不同溫差下的玻璃纖維樹脂芯棒污層 受潮程度建模分析

劉勝波

(廣東電網有限責任公司東莞供電局 廣東 東莞 523000)

0 引言

玻璃纖維樹脂是一種以樹脂作為基體材料,通過對其玻璃纖維增強而成的復合材料,由于玻璃纖維樹脂具有絕緣性能良好、易獲取、成本低、質量輕等優點,目前玻璃纖維樹脂材料已經被廣泛應用于電力行業中,尤其是作為絕緣子芯棒材料,并且已經得到批量化生產[1]。據相關數據顯示,截至目前國內掛網線路中玻璃纖維樹脂芯棒已經超過900萬個標準復合絕緣子。但是玻璃纖維樹脂芯棒是典型的有機絕緣設備,長期處于高溫、高壓的惡劣環境中,受雨淋、空氣氧化、日照以及風吹等諸多自然因素影響,玻璃纖維樹脂芯棒會經歷“積污—濕潤受潮”,玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度直接關系到玻璃纖維樹脂芯棒耐污閃性能,從而引發閃絡放電故障[2]。近幾年,隨著惡劣天氣不斷加劇,對玻璃纖維樹脂芯棒的抗污閃性能提出了更高的要求,玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮機理和受潮程度分析研究迫在眉睫。環境溫差是玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮重要影響因素,兩者之間存在一定的線性關系,目前不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度的研究比較匱乏,無法為改善玻璃纖維樹脂芯棒、提高玻璃纖維樹脂芯棒抗污閃性能提供有力的理論支撐,為此提出不同溫差下的玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度建模分析。

1 玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮過程

玻璃纖維樹脂芯棒表面污層的受潮過程可歸納為:水分子在大氣中凝結、水滴撞擊玻璃纖維樹脂芯棒表面污層、表面污層的吸水現象以及水分子在玻璃纖維樹脂芯棒污層中的化學擴散,前者未發生污層結構改變,屬于污層之外的潤濕過程,因此將水分子在大氣中凝結、水滴撞擊玻璃纖維樹脂芯棒表面污層歸納為玻璃纖維樹脂芯棒污層外的受潮過程,其中水分子在大氣中凝結過程屬于物理中的凝露現象,即水分子從氣相到液相的轉化過程,在空氣飽和濕度情況下當空氣環境中溫度高于玻璃纖維樹脂芯棒污層表面溫度,形成溫差時空氣中水分子會凝結在玻璃纖維樹脂芯棒污層表面。

玻璃纖維樹脂芯棒污層的受潮過程的最后2個階段為表面污層的吸水現象以及水分子在玻璃纖維樹脂芯棒污層中的化學擴散,由于均涉及玻璃纖維樹脂芯棒污層變化,故將這2個受潮階段歸類為玻璃纖維樹脂芯棒污層內受潮過程[3]。污層吸濕和水分子化學擴散主要取決于玻璃纖維樹脂芯棒污層所處環境的溫差。因此以玻璃纖維樹脂芯棒污層環境溫差作為自變量,將污層受潮程度作為因變量,對不同溫差下的玻璃纖維樹脂芯棒污層外、內受潮程度進行建模分析。

2 不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層外受潮過程建模分析

根據以上對玻璃纖維樹脂芯棒污層外受潮過程的分析,建立污層內受潮機理數學模型。首先,要明確玻璃纖維樹脂芯棒污層凝結的產生條件,獲得凝結過程中水分子所受的外力(凝結驅動力),進而分析玻璃纖維樹脂芯棒污層外部水分子凝結過程中產生的主控因子。其次,利用模型方程描述凝結后在大氣中形成水滴的速率。在此基礎上,根據凝結速率以及溫差,計算出不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層外部液態水滴的質量流量,以下將從不同溫差下污層外冷凝和水滴碰撞2個方面對污層外受潮過程進行建模分析。

