覆冰復合絕緣子的流體力學特性分析

王振華 錢懿如 李成成

摘? 要：以三大二小傘裙結構的復合絕緣子為仿真模型，研究復合絕緣子覆冰情況下的流體力學特性。結果表明，氣流在繞過覆冰復合絕緣子芯棒和傘裙的過程中，絕緣子芯棒后面的流速很低，絕緣子背風面有輕微渦流產生，水滴隨氣流存在回流現象，芯棒處回流現象也更加明顯，隨著覆冰的發展，覆冰速度先增大后減小，覆冰厚度10mm時覆冰速度達到最小。

關鍵詞：復合絕緣子? 覆冰? 流體力學

中圖分類號：TM216 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0098-02

1? 絕緣子仿真模型與分析方法

1.1 模型選擇

建立三大二小傘裙結構的復合絕緣子模型，覆冰厚度的增加在傘裙上部分和芯棒上加厚，分別加2、5、10mm作為不同覆冰情況的模型。對于覆冰2、5、10mm的模型，分別在上傘裙還有芯棒上增加相應的尺寸，形成新的覆冰模型。

1.2 分析方法

利用fluent軟件進行仿真分析，將絕緣子置于風洞內，風洞中的氣流可看作是低速不可壓縮的流體，因此求解器選擇壓力基隱式算法，選取k-ε模型，標準k-ε模型的湍流動能k和湍流耗散率ε的半經驗公式為：

（1）

（2）

（3）

其中，k、ξ分別為湍流動能和湍流耗散率;Pt為湍動能生成項;?t為湍流粘性系數。

風洞出口為出流邊界條件，絕緣子表面為無滑移壁面邊界，采用標準壁面函數法處理。

2? 氣流發展狀況

由靜壓云圖可判斷氣流與絕緣子表面碰撞的激烈程度，即絕緣子受力情況[1]，由仿真發現復合絕緣子的上傘裙迎風面壓力大，由于下傘裙有7°的傾角，其迎風面邊緣壓力最小，背風面壓力比上傘裙背風面大，即下傘裙背風面回流現象比上傘裙背風面回流現象明顯一點。因此總體上上傘裙捕獲的水滴比下傘裙多得多，水滴在下傘裙更易跟隨氣流脫離絕緣子。絕緣子串背風面的芯棒、傘邊緣、傘上表面、芯棒兩側面的靜壓值較小，這些區域除了傘下表面芯棒根部因自由來流方向被傘邊緣及上表面所阻擋導致液滴在到達傘下表面芯棒根部之前已被傘邊緣及上表面所捕獲，其余區域可認為是水滴顆粒碰撞的高發區域。

不同覆冰情況的復合絕緣子，覆冰越嚴重，總體受到的壓力越大[2]，傘裙的各部位的壓力情況基本相同，但是芯棒有區別，2mm覆冰時芯棒較細，壓力由水滴來流方向逐漸減小，背風面沒有明顯的回流，10mm覆冰時芯棒變粗，背風面有較明顯的回流，壓力變大。因此覆冰越嚴重，芯棒的背風面會有越來越多的水滴撞擊在上面形成覆冰，覆冰越嚴重時，芯棒側面的覆冰增長速度會稍微變慢。

3? 水滴運動狀況

由速度矢量圖可推測水滴顆粒的運動情況，由仿真發現，絕緣子迎風面芯棒處的氣流出現減速繞流的現象，氣流到達芯棒的迎風面時受阻，使芯棒周圍靜壓急劇增大而氣流速度減小，受到運動方向強阻力作用的氣流將沿著芯棒兩側面繞流，當氣流經過芯棒兩側時，出現明顯的減壓加速現象，可看出芯棒兩側的氣流速度要比傘裙兩邊氣流速度快，后以低速繼續向前流動。

氣流在繞過絕緣子芯棒和傘裙的過程中，絕緣子芯棒后面的流速很低，由于逆壓強梯度作用和絕緣子表面粘性滯止效應，絕緣子背風面有輕微渦流產生，水滴隨氣流存在回流現象，在傘的上下表面的背風面處存在氣流回流的現象，主要集中在芯棒根部的位置，由于復合絕緣子傘裙間距和傘裙傾角較小，回流現象不明顯，所以碰撞到絕緣子背風面的水滴極少，隨著覆冰越嚴重，背風面的回流較明顯，當覆冰只有2mm時芯棒直徑較小，芯棒處回流現象不是很明顯，當覆冰10mm時芯棒直徑增大很多，芯棒處回流現象也變得較明顯，回過頭看靜壓云圖，覆冰不嚴重時，芯棒處背風面是低壓區，壓力由迎風面到側面再到背風面逐減小，當嚴重覆冰時的絕緣子芯棒處壓力不是由迎風面向背風面逐漸減小，而是側面稍微<背風面，這也顯示了背風面有比較明顯的回流，使得壓力變大。

