電氣設(shè)備沖洗水射流力學計算及其應(yīng)用

胡正庭，吳慧峰，劉林，嚴杰峰，梁旭常

（1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528010；2. 南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 前言

電氣設(shè)備帶電沖洗是設(shè)備維護的重要一環(huán)，不僅可以有效提高設(shè)備的散熱性能，使設(shè)備的穩(wěn)定運行得到保障，還可以起到對設(shè)備定期外觀檢查的作用，使設(shè)備得到及時維護，避免故障發(fā)展成事故。所謂電氣設(shè)備帶電沖洗，其原理就是在設(shè)備接通電源的情況下，用高壓泵打出高壓水，經(jīng)管道到噴咀把水射流正向或切向沖擊被清洗的電力電瓷或玻璃外絕緣表面，從而將結(jié)垢物剝離，完成清洗作業(yè)[1-2]。這種作業(yè)方式成本較低、具有較廣的適用范圍，因?qū)νｋ姛o要求而對生產(chǎn)運行的影響較少，尤顯其對突發(fā)情況的處理上的優(yōu)勢。

水射流的流速、壓力、方向和范圍是電氣設(shè)備帶電水沖洗作業(yè)的關(guān)鍵要素，對水射流進行計算的目的是為了使水射流的這些關(guān)鍵參數(shù)都可控，并能根據(jù)電氣設(shè)備清洗的具體需求進行調(diào)整，達到有效清洗電氣設(shè)備、保證設(shè)備的安全、控制能耗、減少環(huán)境影響的目的[3]。國際標準IEEE STD 957-2005 規(guī)定了帶電水沖洗所用水泵、電源、水箱、水管、噴嘴、水質(zhì)的選擇原則，并闡明了帶電水沖洗設(shè)備配置、主要參數(shù)選用、水射流電氣特性、作業(yè)原則以及沖洗氣象條件、 基本安全措施等要求[4]。

但因為帶電水沖洗的水射流的形成和運動過程涉及到很多復(fù)雜的物理現(xiàn)象，包括水流的湍流化，與空氣的混合，以及與電極的相互作用等，相關(guān)資料的計算過程并不完整。電氣設(shè)備帶電水沖洗涉及到人和設(shè)備的安全性問題[5]，因此作者認為，通過對電氣設(shè)備，尤其是針對500 kV 變電一次設(shè)備，設(shè)備的帶電水沖洗水射流特性、沖洗方法及工程實踐需進行更深入細致的分析，建立準確的描述實際水射流行為的計算模型的研究工作很有必要。

1 電氣設(shè)備沖洗水射流的機理及特性

1.1 電氣設(shè)備沖洗水射流的機理

射流就是具有很高流動速度和較高動壓的流線束。水射流的工作原理如圖1 所示。

圖1 水射流工作原理

射流按照不同的標準有不同的分類：按照驅(qū)動壓力分為低壓水射流（0.5～20 Mpa）、中壓水射流（20～70 Mpa）、高壓水射流（70～140 Mpa）和超高壓水射流（140～400 Mpa）。在帶電水沖洗作業(yè)中，水射流壓力過大，可能會導(dǎo)致水濺到設(shè)備的電源插頭或者電線上，從而引發(fā)電擊或者短路的危險，因此需合理控制射流壓強，通常要穩(wěn)定在0.5～20 MPa 范圍內(nèi)，即中低壓強等級；

按環(huán)境介質(zhì)可以將射流分為非淹沒式射流和淹沒式射流。電氣設(shè)備沖洗水射流從噴嘴出來就直接射入空氣中，屬于非淹沒式射流；按射流的水力學特性可以將射流分為穩(wěn)定射流和不穩(wěn)定射流，電氣設(shè)備沖洗水射流的各斷面的流力特性是不隨著時間的變化而變化的，只有位置不同時，其流力學特性才發(fā)生變化，所以是屬于穩(wěn)定的射流；按照施加載荷的方式可分為連續(xù)射流、沖擊射流和混合射流。電氣設(shè)備沖洗水射流的特征是剛開始時是峰值，后來穩(wěn)定，是連續(xù)射流[6-8]。