2.1 污層外冷凝

在飽和濕度情況下,當水蒸氣與流體接觸時,冷凝一般都是在流體表面進行,要想在水蒸氣內生成水珠,只能從凝結核開始向外逐步擴大[4]。從傳熱和傳質的觀點來看,在氣—液兩相界面處有一個邊界層,當其溫度比環境中的溫度更高時,邊界層會向周圍氣體散熱,從而使流體中的吉布斯自由能增大,使流體發生汽化[5]。當大氣中的空氣溫度較低時,大氣中的熱量會被空氣所吸收,從而降低大氣中的吉布斯自由能,產生凝結現象。在傳熱理論中,通常把珠狀水滴看成是半球體。由于吉布斯自由能存在一定的差異,環境中的物質會由亞穩態轉向穩態,假設玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮過程中環境中的理想氣體為水蒸氣,并且處于亞穩態相,由于環境中存在溫差,處于過飽和狀態的水蒸氣將發生冷凝,環境中的氣態相水蒸氣有冷凝為液相水滴的趨勢,該趨勢定義為玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝驅動力的大小,其數學模型見式(1):

(1)

式(1)中,F表示玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝驅動力;r表示冷凝生成水滴的半徑;T表示環境溫差;P1表示環境中水蒸氣處于亞穩態相時的壓力值;P2表示環境中水蒸氣處于穩態相時的壓力值[6]。在冷凝驅動力的作用下,環境空氣中的過飽和水蒸氣由亞穩態轉向穩態,從水蒸氣逐漸轉變為水滴,玻璃纖維樹脂芯棒污層表面發生凝露現象,逐步受潮。

隨著水蒸氣從氣態逐漸轉變為液態,玻璃纖維樹脂芯棒污層表面珠狀水滴體積不斷增加?？紤]到水滴自身的導熱熱阻對冷凝水滴的影響,以及水滴表面曲率對兩相體平衡的影響,生成任意大小的珠狀水滴模型,根據四熱阻模型求出玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝水滴生成的速率,計算見式(2):

(2)

式(2)中,V表示玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝水滴生成的速率;△T表示玻璃纖維樹脂芯棒污層表面與環境的溫差;q表示水的密度;H表示氣化潛熱;e表示最小凝結水滴半徑;k表示比熱容的比率;h表示一定水蒸氣壓力下氣-液兩相分界面上的表面傳熱系數;t表示玻璃纖維樹脂芯棒污層外部凝結水滴邊界層厚度[7]。利用以上數學模型即可求出玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝水滴生成的速率。由于溫差會對水滴冷凝質量流量具有一定的影響,根據氣體動力學原理,建立玻璃纖維樹脂芯棒污層外部水滴冷凝質量流量數學模型,計算見式(3):

(3)

式(3)中,J表示玻璃纖維樹脂芯棒污層外部水滴冷凝質量流量;α表示調節系數;ρ表示水蒸氣密度;Tcv表示水蒸氣飽和溫度。利用以上建立的數學模型,設定溫差為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6種工況,將溫差和相關參數代入到上述數學模型中,分別求出不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層外冷凝驅動力、水滴生成速率以及冷凝質量流量,具體數據如表1所示。

表1 不同溫差下污層外冷凝程度

冷凝驅動力是保證玻璃纖維樹脂芯棒污層外部發生冷凝線性的關鍵條件,只有存在冷凝驅動力才能有水滴生成。從表1可以看出,在不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝表現不同,環境溫差與玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝驅動力、水滴生成速率以及冷凝質量流量呈線性正比,隨著環境溫差的增大,玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝驅動力逐漸增大,水滴生成速率逐漸提升,冷凝質量流量不斷加大。

2.2 污層外水滴碰撞

在受潮過程中玻璃纖維樹脂芯棒污層外部會發生水滴碰撞,為了進一步分析不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層外受潮過程,建立玻璃纖維樹脂芯棒污層外部水滴碰撞模型。由于玻璃纖維樹脂芯棒整體結構上類似于足夠多個小圓柱體的疊加,在玻璃纖維樹脂芯棒外自由流為層流的情況下,水滴碰撞模型可以將玻璃纖維樹脂芯棒等效為足夠多個小圓柱體的疊加組合。以單一小圓柱體為例,假設玻璃纖維樹脂芯棒污層外部水滴運動過程中,空氣溫度、水蒸氣壓力等介質參數始終保持不變,并且水滴運動過程中自身形狀也不會發生改變,則對單一小圓柱體水滴碰撞率有式(4):

dm=2Cσ1σ2Twdhdt

(4)