4? 覆冰發展情況

水滴與復合絕緣子存在一個碰撞過程，水滴碰撞復合絕緣子后存在反彈現象，留在復合絕緣子上的水滴會加速覆冰的發展[3]。以水滴撞擊復合絕緣子的概率來判斷覆冰發展，即水滴撞擊系數小則復合絕緣子不易覆冰，系數大則越易覆冰。

覆冰發生時的水滴為過冷卻水滴，過冷卻水滴的碰撞系數與覆冰程度是正相關的關系，可以通過研究不同工況下的過冷卻水滴碰撞系數得出復合絕緣子覆冰的發展過程。該文以2、5、10mm覆冰模擬覆冰發展過程中的不同工況。

建立不同覆冰厚度的復合絕緣子模型，仿真發現，當發生霧凇覆冰時，即滴徑10μm時總體水滴撞擊率較小，在0.2以下，當速度在5m/s以下時，水滴撞擊率大概是20m/s時的一半，此時冰厚由無覆冰變化到2mm覆冰時，水滴撞擊率稍有增加，在2mm變換到5mm覆冰時，速度5m/s的水滴繼續平穩上升，而速度在2.5m/s時略有下降。當速度達到20m/s時與5m/s及以下有很大不同，冰厚2mm以下是先減小，由冰厚2mm變換到5mm時是略有增加，但從5mm到覆冰非常嚴重的10mm時，無論何種速度水滴撞擊率都下降得非常明顯，說明覆冰增長率在下降，到達穩定的覆冰情況就不再增加覆冰。

當發生混合淞覆冰時，即50μm滴徑時，5mm冰厚之內的復合絕緣子覆冰的不同對于撞擊率的影響并不是很明顯，曲線趨于平穩，2.5m/s基本一樣，5m/s的流速先稍微下降再稍微上升，同樣流速20m/s時撞擊率最高，5m/s時次之，2.5m/s時最小。

當發生雨凇覆冰時，即110μm滴徑時，20m/s的流速的水滴撞擊率跟前面兩種情況不同，并不是最高，因為雨凇覆冰，水滴質量較大，速度對于水滴的影響沒前兩種情況明顯，且20m/s時，冰厚由小到大，撞擊率先增大后減小，2.5m/s和5m/s時的情況先平穩減小后減小特別明顯。

3種情況都有相同的地方，即覆冰10mm時撞擊率很小，說明此時覆冰增長率很小，覆冰增長將變慢。

5? 結語

綜上所述，得出以下結論。

（1）覆冰復合絕緣子下傘裙迎風面邊緣壓力最小，下傘裙背風面壓力比上傘裙背風面大，即下傘裙背風面回流現象比上傘裙背風面回流現象更明顯一點，總體上上傘裙捕獲的水滴比下傘裙更多。

（2）氣流在繞過覆冰復合絕緣子芯棒和傘裙過程中，絕緣子芯棒后面的流速很低，水滴隨氣流存在回流現象，隨著覆冰的發展，芯棒處回流現象更加明顯，即背風面更易覆冰。

（3）隨著覆冰厚度的增加，覆冰增長速度先增大后減小，覆冰10mm時，水滴撞擊率最小，說明此時覆冰增長率很小，覆冰增長將變慢。

參考文獻

[1] 郝艷捧，薛藝為，陽林，等.復合絕緣子不同部位水滴撞擊特性及其影響因素[J].電網技術，2014（5）：1366-1372.

[2] 張志勁，黃海舟，蔣興良，等.基于流體力學的不同型式絕緣子覆冰增長過程分析[J].電工技術學報，2012（10）：35-43.

[3] 汪詩經，舒立春，蔣興良，等.均壓環安裝位置對220kV復合絕緣子覆冰及其閃絡特性的影響[J].電網技術，2013（6）：1619-1624.