1.2 電氣設(shè)備沖洗水射流的特性分析

基于帶電電氣設(shè)備上作業(yè)的特殊性，電氣設(shè)備沖洗水射流的特性有別于一般清洗作業(yè)的水射流。特別是在壓強參數(shù)，電氣設(shè)備帶電沖洗射流參數(shù)與普通水沖洗清潔作業(yè)的射流參數(shù)區(qū)別主要在于對設(shè)備安全和性能的保護上有特殊的要求，需要更為嚴格的控制。只有具備分布均勻、流動穩(wěn)定、射流強度適中、射流范圍全面等特性的水射流，才能確保電氣設(shè)備沖洗的效果，同時也保護了設(shè)備不受損害[9-11]。

首先從壓力分析，電氣設(shè)備帶電沖洗射流壓力要求通常較低。過高的壓力可能導(dǎo)致設(shè)備表面的絕緣材料受損，增加短路和電擊的風險。同時，為了防止水流直接沖擊到電氣設(shè)備的敏感部位，應(yīng)該盡量保持水流平穩(wěn)，避免產(chǎn)生渦流。

其次，電氣設(shè)備帶電沖洗射流溫度也需要控制在一定范圍內(nèi)。過高或過低的溫度都可能影響電氣設(shè)備的正常工作，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞；電氣設(shè)備帶電沖洗射流流量需要適中。過大的流量可能導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部的電路板等部件受到?jīng)_擊，影響設(shè)備性能；電氣設(shè)備帶電沖洗射流水質(zhì)應(yīng)盡可能清潔，避免含有雜質(zhì)的水導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降。

2 基于流體動力學原理的水射流計算

2.1 流體動力學理論

流體力學是物理學的一個重要分支，主要研究流體（液體和氣體）在靜止和運動狀態(tài)下的行為規(guī)律。在電氣設(shè)備水沖洗水射流的計算過程中，需要考慮的因素包括水流的速度、壓力、流量等參數(shù)的變化，以及這些變化對流體運動狀態(tài)的影響等問題[12]，流體動力學能夠準確地描述和預(yù)測流體的運動狀態(tài)和力學效應(yīng)，是電氣設(shè)備水沖洗水射流計算的重要工具和理論依據(jù)。

水射流的形成是由于流體在壓力的作用下通過噴嘴形成。水射流結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 水射流結(jié)構(gòu)圖

這個過程的描述應(yīng)用流體動力學的兩個基本方程，即流體的連續(xù)性方程和伯努利方程；水射流的方向是由流體初始狀態(tài)和噴嘴形狀決定的，屬于流體動力學的流體的動量守恒基本定律；水射流的速度和壓力是由流體的性質(zhì)（如密度、粘度等）、初始狀態(tài)（如壓力、速度等）和噴嘴的形狀決定的，這涉及到流體動力學的一些基本公式和理論。

2.2 基于流體力學的水射流基本方程確定

帶電沖洗水射流運動的相關(guān)特征描述通常可以使用納維- 斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）（以下簡述為N-S 方程）。該方程能夠?qū)ψ饔迷诹黧w上的力和流體運動之間的關(guān)系進行表示，它們能描述出流體的運動狀態(tài)、速度、壓強等重要物理量的變化，主要包括的參數(shù)有溫度、密度、壓強、粘度以及速度等。

由于流體帶有一定粘性，在流動的過程中需滿足質(zhì)量和能量守恒定律。從電氣設(shè)備沖洗水射流的機理可知，水屬于不可壓縮流體，因此其矢量微分方程列可表示為：

式中，ρ為密度（kg/m3），μ為動力黏性系數(shù)（Pas），v為速度（m/s），p為壓強（Pa），F(xiàn)為質(zhì)量力（N），Cp為定壓熱容（J/（mol·K）），T為溫度（K），φ為耗散函數(shù)，即消耗機械功后轉(zhuǎn)化為熱量。k為傳熱系數(shù)（W/（m2K）），q為熱量（J），[s]為變形率張量。

并且，由于水的沖洗壓強度不會發(fā)生太大改變，也就無需考慮體積和密度的變化影響。因此，基于直角坐標系（x，y，z）下，可將以上方程簡化為以下3 個方程式[13-15]：

2.3 動量方程和能量方程

1）動量方程在流體動力學中，對于一個控制體積，流入和流出的動量變化等于作用在控制體積上的力，在差分形式下，對于不可壓縮的流體（如水），在某個特定方向上的動量方程：

式中，ρ是流體密度，v是流體速度，p是壓力，μ是動力粘度，g是重力加速度。

2）能量方程

能量方程在流體動力學中通常被稱為Bernoulli 方程。對于穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的流體，沿著流線的能量守恒為：

