鹽霧環境下瓷及復合絕緣子積污特性模擬研究

呂玉坤，魏壯，魏子安，汪岳池，王欣

鹽霧環境下瓷及復合絕緣子積污特性模擬研究

呂玉坤，魏壯，魏子安，汪岳池，王欣

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003）

鹽霧環境下的污穢物具有較高的可溶鹽含量，可造成絕緣子絕緣性能下降，進而危及電力系統的安全運行。以XWP2-160型瓷雙傘絕緣子和FXBW-110/120-2型復合絕緣子為研究對象，基于場致荷電機理，利用多物理場耦合軟件COMSOL對其積污特性進行數值模擬，探索了鹽密的計算方法，并驗證了其合理性。利用該方法研究了鹽霧環境下風速、霧滴粒徑、電壓類型對瓷及復合絕緣子積污特性的影響，分析了污穢沿絕緣子傘裙的分布規律。結果表明：復合絕緣子的積污量大于同條件下瓷雙傘絕緣子積污量，鹽霧環境頻發地區可優先考慮瓷雙傘絕緣子；直流電壓下，瓷及復合絕緣子的積污量增長趨勢均與風速、粒徑呈正相關；復合絕緣子積污量沿傘裙近似呈U型分布，瓷雙傘絕緣子積污量沿傘裙近似呈M型分布，且風速越大分布趨勢越明顯。

瓷雙傘絕緣子；復合絕緣子；數值模擬；積污特性；等值鹽密；鹽霧環境

0 引言

我國電力工業發展快速，輸電線路的建設突飛猛進。絕緣子作為一種特殊的絕緣控件起著非常重要的作用。工業的發展使霧霾天氣頻發，輸電線路外絕緣設備面臨嚴峻考驗[1]。在東北、華北等地區的城市工業區或沿海地區出現的鹽霧環境中，一方面微小水滴的聚集增大了空氣的濕度，另一方面微小鹽粒的溶解也增大了絕緣子表面污穢物中的可溶鹽含量，致使絕緣子表面電導和泄漏電流增大，閃絡電壓降低，甚至發生閃絡事故[2-5]。因此，有必要研究鹽霧環境中瓷及復合絕緣子的積污特性，為絕緣子選型以及絕緣子狀態清掃提供參考。

絕緣子表面的積污狀況與電力系統的安全運行息息相關，近年來關于其霧霾環境下的研究也持續開展，并取得一系列成果。文獻[6]通過統計霧霾環境下污穢試驗站內絕緣子的積污數據，分析了相對濕度和霧水電導率對絕緣子積污特性的影響。文獻[7]通過測定霧霾污區線路上絕緣子表面污穢的理化性質，分析研究了其鹽密、灰密、粒度等特征。文獻[8]搭建了絕緣子人工霧霾試驗平臺，試驗研究了不同風速下0～10 μm的顆粒在絕緣子表面的沉積量。文獻[9]通過自然積污試驗測量了霧霾期間絕緣子的等值鹽密變化，并得到了沉積污穢的一些理化特性。文獻[10]通過研究潔凈霧條件下的泄漏電流，提出了一種等效電路模型，進而模擬了各種環境條件下陶瓷戶外絕緣子的泄漏電流現象。文獻[11]通過大量實驗研究了凍雨和冬霧對絕緣子性能的影響。城市工業區和沿海地區出現的鹽霧作為一種特殊的氣象條件，其與霧霾卻有著較大的差別。鹽霧是含有多種可溶性鹽的霧，較之霧霾有著更高的電導率[12]。所以，研究鹽霧環境下絕緣子的積污有一定的現實意義。文獻[13]通過人工鹽霧模擬平臺，研究了不同傘形結構的5種絕緣子在鹽霧條件下的污閃特性。文獻[14]試驗研究了3種不同類型輸電線路絕緣子的交流閃絡特性，討論了附加鹽密值以及絕緣子傘裙表面鹽密和霧水電導率的關系及其對交流閃絡特性的影響。文獻[15]對清潔和污染兩種條件下的瓷絕緣子進行了鹽霧試驗，探究了不同鹽密和霧水電導率下絕緣子的耐壓特性。

