电气设备冲洗水射流力学计算及其应用

2023-11-11胡正庭吴慧峰刘林严杰峰梁旭常

云南电力技术 2023年5期

胡正庭，吴慧峰，刘林，严杰峰，梁旭常

（1. 广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山 528010；2. 南方电网数字电网研究院有限公司，广东广州 510663）

0 前言

电气设备带电冲洗是设备维护的重要一环，不仅可以有效提高设备的散热性能，使设备的稳定运行得到保障，还可以起到对设备定期外观检查的作用，使设备得到及时维护，避免故障发展成事故。所谓电气设备带电冲洗，其原理就是在设备接通电源的情况下，用高压泵打出高压水，经管道到喷咀把水射流正向或切向冲击被清洗的电力电瓷或玻璃外绝缘表面，从而将结垢物剥离，完成清洗作业[1-2]。这种作业方式成本较低、具有较广的适用范围，因对停电无要求而对生产运行的影响较少，尤显其对突发情况的处理上的优势。

水射流的流速、压力、方向和范围是电气设备带电水冲洗作业的关键要素，对水射流进行计算的目的是为了使水射流的这些关键参数都可控，并能根据电气设备清洗的具体需求进行调整，达到有效清洗电气设备、保证设备的安全、控制能耗、减少环境影响的目的[3]。国际标准IEEE STD 957-2005 规定了带电水冲洗所用水泵、电源、水箱、水管、喷嘴、水质的选择原则，并阐明了带电水冲洗设备配置、主要参数选用、水射流电气特性、作业原则以及冲洗气象条件、基本安全措施等要求[4]。

但因为带电水冲洗的水射流的形成和运动过程涉及到很多复杂的物理现象，包括水流的湍流化，与空气的混合，以及与电极的相互作用等，相关资料的计算过程并不完整。电气设备带电水冲洗涉及到人和设备的安全性问题[5]，因此作者认为，通过对电气设备，尤其是针对500 kV 变电一次设备，设备的带电水冲洗水射流特性、冲洗方法及工程实践需进行更深入细致的分析，建立准确的描述实际水射流行为的计算模型的研究工作很有必要。

1 电气设备冲洗水射流的机理及特性

1.1 电气设备冲洗水射流的机理

射流就是具有很高流动速度和较高动压的流线束。水射流的工作原理如图1 所示。

图1 水射流工作原理

射流按照不同的标准有不同的分类：按照驱动压力分为低压水射流（0.5～20 Mpa）、中压水射流（20～70 Mpa）、高压水射流（70～140 Mpa）和超高压水射流（140～400 Mpa）。在带电水冲洗作业中，水射流压力过大，可能会导致水溅到设备的电源插头或者电线上，从而引发电击或者短路的危险，因此需合理控制射流压强，通常要稳定在0.5～20 MPa 范围内，即中低压强等级；

按环境介质可以将射流分为非淹没式射流和淹没式射流。电气设备冲洗水射流从喷嘴出来就直接射入空气中，属于非淹没式射流；按射流的水力学特性可以将射流分为稳定射流和不稳定射流，电气设备冲洗水射流的各断面的流力特性是不随着时间的变化而变化的，只有位置不同时，其流力学特性才发生变化，所以是属于稳定的射流；按照施加载荷的方式可分为连续射流、冲击射流和混合射流。电气设备冲洗水射流的特征是刚开始时是峰值，后来稳定，是连续射流[6-8]。

1.2 电气设备冲洗水射流的特性分析

基于带电电气设备上作业的特殊性，电气设备冲洗水射流的特性有别于一般清洗作业的水射流。特别是在压强参数，电气设备带电冲洗射流参数与普通水冲洗清洁作业的射流参数区别主要在于对设备安全和性能的保护上有特殊的要求，需要更为严格的控制。只有具备分布均匀、流动稳定、射流强度适中、射流范围全面等特性的水射流，才能确保电气设备冲洗的效果，同时也保护了设备不受损害[9-11]。

首先从压力分析，电气设备带电冲洗射流压力要求通常较低。过高的压力可能导致设备表面的绝缘材料受损，增加短路和电击的风险。同时，为了防止水流直接冲击到电气设备的敏感部位，应该尽量保持水流平稳，避免产生涡流。

其次，电气设备带电冲洗射流温度也需要控制在一定范围内。过高或过低的温度都可能影响电气设备的正常工作，甚至导致设备损坏；电气设备带电冲洗射流流量需要适中。过大的流量可能导致设备内部的电路板等部件受到冲击，影响设备性能；电气设备带电冲洗射流水质应尽可能清洁，避免含有杂质的水导致设备绝缘性能下降。

2 基于流体动力学原理的水射流计算

2.1 流体动力学理论

流体力学是物理学的一个重要分支，主要研究流体（液体和气体）在静止和运动状态下的行为规律。在电气设备水冲洗水射流的计算过程中，需要考虑的因素包括水流的速度、压力、流量等参数的变化，以及这些变化对流体运动状态的影响等问题[12]，流体动力学能够准确地描述和预测流体的运动状态和力学效应，是电气设备水冲洗水射流计算的重要工具和理论依据。