水射流可以用這兩個描述和預(yù)測流體動力學現(xiàn)象的方程計算。

水射流可以用這兩個描述和預(yù)測流體動力學現(xiàn)象的方程計算。

2.4 邊界條件

流體運動定解需考慮以下兩方面：一是給定初始條件，二是邊界條件。就前者來說，它主要涉及了速度ν、壓強p、空間坐標函數(shù)關(guān)系等。具體如下：

其中，v0、p0、ρ0、T0分別為起始時刻t0的速度、壓強、密度、溫度。

邊界條件是流體各邊界的流動條件，流動界面通常由三部分構(gòu)成，氣體、液體和固體。

針對射流的邊界條件，射流射到與其相同的靜止介質(zhì)中的自由淹沒射流，將在外邊界線上生成失穩(wěn)漩渦，而這些漩渦會基于多方向任意運動，并與介質(zhì)發(fā)生質(zhì)量、動能交換，因此流體質(zhì)點速度會在零上下浮動。基于宏觀層面上來看，流體質(zhì)點的速度與附近介質(zhì)的速度是完全一致的，并且與力學平衡相吻合，即壓強與附近介質(zhì)的壓強是完全一致的[18-20]。

2.5 求解方程

帶電沖洗水射流段是極具代表性的一種非淹沒射流，只要噴口壓強發(fā)生變化，連續(xù)非淹沒水射流結(jié)構(gòu)也會發(fā)生相應(yīng)改變，并且射流形態(tài)也會受到環(huán)境干擾，在此情況下，倘若用解析方法進行求解就顯得極其困難，只能通過數(shù)值仿真或試驗結(jié)果進行規(guī)律梳理與總結(jié)。

一旦方程建立起來，需要使用適當?shù)臄?shù)值方法來求解它們[21]。這需要使用有限元法、有限差分法或者有限體積法等數(shù)值計算方法。這一步通常需要使用到計算流體動力學（CFD）的軟件。

3 電氣設(shè)備沖洗水射流力學計算應(yīng)用

3.1 一般理論值

結(jié)合實際測試從以上方程組推算，得出水射流基本參數(shù)及計算公式，見表1。由表1 可以看出，射流功率與噴咀直徑的平方成正比，與壓力的3/2 次冪成正比，即射流功率對直徑的變化要比對壓力的變化敏感。了解這一點，對射流的應(yīng)用功效很有幫助，如對清洗作業(yè)結(jié)垢物疏松和較多時采用較大的噴嘴直徑，而對切割，增加壓力，更能顯示出效果。

表1 水射流基本參數(shù)及計算公式

表2 調(diào)整收縮角和擴散角后的回歸分析

3.2 水射流計算結(jié)果應(yīng)用

水射流的計算，實現(xiàn)水射流范圍控制，確保變電設(shè)備帶電沖洗安全。帶電設(shè)備的防護等級、電壓等級和設(shè)備的距離都會對水射流有要求。若水射流過大，可能會引起電弧或者電擊，造成人身安全事故或者設(shè)備損壞。

水射流方向的控制可以提高效率，通過計算水射流，更好地理解和預(yù)測水污染物的擴散，為選擇合適的水壓和噴嘴提供設(shè)計依據(jù)，使得清洗效果最佳、避免水資源的浪費，并避免在清洗過程中產(chǎn)生二次污染。

水射流強度（輸出水壓力）的控制，可以防止設(shè)備損壞。過大的水射流可能會對設(shè)備造成機械性損壞，如沖擊破壞設(shè)備的絕緣層等。

從現(xiàn)場作業(yè)對水射流參數(shù)要求可知，對電氣設(shè)備帶電沖洗的水射流主要是計算水射流的壓力、速度、流量等參數(shù)，計算結(jié)果直接影響到電氣設(shè)備清洗的效果和安全，也為了更好地達到水資源利用、能耗控制更優(yōu)化，環(huán)境影響最少化的目的，為各種變電設(shè)備帶電沖洗的裝置和系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供基礎(chǔ)技術(shù)支持，例如可以通過計算水射流來確定最佳的噴頭和噴射系統(tǒng)，以及水泵的功率等。

3.3 應(yīng)用舉例

3.3.1 優(yōu)化沖洗效果降低設(shè)備損壞風險

水射流的沖擊力是其主要力學行為，這種沖擊力的大小受到水射流的速度、射流截面積、水密度、水射流沖擊角度以及重力等因素的影響。其中，射流速度和水密度對沖擊力的影響最為顯著。