以上研究多數是基于試驗，而基于數值模擬對鹽霧環境下絕緣子積污特性的研究尚不全面，特別是鹽密模擬方法方面研究較少。故本文以輸電線路上常用的FXBW-110/120-2型復合絕緣子、XWP-160型瓷雙傘絕緣子為研究對象，以折算的等值鹽密為積污特性評價指標，利用多物理場耦合軟件對其在城市工業區或沿海地區的鹽霧環境下的積污特性進行數值模擬，分析風速大小、霧滴粒徑、電壓類型等因素對該絕緣子積污特性的影響。

1 數學模型及顆粒荷電方式分析

1.1 流場數學控制方程

氣流在繞流絕緣子復雜的傘裙結構時會產生漩渦，流線彎曲曲率大，故湍流模型選用RNG模型[16,17]，提高計算結果的可信度和精度，其控制方程組如式（1）所示。

式中：為流場速度，m/s；為體積力，N/m3；為主應力張量，Pa；為空氣密度，kg/m3；、s、12為湍流模型參數；為湍動能，m2/s2；為湍流耗散率，m2/s3；T為分別湍流動力粘度和空氣動力粘度，Pa×s；為粘度系數；p為湍動能源項，W/m3。

1.2 電場數學模型及其控制方程

在電場模塊中，直流電模塊采用穩態分析，穩態控制方程為：

1.3 顆粒場控制方程

鹽霧環境中霧滴的密度約為101～102個/cm3，在沉積過程中呈離散狀態[18]。故對霧滴做如下假設：（1）將霧滴等效為球形顆粒，沉積過程中互不粘合，其形狀、尺寸及密度不變；（2）霧滴的初始速度與自由流體速度相同；（3）在電場和流場中考慮霧滴所受的重力g、電場力e和流體曳力d[19,20]。其運動過程如式（3）所示。

式中：p為單個霧滴顆粒的質量，kg；為霧滴運動時間，s；為霧滴速度，m/s；

1.4 顆粒荷電方式

考慮到霧滴的粒徑為微米級別，故采用場致荷電方式。場致荷電飽和電量計算公式如下：

式中：Φr為霧滴外表面某一位置電位；M0為霧滴在電場中極化形成的偶極矩，C·m；E0和Ep分別為霧滴初始電場強度和內部極化電場強度，V/m；r為距霧滴中心的距離，cm；θ0為霧滴表面位置與外部電場線方向的夾角，（°）；εr為霧滴的相對介電常數，εr=ε1/ε0，其中ε0和ε1分別為真空介電常數和霧滴的介電常數；Qmax為霧滴飽和荷電量，C；τq為荷電時間常數，一般取10–2～10–3。取ε1=80，則1～20 μm的霧滴在10 kV/m電場強度下飽和荷電量及所受電場力變化如圖1所示。

由圖1可知，在10 kV/m電場強度下，霧滴的飽和荷電量及霧滴所受的電場力隨霧滴粒徑均隨著霧滴粒徑增加而增加，且與其粒徑的平方成正比。

2 絕緣子積污物理模型建立

2.1 物理模型建立及網格劃分

依據廠家提供的XWP2-160型瓷雙傘絕緣子以及FXBW-110/120-2型復合絕緣子的結構參數進行建模，如圖2所示，其主要幾何參數如表1所示。

圖2 兩種絕緣子的三維模型圖

表1 瓷及復合絕緣子主要模型參數

利用COMSOL軟件建立尺寸為2.2 m×1.2 m× 2.0 m的計算區域，并在計算域外構建厚度為100 mm的“無限元域”。瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子的網格數量經網格無關性驗證后最終選取為82萬和94萬左右。物理模型及網格劃分如圖3所示。

圖3 物理模型及網格劃分

2.2 單值性條件設置

（1）邊界條件設置

考慮湍流流場為時均定常流。在流場中，入口端設置為速度入口，出口側設置為壓力出口；在電場中，“無限元域”設置為電絕緣邊界條件，絕緣子上端接地，下端接電壓。在沉積過程中，霧滴顆粒從入口以瞬態釋放的形式隨風送入風道，與絕緣子接觸便粘附。

（2）材料參數設置

瓷雙傘絕緣子芯棒采用COMSOL中的內置材料，絕緣子傘裙部分材料設為陶瓷。復合絕緣子兩端金具的材料設為鋁合金CZ42，剩余部分材料設為硅橡膠。絕緣子周圍計算區域的材料設定為空氣。材料具體參數如表2所示。