水射流的形成是由于流体在压力的作用下通过喷嘴形成。水射流结构如图2 所示。

图2 水射流结构图

这个过程的描述应用流体动力学的两个基本方程，即流体的连续性方程和伯努利方程；水射流的方向是由流体初始状态和喷嘴形状决定的，属于流体动力学的流体的动量守恒基本定律；水射流的速度和压力是由流体的性质（如密度、粘度等）、初始状态（如压力、速度等）和喷嘴的形状决定的，这涉及到流体动力学的一些基本公式和理论。

2.2 基于流体力学的水射流基本方程确定

带电冲洗水射流运动的相关特征描述通常可以使用纳维- 斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）（以下简述为N-S 方程）。该方程能够对作用在流体上的力和流体运动之间的关系进行表示，它们能描述出流体的运动状态、速度、压强等重要物理量的变化，主要包括的参数有温度、密度、压强、粘度以及速度等。

由于流体带有一定粘性，在流动的过程中需满足质量和能量守恒定律。从电气设备冲洗水射流的机理可知，水属于不可压缩流体，因此其矢量微分方程列可表示为：

式中，ρ为密度（kg/m3），μ为动力黏性系数（Pas），v为速度（m/s），p为压强（Pa），F为质量力（N），Cp为定压热容（J/（mol·K）），T为温度（K），φ为耗散函数，即消耗机械功后转化为热量。k为传热系数（W/（m2K）），q为热量（J），[s]为变形率张量。

并且，由于水的冲洗压强度不会发生太大改变，也就无需考虑体积和密度的变化影响。因此，基于直角坐标系（x，y，z）下，可将以上方程简化为以下3 个方程式[13-15]：

2.3 动量方程和能量方程

1）动量方程在流体动力学中，对于一个控制体积，流入和流出的动量变化等于作用在控制体积上的力，在差分形式下，对于不可压缩的流体（如水），在某个特定方向上的动量方程：

式中，ρ是流体密度，v是流体速度，p是压力，μ是动力粘度，g是重力加速度。

2）能量方程

能量方程在流体动力学中通常被称为Bernoulli 方程。对于稳态、不可压缩的流体，沿着流线的能量守恒为：

水射流可以用这两个描述和预测流体动力学现象的方程计算。

2.4 边界条件

流体运动定解需考虑以下两方面：一是给定初始条件，二是边界条件。就前者来说，它主要涉及了速度ν、压强p、空间坐标函数关系等。具体如下：

其中，v0、p0、ρ0、T0分别为起始时刻t0的速度、压强、密度、温度。

边界条件是流体各边界的流动条件，流动界面通常由三部分构成，气体、液体和固体。

针对射流的边界条件，射流射到与其相同的静止介质中的自由淹没射流，将在外边界线上生成失稳漩涡，而这些漩涡会基于多方向任意运动，并与介质发生质量、动能交换，因此流体质点速度会在零上下浮动。基于宏观层面上来看，流体质点的速度与附近介质的速度是完全一致的，并且与力学平衡相吻合，即压强与附近介质的压强是完全一致的[18-20]。

2.5 求解方程

带电冲洗水射流段是极具代表性的一种非淹没射流，只要喷口压强发生变化，连续非淹没水射流结构也会发生相应改变，并且射流形态也会受到环境干扰，在此情况下，倘若用解析方法进行求解就显得极其困难，只能通过数值仿真或试验结果进行规律梳理与总结。

一旦方程建立起来，需要使用适当的数值方法来求解它们[21]。这需要使用有限元法、有限差分法或者有限体积法等数值计算方法。这一步通常需要使用到计算流体动力学（CFD）的软件。

3 电气设备冲洗水射流力学计算应用

3.1 一般理论值

结合实际测试从以上方程组推算，得出水射流基本参数及计算公式，见表1。由表1 可以看出，射流功率与喷咀直径的平方成正比，与压力的3/2 次幂成正比，即射流功率对直径的变化要比对压力的变化敏感。了解这一点，对射流的应用功效很有帮助，如对清洗作业结垢物疏松和较多时采用较大的喷嘴直径，而对切割，增加压力，更能显示出效果。

表1 水射流基本参数及计算公式

表2 调整收缩角和扩散角后的回归分析

3.2 水射流计算结果应用

水射流的计算，实现水射流范围控制，确保变电设备带电冲洗安全。带电设备的防护等级、电压等级和设备的距离都会对水射流有要求。若水射流过大，可能会引起电弧或者电击，造成人身安全事故或者设备损坏。

水射流方向的控制可以提高效率，通过计算水射流，更好地理解和预测水污染物的扩散，为选择合适的水压和喷嘴提供设计依据，使得清洗效果最佳、避免水资源的浪费，并避免在清洗过程中产生二次污染。

水射流强度（输出水压力）的控制，可以防止设备损坏。过大的水射流可能会对设备造成机械性损坏，如冲击破坏设备的绝缘层等。

从现场作业对水射流参数要求可知，对电气设备带电冲洗的水射流主要是计算水射流的压力、速度、流量等参数，计算结果直接影响到电气设备清洗的效果和安全，也为了更好地达到水资源利用、能耗控制更优化，环境影响最少化的目的，为各种变电设备带电冲洗的装置和系统的设计和优化提供基础技术支持，例如可以通过计算水射流来确定最佳的喷头和喷射系统，以及水泵的功率等。