典型粉塵污染源下絕緣子積污粒徑特征及其影響研究

張東東，劉 欣，楊成順，黃宵寧，張志勁，陳 杰，邱 剛

（1.南京工程學院，江蘇 南京 211167；2.重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044；3.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院 江蘇 南京 211103）

0 引言

隨著我國工業持續飛速發展，大氣污染問題愈加嚴重，致使輸電線路外絕緣設備運行環境日益嚴峻，污閃現象時有發生。據統計，局部地區污閃事故頻發，污閃事故數量在電網事故總數中排第2位[1]。絕緣子表面污穢分布受污穢顆粒粒徑的影響而產生差異[2]，污穢不溶成分會影響污層的附水性以及電導率，進而影響絕緣子的污閃特性[3-5]。因此，研究污穢地區絕緣子的積污特性，降低污閃風險，對輸配電外絕緣的設計與指導具有重要意義。

工業粉塵污穢更容易在輸電線路外絕緣設備表面沉積。前期調研發現，鹽城工業園區內鎳廠、化工廠附近絕緣子表面積污差異明顯，鎳廠附近絕緣子表面積污較為嚴重，污層較厚且較為松散，呈塊狀；化工廠附近絕緣子表面積污致密稀薄，呈垢狀。邵仕超等[6]通過對上述絕緣子表面污穢采樣，開展了污穢成分檢測試驗，結果表明兩種區域下絕緣子表面污穢成分仍以NaCl、硫酸鹽等為主，兩種粉塵污染源下絕緣子表面污穢成分基本相似。因此，考慮是污穢顆粒粒徑造成了上述積污差異。

目前，國內外學者通過建模及試驗模擬研究了顆粒粒徑對絕緣子積污特性的影響。文獻[7-10]建立了污穢顆粒積聚模型以及流場和電場作用下的積污仿真模型，提出了污穢顆粒在復合絕緣子表面的沉積判據；文獻[11]分析了直流線路絕緣子的污穢粒徑特征，發現正、負極線路污穢粒徑分布差異明顯，絕緣子上、下表面污穢粒徑分布大致相同；文獻[12-13]分析了瓷絕緣子表面污穢粒徑的分布區間，發現粒徑分布受濕度和風速影響較大；文獻[14]通過風洞試驗，發現絕緣子下表面的污穢分布受傘形影響較大，在4.5 m/s的風速下絕緣子表面污穢度達到峰值；文獻[15-16]分析了污穢分布的影響因素，得到玻璃材質絕緣子表面污穢粒徑大于復合材質絕緣子，粒徑為1～20 μm的顆粒受電場影響顯著，隨著風速、粒徑的增大，電場影響減弱；文獻[17-19]提出，霧霾環境與自然環境下絕緣子的積污差異較小，但高污穢環境下絕緣子的積污程度較重，粒徑為0.2～100 μm。

上述研究在一定程度上分析了污穢顆粒沉積與其粒徑的關系，但是少有結合現場實際分析工業粉塵地區的污穢顆粒粒徑特征，且定性地提出顆粒粒徑與沉積率的關系。本文以鹽城工業園區鎳廠、化工廠附近絕緣子為對象，研究典型工業粉塵地區污穢顆粒粒徑分布特征，同時建立污穢顆粒沉積模型，基于此模型進行仿真及風洞試驗，提出污穢顆粒粒徑對絕緣子表面積污特征的影響，為典型工業粉塵地區外絕緣配置及防污措施的開展提供參考。

1 工業粉塵地區污穢粒徑特征分析

1.1 試品

試品取樣地點為江蘇省境內鹽城市響水經濟開發區，該區域降雨多集中在6～8月，平均降水量在900 mm左右，平均風速約為3 m/s，相對濕度約為82%，屬于微風、高濕環境，利于污穢沉積。