表2 材料電氣參數

2.3 積污量ESDD評價指標

考慮到絕緣子所處的鹽霧環境，本文采用等值鹽密作為其表面積污狀況的評價指標。等值鹽密又稱等值附鹽密度，即把絕緣子表面導電污物密度轉換為等值單位面積上含鹽量（NaCl），其可根據電導率和等值鹽密的關系獲得。

確定模擬積污時長下的絕緣子表面沉積顆粒的含鹽量，并將其換算成絕緣子確定時間段內的積污量，其計算公式如式（5）。

式中：為霧滴中含鹽質量分數；為霧滴沉積數量；p和s分別為積污模擬時間和試驗時間，h；為傘裙表面總面積，cm2。

本文模擬了不同條件下瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子的積污狀況，模擬結果顯示其等值鹽密范圍分別為（0.07～26.5）′10–3mg/cm2、（4～27）′10–3mg/cm2，符合鹽密數值范圍，驗證了以等值鹽密作為積污特性評價指標及其計算方法的合理性。

3 鹽霧環境下絕緣子積污特性模擬結果對比分析

本文對瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子在鹽霧環境下的積污特性進行了數值模擬。模擬電壓類型為110 kV直流電壓和無電壓，所用霧滴粒徑分別為1 μm、5 μm、10 μm、15 μm、20 μm，風速分別為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s。

3.1 風速大小對積污特性影響分析

無電壓與直流電壓作用下，在不同霧滴粒徑時，兩種絕緣子積污量隨風速的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子在各個粒徑范圍內的積污量均隨風速的增加而增大，在相同條件下復合絕緣子的整體積污量大于瓷雙傘絕緣子。這主要是因為：風速的增加使單位時間內吹向絕緣子的霧滴增多，積污量也隨之增大；復合絕緣子的傘裙坡度較緩，自清潔能力較差，同時考慮到復合絕緣子的材質為硅橡膠，相比于陶瓷其質地更軟更易形變黏附顆粒，故其積污量高于瓷雙傘絕緣子。因此，對于鹽霧環境頻發的地區，可以考慮使用瓷雙傘絕緣子。

圖4 不同霧滴粒徑下積污量隨風速的變化

由圖4可知，無電壓時瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子的積污量均小于直流電壓作用下的積污量；隨著風速的增大，無電壓時瓷雙傘絕緣子積污量增長速度先慢后快；無論加電壓與否，復合絕緣子的積污量和風速近似呈線性關系。主要原因為：無電壓時，霧滴主要只受流體曳力和重力的作用沉積到絕緣子上；而施加直流電壓時，電場力也會對霧滴的沉積起促進作用，故無電壓時積污量較小。流體曳力和風速有關。隨著風速的增大，霧滴受到變化的流體曳力和重力的綜合作用，再考慮到瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子的傘型以及材質的不同，使無電壓時瓷雙傘絕緣子積污量隨風速增長速度先慢后快，而復合絕緣子增長速度不變。

3.2 霧滴粒徑對積污特性影響分析

不同風速時，兩種絕緣子積污量與霧滴粒徑關系如圖5所示。

由圖5（a）可知，直流電壓作用下，同一風速時，瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子的積污量均隨粒徑的增加而增大，但其增長幅度各不相同。因為霧滴所受電場力與其粒徑的二次方呈正比，粒徑越大，所受的電場力越大，霧滴越易沉積在絕緣子上。在風速為3 m/s時，瓷雙傘絕緣子積污量隨粒徑的增加增幅最大，而復合絕緣子積污量仍均勻增長。這可能是瓷雙傘絕緣子的傘型不如復合絕緣子的傘型開放，風速越大，流場分布越復雜，沉積的污穢就更多。由圖5（b）可知，無電壓作用時，霧滴對瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子積污量影響不大。

圖5 不同風速下積污量隨霧滴粒徑的變化

3.3 污穢沿傘裙分布特性及分析

圖6、圖7示出了霧滴粒徑為1、10、20 μm，風速為0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s時，共36個工況下污穢沿絕緣子傘裙的分布規律。

