絕緣子表面灰塵顆粒分布

，

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

絕緣子在電網設備中起了非常重要的作用，不僅可以將部件連接起來，而且還可以將需要保護的部件絕緣。在大多數情況下，絕緣子都是可以正常工作的，但是空氣中有大量的灰塵顆粒，特別是在工業發達的沿海地區空氣中的灰塵顆粒更多。空氣中尺寸較大的顆粒會在重力的作用下積聚在絕緣子表面，尺寸較小的顆粒會懸浮在空氣中并做無規則運動。隨著時間的推移，大量的灰塵顆粒堆積在絕緣子表面形成污穢層。在空氣中濕度較高時，污穢塵中的可溶性會慢慢溶解，絕緣子表面就會形成電解質水膜，這時絕緣子表面就會產生泄露電流，這樣就改變了絕緣子的絕緣特性。當絕緣子周圍的電場強度增大時，絕緣子表面就會產生局部放電現象，隨著污穢層的增加，局部放電就會擴展，直至發生閃絡現象。絕緣子污閃是電力系統安全運行的主要威脅[1]，因此，就需要對污閃發生的第一個階段中污層的形成過程進行研究，了解顆粒在空氣中的運動過程以及與絕緣子的碰撞粘附過程，為以后絕緣子的抗污設計和絕緣子的清洗提供參考。

在絕緣子的積污方面，許多學者都做出了研究[2-8]，但是沒有對顆粒與絕緣子的碰撞粘附過程進行研究，沒有進行這方面的數值模擬仿真。 本文中的研究對象為表面有、無凸棱2種支柱型絕緣子，使用流體動力學和顆粒離散元耦合的方法可視化地研究顆粒在絕緣子表面的積污過程，同時文中結合了顆粒和絕緣子接觸時表面能的影響，能夠更加準確地描述顆粒與絕緣子的接觸粘附過程，從而更好地研究顆粒在絕緣子表面動態沉積特性。

1 計算方法的確定

目前絕緣子的積污方面的研究主要通過風洞試驗的CFD方法來進行。在實驗研究方面，學者通過結合風洞實驗和自然積污的方法進行積污實驗[9-12]，但是風洞試驗中如何替代非常小的顆粒存在較大難度，而且在積污的過程中存在時間長，條件不易達到等缺點；CFD方法[13]只能模擬顆粒在流場中的運動，并不能有效地反映顆粒與絕緣子表面的接觸粘附特性。為了更好地研究絕緣子的積污特性，本文中使用了CFD和DEM耦合的方法模擬絕緣子的積污過程。 根據Hertz理論和Mindlin-Deresiewicz理論，建立如圖1所示的顆粒和絕緣子接觸模型。

圖1 顆粒與絕緣子表面接觸物理模型Fig.1 Surface contact physical model of particles and insulator

2 幾何模型和仿真設置

2.1 絕緣子幾何模型

本文中的研究對象是大、小傘裙相間分布的絕緣子，其參數見表1。

表1 絕緣子參數

由于大、小傘裙的流場會受到其上、下傘裙的影響，因此，在綜合考慮運算速度，同時又不影響到單片大、小傘裙周圍流場的情況下，創建如圖2所示的絕緣子模型。

a 無凸棱

b 有凸棱圖2 絕緣子模型創建Fig.2 Model creation of insulator

2.2 計算域及網格劃分

基于本文的DEM-CFD耦合仿真的方法，需要分別在FLUENT和EDEM軟件中設置仿真區域。為了確保絕緣子附近流場的準確性，同時減小計算時間，將FLUENT中的流場范圍設置為絕緣子直徑的5倍，計算域設為800 mm×600 mm×410 mm。為了不影響顆粒在絕緣子表面的粘附過程，同時考慮運算時間，將耦合區域設置在流場域之類，其范圍為550 mm×410 mm×255 mm。仿真計算域如圖3所示。

圖3 仿真計算域Fig.3 Simulation calculation domain

由于絕緣子幾何模型曲面復雜，絕緣子附近顆粒的流場和顆粒運動受到的影響更大，因此，為了提高計算精度，在仿真時采用非結構網格，同時細化絕緣子附近的網格，如圖4所示。

圖4 絕緣子網格Fig.4 Insulator grid

3 計算結果及分析

3.1 空氣流場速度特性分析

絕緣子表面附近的流場可以通過絕緣子表面速度矢量圖表示，見圖5，分別給出了絕緣子表面、小傘裙平面和大傘裙平面3個位置速度矢量圖。由圖5a可以看出，流體經過絕緣子時會發生分流現象，傘裙上表面流體速度增大，下表面流體速度減小。而在絕緣子背風面流體出現短暫真空現象，隨著氣流重新匯聚，會產生明顯渦流現象，背風面的氣流壓力明顯減小，流體速度較迎風面的小。由圖5b—c可以看出，小傘裙平面的流體速度比大傘裙平面的流體速度小，這是因為當流體經過大傘裙表面時產生分流，其中的一條流體在經過小傘裙時又會發生分流現象，從而小傘裙平面的流體速度就會比大傘裙的小。對于空氣中同樣的灰塵顆粒來說，是否能夠在絕緣子表面沉積主要取決于流體曳力的大小，流體曳力較小的位置更容易積污，因此我們可以得到在絕緣子的下表面、大小傘裙連接處和絕緣子背風面更容易發生積污。

a 絕緣子

b 小傘裙

c 大傘裙圖5 無凸棱絕緣子平面速度矢量圖Fig.5 Plane velocity vector diagram of insulator without bead