試品結構參數如表1所示，試品如圖1所示。

表1 試品參數Tab.1 Test sample parameters

圖1 復合絕緣子試品Fig.1 Composite insulator sample

1.2 粒徑檢測結果分析

為對比分析不同污染源下絕緣子表面污穢的粒徑分布差異，使用mastersize-2000型粒度儀對試驗絕緣子表面污穢進行測試。其中對于鎳廠區域絕緣子，由于其表面存在電弧燒蝕的情況，將其分為傘面完好（A）、傘面損壞（B）兩組分別進行測試，測試結果如圖2所示。從圖2可以看出，鎳廠區域內A組絕緣子表面污穢顆粒平均粒徑為16.3 μm，粒徑主要分布區間為0～144.38 μm，B組平均粒徑為24.5 μm，粒徑主要分布區間為 0～154.63 μm；化工區域內絕緣子表面污穢顆粒的平均粒徑為6.67 μm，粒徑主要分布區間為0～36.69 μm。鎳廠區域劣化、未劣化傘裙表面污穢顆粒粒徑分布相近，而化工區域絕緣子污穢顆粒平均粒徑明顯小于鎳廠區域絕緣子污穢顆粒平均粒徑。

圖2 粒徑分布結果Fig.2 Particle size distribution results

造成上述粒徑分布的差異可能與污染源的性質及生產工藝流程有關。其中，鎳廠鍋爐大都是金屬熔煉設備，其排放的工業廢氣含有較大粒徑的一次顆粒物，具備粉塵特質；而化工廠排放的工業廢氣大多是粒徑較小的微粒物，在大氣中容易發生二次反應落在絕緣子表面，具備煙塵特質。因此鎳廠區域內的顆粒物粒徑大于化工區域的顆粒物粒徑。

2 污穢顆粒沉積仿真及驗證

2.1 污穢顆粒沉積模型

根據前文研究結果，鎳廠、化工廠區域污穢顆粒粒徑有明顯差異。基于粒徑檢測結果，建立了污穢顆粒在染污絕緣子表面的團聚、分離模型，基于此模型進行仿真模擬與風洞試驗驗證。

污穢顆粒的黏性主要由顆粒與接觸面之間力的相互作用產生，接觸應力主要包括范德華力、靜電力、表面張力和液橋力[20]。污穢顆粒在這些力的相互作用下在絕緣子表面團聚、吸附。當外力產生的能量大于界面能（Ec）時，則團聚破碎，顆粒碰撞示意圖如圖3所示。

圖3 顆粒與顆粒之間的碰撞運動軌跡Fig.3 Collision motion trajectory between particles

圖3中K表示顆粒1中心指向顆粒2中心的單位矢量。m1、m2分別為顆粒1和顆粒2的質量，則顆粒破碎所需的最小速度Vc可通過式（1）計算得到。

式（1）中：e為顆粒彈性恢復系數；Ec為界面能。

團聚條件為式（2）。

式（2）中：θ12為外來顆粒速度矢量與碰撞方向的夾角；c1、c2分別為顆粒1與顆粒2的速度。

當污穢吸附在絕緣子表面時，絕緣子表面的摩擦力、粗糙度等特性將會改變，從而影響污穢在絕緣子表面的分布。因此污穢顆粒在染污絕緣子與潔凈絕緣子表面沉積有明顯差異。染污絕緣子表面污穢顆粒之間碰撞示意圖如圖4所示，圖中β為碰撞角度，取值為0°～90°。以SiO2為例分析其在染污絕緣子表面的團聚情況，取Ec=9.88×10-15kg·m2/s2，m1=m2=m，c2=0，對于顆粒間的彈性碰撞恢復系數e取0.5[7]，c1則可由污穢顆粒在邊界層中的運動特性求得，如式（3）所示。

圖4 染污絕緣子表面污穢顆粒碰撞示意圖Fig.4 Schematic diagram of the collision of contaminated particles on the surface of contaminated insulator

式（3）中：Vpx、Vpy分別為污穢顆粒在x、y方向上的速度。

根據團聚原則，染污絕緣子表面再次吸附顆粒的邊界條件可表示為式（4）。

對于未能直接沉積在絕緣子污層表面的污穢顆粒，其后續的運動情況如下。根據黏性顆粒碰撞動力學，顆粒碰撞后分離，則其速度變化可表示為式（5）。

則式（5）可改寫為式（6）～（7）。

2.2 污穢顆粒沉積仿真及驗證

為研究粒徑對絕緣子積污的影響，基于上述建立的污穢顆粒沉積模型，選擇3片型號為XP-160的線路積污試驗絕緣子，呈懸垂串，利用流體力學軟件進行模擬仿真分析。

邊界條件設置如下：入口邊界條件為速度入口，污穢顆粒采用面發射形式，湍流強度I和湍流尺度L分別按照經驗公式I=0.16(Re)-1/8和L=0.07l確定，其中l為風洞的水力學直徑，絕緣子風洞網格劃分如圖5所示。