由圖6可知，對于瓷雙傘絕緣子，當粒徑為1mm時，積污量沿傘裙呈W型分布；當粒徑為10mm和20mm時，積污量沿傘裙呈M型分布，風速越大作用效果越明顯，2號傘裙積污達到最大值，中間的4號傘裙有拐點。對于復合絕緣子，當粒徑為1mm時，積污量沿各傘裙分布較均勻；當粒徑為10mm和20mm時，1號、11號傘裙積污量明顯更多，整體積污趨勢沿傘裙呈U型分布，且風速越大作用效果越明顯。

圖6 不同粒徑時瓷雙傘絕緣子積污量沿傘裙分布

結合場致荷電機理可以解釋為：由于顆粒飽和荷電量與其所處位置的電場強度成正比，導致絕緣子高壓端與接地端周圍霧滴荷電量較多，故在電場力作用下霧滴更容易發生沉積，從而形成明顯的U型分布。但同時，絕緣子存在于無窮大的無限元域中，絕緣子兩端流域很大，使風速基本不受影響，瓷雙傘絕緣子表面的陶瓷材質不如復合絕緣子表面的硅橡膠，因而積污很容易吹走，使瓷雙傘絕緣子積污量沿傘裙呈M型分布。對于絕緣子中間部位的傘裙，其電場線分布稀疏，霧滴受電場力作用最小，故積污較少。在實際工程中，應著重對絕緣子兩端進行清掃，從而減少污閃事故。

圖7 不同粒徑時復合絕緣子積污量沿傘裙分布

4 結論

（1）模擬結果顯示，瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子等值鹽密范圍為（0.07～26.5）′10–3mg/cm2、（4～27）′10–3mg/cm2，和實際相符，驗證了以等值鹽密作為積污特性評價指標及其計算方法的合理性。

（2）直流或無電壓作用下，在霧滴各粒徑范圍內，絕緣子整體積污量隨風速增大而增加，且復合絕緣子的積污量大于同條件下瓷雙傘絕緣子的積污量。對于鹽霧環境頻發的地區，可以考慮使用瓷雙傘絕緣子。

（3）無電壓時，瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子的積污量均小于直流電壓作用下的積污量。

（4）直流電壓作用下，同一風速時，瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子的積污量均隨粒徑的增加而增大，但其增長幅度各不相同。無電壓作用時，霧滴對瓷雙傘絕緣子和復合絕緣子積污量影響不大。

（5）當粒徑為10mm和20mm時，瓷雙傘絕緣子積污量沿傘裙呈M型分布，復合絕緣子積污量沿從高壓端到低壓端傘裙近似呈U型分布，風速越大作用效果越明顯。

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Simulation Study on Pollution Characteristics of Porcelain and Composite Insulators in Salt Spray Environment

LV Yukun, WEI Zhuang, WEI Zian, WANG Yuechi, WANG Xin

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Contaminants in the salt spray environment has a high soluble salt content, which causes the insulation performance of the insulator to decrease, thereby endangering the safe operation of the power system.Taking XWP2-160 porcelain double umbrella insulator and FXBW-110/120-2 composite insulator as the research objects, based on the field-induced charge mechanism, the multi-physical field coupling software COMSOL was used to numerically simulate the pollution characteristics.And the calculation method of salt densitywas explored and its rationality was verified.Based on this method, the effect of wind speed, droplet size, and voltage type on the pollution characteristics of porcelain and composite insulators were studied.The distribution law of pollution along the shed was analyzed.The results show that the pollution accumulation of composite insulator is greater than that of porcelain double umbrella insulator under the same conditions.The porcelain double umbrella insulator can be preferred in areas with frequent salt fog environment; under DC voltage, the pollution increasing trend of porcelain and composite insulators is positively correlated with wind speed and particle size; the pollution accumulation of composite insulators is approximately U-shaped distribution along the shed, and that of porcelain double umbrella insulators is approximately M-shaped.In addition, the larger the wind speed is, the more obvious the distribution trend, which can provide guidance for the cleaning work in the actual project.

porcelain double umbrella insulator; composite insulator; numerical simulation; pollutant characteristics; equivalent salt density; salt spray environment

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.10.009

TM216

A

1672-0792(2021)10-0071-08

2021-07-15

呂玉坤（1964—），男，副教授，主要研究方向為葉輪機械、絕緣子積污、新能源開發與利用；

魏 壯（1996—），男，碩士研究生，研究方向為絕緣子積污、葉輪機械。