相与连续相具有较小的比率，正因如此干冰颗粒间的相互作用与颗粒相体积占比对于流体流场特性的影响并不明显，一般情况下颗粒相的体积占比小于10%～12%，固体相的质量占比可以大于10%。本次研究中选用的固体干冰颗粒加载体积的速率为2.12×10-5m3/s，内流场空气流动体积速率为2.5×10-2m3/s，二者之间相差3 个数量级，因此在本次研究中选择了离散相模型进行研究。

首先简化模型，忽略喷枪自身宽度，在二维平面内进行仿真模拟。在二维仿真模型中设定边界条件：假设喷枪内部气流为理想化的可压缩流体，干冰颗粒的密度为1572 kg/m3，直径4.07 mm，长3 mm，球形度0.84，质量加载速率0.0.3 kg/s，入口压力0.5 MPa，出口压力0.1 MPa。干冰的特性决定了干冰的汽化现象且时间较短，因此在喷枪轴线方向上的计算区域不可过大，经查阅相关资料，最终确定喷枪外流畅计算区域为0.8 m×0.6 m。

4 田口法优化干冰喷枪内腔

考虑到喷枪的流场特性会受到结构多种参数的影响，因此本次研究中使用田口法对喷枪结构几何参数进行优化设计。

田口法由日本著名质量管理专家田口玄一于20 世纪70 年代提出。田口法可以有效优化工程设计，在设计阶段可以有效避免因产品质量造成的一系列问题。在工程设计过程中使用田口法可以提升问题解决速度以及降低设计成本，突破工作瓶颈达到最终目标。

使用田口法实现参数优化有以下具体步骤：

（1）确定品质特性。要对产品的属性实现改良或设计，需要严格结合产品的品质特性。品质特性由对实数进行测量获得，选择恰当的品质特性可以确保产品性能的优化。

（2）计算品质特征的理想值。

（3）寻找影响因子。产品设计过程中常见的影响因子：①信号，体现产品的反应值，为了更好地体现产品的反应值有时可以选取多个信号影响因子；②杂音，绝大部分杂音影响因子均为人为不可控因素，因为杂音影响因子的存在，常常造成品质特征缺失，杂音影响因子可以大致分为外在、零件间变异、损坏；③控制，与杂音影响因子正相反，绝大部分控制影响因子均是人为可控因素。将所以可对产品品质特性产生影响的控制因子罗列出来。

（4）水准确定。虽然对产品品质特征产生影响的因子有很多，但是即便如此也不是所有的因子都可以作为控制影响因子，因为一些因子对于产品品质特征的影响微乎其微，可以忽略，故此不作考虑。除此之外一些因子还会使产品设计成本增加，因此需要对设计的经济性进行考量从而进一步确定控制因子。

（5）在水准数控以及控制影响因子数量的基础上制作直交表，进一步完善试验计划。

（6）完成实验并收集数据。

（7）分析资料。分析资料的过程中需要侧重于水准变化对于目标参数造成的实际影响。以计算得出的影响效应对水准进行不断地调整，目的是为了实现产品特质与预期效果更加接近。

（8）进一步确认新的设计值。确定控制影响因子的最优解组合后，对产品的品质特征值进行判断，随后将确认实验值与产品品质特征值进行对比，如果二者间差距甚微，即可认定该解为最优解。

5 结论

由于污秽闪络可能造成大面积停电，给生产和生活造成损失，因此电力部门有必要对变电站绝缘子污秽颗粒进行有效清理，避免污秽闪络现象的发生。本次研究对变电站绝缘子污秽闪络的状况进行介绍，包括污秽闪络的危害、清洗变电站绝缘子的优缺点对比；提出干冰清洗供应方案；分析清洗作业实际需求，包括清洁度需求、清洗装置要求；对干冰喷枪进行优化设计，具体包括设计干冰内腔、喷枪的流场特性、喷枪的二维特性；以田口法为基础对喷枪内腔进行优化设计。