式(4)中,dm表示單位時間內玻璃纖維樹脂芯棒單一小圓柱體表面水滴累積量;C表示玻璃纖維樹脂芯棒半徑;σ1表示發生碰撞的小圓柱體表面水滴的流通密度和最大流通密度的比率,即水滴在玻璃纖維樹脂芯棒單一小圓柱體表面上的碰撞率;σ2表示水滴在玻璃纖維樹脂芯棒單一小圓柱體表面的積水率;w表示自由流中液態水的含量;dh表示玻璃纖維樹脂芯棒高度。利用以上建立的數學模型,設定溫差為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6種工況,將溫差和相關參數代入到上述數學模型中,分別求出不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層外水滴碰撞率和積水率,具體數據如表2所示。

表2 不同溫差下污層外水滴碰撞程度

從表2可以看出,隨著環境溫差的不斷增大,玻璃纖維樹脂芯棒污層外部水滴碰撞率逐漸增大,表面積水率也隨著溫差的增大而增大。這是由于隨著環境溫差的增大,水滴重力自沉降和氣流曳力起到主要作用,冷凝形成的水滴更容易掉落,從而與玻璃纖維樹脂芯棒發生碰撞。

3 不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層內受潮過程建模分析

3.1 污層內吸濕

為了減少玻璃纖維樹脂芯棒結構以及污穢成分對污層內吸濕受潮過程建模分析的影響,在建模中玻璃纖維樹脂芯棒采用結構最為簡單的KHFA-A744玻璃纖維樹脂芯棒,直徑為22.45 cm,長度為75.61 cm,污穢成分參數設定為:鹽密度0.35 mg/cm2,灰度1.65 mg/cm2。將環境溫差分別設定為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃。利用Origin 9.12自帶的高斯曲線對溫差—污層內吸濕時間曲線進行擬合,得到玻璃纖維樹脂芯棒污層內吸濕時間-溫差關系數學模型,計算見式(5):

T=0.75+125.45w-0.5(x-0.85)2

(5)

式(5)中,w表示玻璃纖維樹脂芯棒污層內部電導率;x表示玻璃纖維樹脂芯棒污層內吸濕時間。從公式(5)可以看出,環境溫差與玻璃纖維樹脂芯棒污層內吸濕時間呈二次函數關系,玻璃纖維樹脂芯棒污層內吸濕時間長短受溫差影響比較大,隨著環境溫差的增大,玻璃纖維樹脂芯棒污層內飽和吸濕時間逐漸縮短。

3.2 污層內水分子擴散

玻璃纖維樹脂芯棒污層內水分子擴散過程可以歸結為氣-液的傳質過程,因此為了進一步分析不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層內部水分子擴散程度,建立傳質模型,利用傳質模型對不同溫差下污層內水分子擴散程度進行分析。在氣相中,主要物質以平穩的速度進入邊界層,并以平穩的速度穿越氣膜進入2個相間的相界,再在液膜中發生劇烈的化學變化,并伴隨著平穩的分子擴散,最后穿越液膜而形成鹽溶液。

體積傳質系數可以反映出玻璃纖維樹脂芯棒污層內水分子自身的流動屬性,體積傳質系數越大,則表示玻璃纖維樹脂芯棒污層內水分子擴散速度越快,玻璃纖維樹脂芯棒污層內受潮時間越短,受潮程度越大。利用傳質模型,設定溫差為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6種工況,將溫差和相關參數代入到數學模型中,求出不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層內體積傳質系數,具體數據如表3所示。

表3 不同溫差下污層內水分子擴散程度

從表3可以看出,環境溫差與玻璃纖維樹脂芯棒污層內水分子體積傳質系數成正比,體積傳質系數隨著溫差的增大而增大,即隨著環境溫差的增大,玻璃纖維樹脂芯棒污層內水分子擴散速度越快,污層內部受潮時間越短。綜合以上建模分析結果可以得出以下結論:環境溫差對玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度具有較大影響,隨著環境溫差的增加,玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮時間逐漸縮短,受潮程度逐漸加大,以此完成不同溫差下的玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度建模分析。

4 結語

綜上所述,玻璃纖維樹脂作為一種常見的絕緣材料,表面污穢密度、污層受潮是影響其污閃的重要因素,此次參考相關文獻資料,采用建模分析的方法對不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度進行了分析,明確溫差對玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度的影響,了解其作用機理,對不同溫差對玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度的影響研究具有重要的現實意義。由于此次研究時間有限,玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度影響因素比較多,此次僅從溫差方面展開了研究,在研究內容方面存在一些不足之處,今后會對不同空氣溫度下、不同污穢密度下以及不同濕度下玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度建模分析進行進一步研究,為玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮機理研究提供有力的理論支撐。