揚塵條件下帶電污穢顆粒對絕緣子電位和電場分布的影響研究

摘 要：XP-160絕緣子是高壓傳輸系統中保證輸電線與桿塔保持電氣隔離的關鍵零部件，其絕緣性能直接影響電力線路的安全可靠運行。電場分布是衡量絕緣子電氣性能的重要指標，線路運行環境對絕緣子電場分布的影響至關重要。為了研究揚塵條件下帶電污穢顆粒對絕緣子電場分布的影響，以XP-160絕緣子串為研究對象，搭建了靜電場、流場、帶電顆粒相互作用和帶電顆粒運動的多物理場耦合風洞模型。研究結果表明：揚塵中的帶電顆粒對帶電運行絕緣子串的電位和電場分布有較大影響；當絕緣子完全處于揚塵中時，傘裙表面電位達到最大值，最大電位相較于潔凈時的絕緣子電位增大了13.82%；揚塵條件下，帶電顆粒對絕緣子傘裙表面的電場影響大于對金具電場的影響，電場變化最大位置在靠近低壓端傘裙根部，最大時刻為絕緣子完全處于揚塵中時，變化量為37.14%。

關鍵詞：絕緣子；帶電顆粒；多物理場耦合；電場分布；風洞

中圖分類號：TM216" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0026-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.006

0" " 引言

位于我國西北地區的甘肅省，春季干燥多風，荒漠化的干旱缺水，為揚塵天氣的形成提供了條件[1]。文獻[2]研究表明空氣中的污穢顆粒等離子體是一個由電子、正負離子、中性粒子和顆粒組成的復雜系統。文獻[3]對顆粒運動下的靜電效應與荷電特性進行相關研究，結果表明顆粒碰撞點的外電場大小和方向由電勢分布決定。文獻[4-5]指出干燥、潔凈絕緣子的電位和電場分布主要取決于絕緣子形狀。文獻[6]以鐵路用FQB-25/12型腕臂絕緣子為研究對象，計算分析了絕緣子表面污穢分布的影響。文獻[7-8]研究結果表明大氣中的霧霾顆粒不帶電時基本不會改變絕緣子沿面電位和電場。

綜合以上研究發現，關于空氣中的帶電顆粒在運動過程中對絕緣子表面電位和電場影響的研究較少，也未研究帶電顆粒與絕緣子表面的碰撞、沉積。因此，研究揚塵中帶電顆粒對帶電運行絕緣子的多物理場耦合影響非常必要。

1" " 模型建立

1.1" " 絕緣子模型

以電力線路用XP-160絕緣子串為研究對象，單片XP-160絕緣子的相關尺寸如表1所示。

表中H表示試品結構高度，D表示XP-160絕緣子盤徑，L表示單片XP-160絕緣子爬電距離。

單片XP-160絕緣子形狀及剖面結構如圖1所示。

以3片XP-160絕緣子實際懸掛串為研究對象，為了反映更實際的電場情況，根據絕緣子結構參數和懸掛方式進行1：1等比例建模，對模型不進行簡化處理，3D全尺寸模型及其剖面圖分別如圖2（a）和圖2（b）所示。

1.2" " 多物理場風洞模型

由于要考慮揚塵中的帶電污穢顆粒對絕緣子表面電場分布的影響，即要考慮多物理場耦合情況下的數值分析，建立風洞進行空間揚塵條件模擬，并考慮空間中氣流速度的作用。模型絕緣子串安裝后的結構長度約為465 mm，盤徑為255 mm，模型絕緣子串為對稱結構，為了更切合運行中的實際情況，建立風洞的長、寬、高分別為絕緣子串尺寸的7倍，即風洞的長、寬、高分別為3 255、1 785、1 785 mm，如此的風洞設計可以保證湍流計算模擬的準確性；進一步考慮到空間電場的分布，需在外圍建立100 mm寬度的區域進行無限元域模擬。多物理場耦合風洞模型如圖3所示。

2" " 電位和電場分布分析結果

采用新造、未染污的XP-160潔凈絕緣子串進行電位和電場分布的研究。以甘肅隴東地區330 kV輸電線路為研究背景，3片XP-160組成的絕緣子串為研究對象，模型高壓端金具電位設置為330 kV，低壓端金具電位設置為0 kV。材料具體參數如表2所示。

2.1" " 潔凈空氣條件下的電位和電場分布

求解后得到電位和電場強度的分布云圖如圖4所示。

由圖4可知，電位分布比較均勻；電場分布在絕緣子傘面比較均勻，且電場強度較小；在金具與電瓷接觸處，電場強度最大，為3×104 kV/m；其余位置電場分布比較均勻。

2.2" " 帶電顆粒對絕緣子電位分布的影響

模型需進行多物理場耦合，耦合場包括靜電場模塊、揚塵顆粒相互作用模塊、流場模塊和揚塵顆粒運動模塊。風洞左側面為流場入口，流場流速設置為20 m/s，風洞壁面不允許發生滑移現象。顆粒直徑設定為20 μm，10 000個粒子，釋放時間2 s，其中25%為正電荷，30%為負電荷，45%不帶電。對絕緣子表面的電場強度沿爬電路徑進行提取，提取路徑如圖5所示。

分別沿圖5所示路徑對0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s六個時刻的絕緣子表面電場強度進行提取，提取結果如圖6所示。

分析圖6可知，隨著揚塵中帶電顆粒的來臨，除了高壓端和低壓端電位由于鉗制作用保持不變，絕緣子表面的電位分布有了明顯的變化，對于爬電距離為1 184.6 mm位置處，在0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s時刻其電位分別為2.17×105、2.21×105、2.23×105、2.26×105、2.33×105、2.47×105 V，后五個時刻相比0 s電位分別增大了1.84%、2.76%、4.15%、7.37%、13.82%。

2.3" " 帶電顆粒對絕緣子電場分布的影響

對多物理場耦合后的絕緣子串表面電場進行求解。沿圖5所示路徑進行絕緣子沿面電場提取，提取的時刻分別為0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s，結果如圖7所示。

分析圖7可知，在揚塵條件下，空間中的帶電顆粒作用使得絕緣子表面的電場明顯增大，傘裙上電場的變化明顯大于金具場強的變化，變化最大位置出現在靠近低壓端傘裙根部；在電場最大處，0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s時刻的電場強度分別為1.05×107、1.22×107、1.26×107、1.30×107、1.34×107、1.44×107 V/m，后五個時刻相比0 s電場強度分別增大了16.19%、20%、23.81%、27.62%、37.14%。

3" " 結論

本文以330 kV高壓輸電線路用XP-160絕緣子串為研究對象，通過建立風洞進行環境數值模擬，計算揚塵中帶電顆粒在多物理場耦合下對絕緣子串電位和電場分布的影響。研究結果表明：

1）揚塵條件下，空氣中的帶電顆粒對帶電運行絕緣子串的電位和電場分布有較大影響，在考慮環境對絕緣子的影響時，不可忽略。

2）在揚塵中帶電顆粒靠近帶電運行絕緣子串時，絕緣子傘裙的電位變化幅度明顯，在絕緣子完全處于揚塵中時，傘裙表面電位達到最大值，其相較于潔凈時的絕緣子電位增大了13.82%。

3）在揚塵條件下帶電顆粒對絕緣子傘裙表面的電場影響大于對金具電場的影響，電場變化最大位置在靠近低壓端傘裙根部，電場變化最大時刻為絕緣子完全處于揚塵中時，變化量為37.14%。

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收稿日期：2024-08-19

作者簡介：李成學（1975—），男，甘肅慶陽人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：高電壓與絕緣技術。