水射流在沖擊電氣設(shè)備時，會產(chǎn)生較大的沖擊應(yīng)力和應(yīng)變，這種應(yīng)力應(yīng)變的大小和分布與設(shè)備的形狀、大小以及水射流的沖擊角度密切相關(guān)。

通過計算水射流在電氣設(shè)備表面的沖擊壓力和沖刷力，可以精確地預(yù)測設(shè)備的損傷程度，以此作為優(yōu)化沖洗過程的重要依據(jù)。

根據(jù)水射流沖擊力和應(yīng)力的計算結(jié)果，項目提出了針對不同類型電氣設(shè)備的最佳沖洗角度和沖洗壓力，從而在保證設(shè)備安全的前提下，實現(xiàn)最佳的沖洗效果。

3.3.2 三維旋轉(zhuǎn)噴射槍噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

用計算流體力學數(shù)值分析的方法，進行三維旋轉(zhuǎn)噴射槍噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，這個過程主要是在分析和改進噴射槍噴嘴的設(shè)計。

計算流體動力學（CFD）是一種使用數(shù)學和物理模型模擬流體流動的方法。在這個過程中，計算機被用來解決控制流體流動的偏微分方程。

在這個優(yōu)化過程中，使用CFD 方法可以模擬噴嘴中流體的流動和噴射出的流線，分析其性能是否滿足要求，例如流體速度、壓力、溫度等參數(shù)是否達到預(yù)期的效果。然后根據(jù)這些分析結(jié)果，可以對噴嘴的設(shè)計進行修改和優(yōu)化，以提高其性能，例如提高其噴射效果，減少能量損失，提高其使用壽命等。

此外，該優(yōu)化過程也可能包括對噴嘴的形狀、大小、材料等因素的考慮，以達到最佳的噴射效果。例如，可能會考慮使用不同的材料制造噴嘴，或者改變噴嘴的形狀，以改變流體的流動路徑，從而改善其性能。

以500kV 高壓電氣設(shè)備支柱絕緣子水射流噴嘴優(yōu)化為例，模擬不同直徑下噴嘴對水射流噴射落差的影響，如圖3 所示。

圖3 不同直徑噴嘴對水射流落差的影響曲線

如固定8 mm 直徑噴嘴，還可以模擬噴嘴流速和流線，預(yù)測水射流不同仰角下的落差，為噴嘴優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，噴嘴流線模擬曲線如圖4 所示。

圖4 噴嘴流線模擬曲線

考慮到噴嘴壓力等因素對噴射效果的影響，優(yōu)化還可以模擬相同傾角下不同壓力的水射流的落差變化情況。噴嘴壓力對噴射效果如圖5所示。

圖5 噴嘴壓力對噴射效果的影響曲線

通過對各類噴嘴的分析和比較，可以選出最優(yōu)的噴嘴參數(shù)。試驗得出影響噴嘴水射流出口速度的因素主要有：（1）噴嘴直徑；（2）噴嘴過渡段直徑；（3）收縮角；（4）擴散角。

噴嘴水射流的出口速度是影響清洗效果的關(guān)鍵之一，比對分析結(jié)果后，噴嘴選用了直徑為10 mm 的噴嘴，噴嘴過渡段設(shè)置為端長的2/3，并將收縮角和擴散角根據(jù)絕緣子所處位置的高度進行了調(diào)整。

這些優(yōu)化方案不僅使優(yōu)化噴射搶后的水射流速度、壓力達到了設(shè)計要求，且清洗效果更為明顯。

4 結(jié)束語

本文詳細研究了基于流體力學的電氣設(shè)備沖洗水射流計算方程。結(jié)果表明，流體力學能更準確地預(yù)測和理解電氣設(shè)備沖洗過程中的水射流行為，為設(shè)計更高效且能源消耗更低的電氣設(shè)備沖洗系統(tǒng)提供了理論支持。

項目還需要進一步研究以改進和優(yōu)化計算方法。特別是需要更深入地理解不同參數(shù)對電氣設(shè)備沖洗水射流性能的影響。此外，模型需要在更廣泛的條件下進行驗證，以提高其應(yīng)用范圍和可靠性。

本研究的結(jié)果不僅對理解電氣設(shè)備帶電沖洗水射流力學行為具有重要意義，也為優(yōu)化電氣設(shè)備的清洗過程提供了理論依據(jù)。未來的研究將進一步深入探討沖洗水射流力學的細節(jié)，以期提供更加精確的計算模型和實用的沖洗策略，進一步提高電氣設(shè)備清洗效率和安全性。