圖6為有凸棱絕緣子速度平面矢量圖。由圖可以看出，下表面有凸棱的絕緣子在絕緣子背風面產生的渦流現象更加嚴重，顆粒更容易沉積。

3.2 風速和粒徑對積污特性的影響

風速的大小很大程度上決定了顆粒在絕緣子表面的粘附狀態。圖7為絕緣子表面粘附顆粒數隨時間變化圖。從圖中可以看出，在一定時間范圍內，絕緣子表面粘附顆粒隨著時間的增加逐漸增多。

a 絕緣子

b 小傘裙

c 大傘裙圖6 有凸棱絕緣子平面速度矢量圖Fig.6 Plane Velocity vector diagram of insulator with bead

圖8為顆粒在絕緣子表面粘附速率隨風速變化圖。從圖中可以看出，隨著水平風速的增加，顆粒在絕緣子表面粘附速率先逐漸增大，風速達到一定值后，粘附速率開始減小。

圖9為不同粒徑的顆粒在2種絕緣子下積污速率。當顆粒粒徑小于40 μm時，下表面有凸棱的絕緣子的積污速率大于下表面無凸棱的絕緣子，這是因為此時顆粒的重力較小，積污速率主要取決于流體曳力的大小，下表面有凸棱的絕緣子在下表面會產生嚴重的渦流，更加有利于積污。當顆粒粒徑為60 μm時，風速較小的情況下，重力起主要作用，顆粒在絕緣子表面的運動軌跡發生了變化，顆粒并沒有直接隨流場沉積到絕緣子表面上，而是在重力和流體曳力的綜合作用下發生沉積，此時下表面無凸棱的絕緣子積污速率較快；風速較大時，顆粒受到流體曳力的影響增大，此時由于下表面有凸棱的絕緣子下表面積較大，積污速率也較快，因此當顆粒粒徑大于60 μm時，流體速度小于12 m/s時，下表面有凸棱的絕緣子積污速率較慢，流體速度大于12 m/s時，下表面有凸棱的絕緣子積污速率較快。

a 無凸棱絕緣子

b 有凸棱絕緣子圖7 絕緣子表面粘附顆粒數Fig.7 Number of sticking particles on insulator surface

a 無凸棱絕緣子

b 有凸棱絕緣子圖8 顆粒在絕緣子表面黏附速率Fig.8 Particle sticking rate on insulator surface

a 粒徑20 μm的顆粒

b 粒徑40 μm的顆粒

通過分析不同粒徑顆粒的積污速率，可以知道最適合絕緣子的積污風速，如圖10所示，絕緣子的最適積污風速與顆粒的粒徑大小呈反比例關系。

圖10 最適積污風速與粒徑的關系Fig.10 Relationship between particle size and most suitable wind speed for sticking

結合圖8可知，下表面有凸棱的絕緣子在最適合積污的速度范圍內速度波動比較小，這也可以說明下表面有凸棱的絕緣子更適合積污。同時這也在一定程度上表明下表面有凸棱的絕緣子會擾動絕緣子附近的流場分布，會影響顆粒在絕緣子表面的黏附狀態，使得更多顆粒粘附在絕緣子的下表面。

圖11為粘附在絕緣子表面不同粒徑顆粒所占比例。 當風度較小時，污穢顆粒占比隨著顆粒粒徑的增加逐漸增大；當風速達到8 m/s左右時，20 μm以上污穢顆粒為主要成分；在風速較大時，可以看到粒徑較大顆粒所占比例明顯下降，而粒徑小的顆粒開始增多，粒徑為20 μm左右的顆粒所占的比例最大；這是因為當風速較小時，粒徑很小的顆粒受流體作用明顯，易隨流體繞流離開絕緣子，而粒徑較大的顆粒主要受顆粒與絕緣子的碰撞作用力離開絕緣子；在風速很小的天氣狀況下，粘附在絕緣子表面的灰塵顆粒的粒徑大都在50 μm之下。

4 結論

1)粒徑較小的顆粒受流體曳力影響嚴重，主要沉積在傘裙下表面；粒徑較大的顆粒受重力影響較大，沉降在傘裙上表面。

a 無凸棱絕緣子

b 有凸棱絕緣子圖11 不同絕緣子表面顆粒粒徑分布Fig.11 Different particle size distribution of insulator without bead

2)灰塵顆粒主要集中在傘裙迎風面的傘裙上表面和傘棒區域以及帶凸棱絕緣子傘裙下表面凹陷區域。

3)適合下表面有凸棱的絕緣子積污的風速范圍較下表面無凸棱絕緣子大，下表面有凸棱絕緣子比無凸棱絕緣子更容易積污。

4)在風速很小的天氣狀況下，粘附在絕緣子表面的灰塵顆粒的粒徑大都在50 μm以下。