圖5 XP-160絕緣子網格劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of XP-160 insulator meshing

設t=0時刻污穢顆粒達到絕緣子表面，則污穢顆粒直接團聚的邊界條件如式（4）所示，未能直接團聚的污穢顆粒的后續運動方程如式（6）～（7）所示。

結合絕緣子表面吸附邊界條件，根據鹽城工業粉塵地區氣象環境參數，取入口風速為3 m/s，相對濕度為80%，模擬絕緣子表面污層的基本分布情況，并且利用風洞積污試驗進行驗證。設污穢顆粒從計算域的入口進入到出口流出為1個積污周期，為直觀表達絕緣子表面污穢狀況，污穢量用污穢體積分數Δp（無量綱）表示，如式（8）所示。

式（8）中：VP為同溫同壓下污穢體積，L；Vg為同溫同壓下空氣體積，L。絕緣子表面污穢體積分數體現了絕緣子表面的積污狀況，可得到絕緣子的初始污層分布特性，并據此進行不同屬性污穢顆粒吸附能力的對比。

仿真與風洞試驗對比結果如圖6所示。

圖6 仿真與風洞試驗絕緣子表面污層對比Fig.6 Contrast between simulation and wind tunnel test results on the surface of insulators

從圖6可以看出，Δp的顏色分布形狀與風洞試驗絕緣子表面污層分布形狀相似；Δp較小（顏色較淺）的區域對應風洞試驗中積污較輕的區域；Δp較大（顏色較深）的區域對應風洞試驗中積污較重的區域，仿真與試驗結果相一致。因此，基于吸附判據的仿真模型較好地展現了絕緣子表面污層的分布情況。

為對比不同粒徑下，1個積污周期內絕緣子表面污層分布差異，以粒徑為5、10、25、40 μm的污穢顆粒進行仿真，結果如圖7所示，其中左側為污穢顆粒在絕緣子上下表面的污穢分布，右側為不同污穢顆粒粒徑下Δp的取值分布。

圖7 不同污穢顆粒粒徑下絕緣子積污狀況及Δp取值分布Fig.7 Pollution accumulation and ΔPvalue distribution of insulators under different pollution particle sizes

從圖7可以看出，絕緣子表面不同區域的污穢分布因污穢顆粒的粒徑不同而產生差異。對于粒徑為5、10、25、40 μm的污穢顆粒，其在絕緣子表面的Δp分別為0.04～0.06、0.03～0.07、0.008～0.140、0～0.300。由此可知，污穢顆粒的粒徑越小，絕緣子表面污穢的體積分數越集中，即各個區域的積污輕重程度差異越小，反之積污輕重程度差異越大。這與現場試品中，鎳廠附近絕緣子表面污穢呈塊狀分散，而化工廠附近絕緣子表面污穢呈垢狀集中分布的現象一致。

3 顆粒粒徑對污穢沉積的影響分析

由于絕緣子表面污層的顆粒堆積情況復雜，顆粒之間的碰撞具有隨機性，無法確切解析出表面積污顆粒團聚的碰撞角度，因此選取團聚最嚴重的情況作為判據，即認為顆粒團聚時的碰撞角度為0。判定顆粒是否沉積的流程為如圖8所示。

圖8 判定顆粒是否沉積的流程Fig.8 Process to determine whether the particles accumulate

基于上述流程本文定義污穢顆粒沉積率Δd作為反映絕緣子積污特性的參數。設顆粒聚團時的碰撞角度為0，可計算得到污穢顆粒沉積率，即表示絕緣子可達最大污穢的狀況。定義污穢顆粒沉積率為單個積污周期內，絕緣子表面計入沉積的顆粒數量與絕緣子截面自由來流方向投影面積包含的顆粒數量之比，可表示為式（9）。

式（9）中：Nd是絕緣子表面的顆粒沉積量；NP是絕緣子投影面來流射入的顆粒量；S為絕緣子表面在自由來流方向投影的面積；np為風洞入口每單位面積入射的污穢顆粒量。

結合污穢顆粒團聚邊界條件，以XP-160瓷絕緣子為試樣，污穢顆粒為SiO2。根據鹽城地區氣象環境參數，取風速為3 m/s，相對濕度為80%，計算得到不同粒徑下的污穢顆粒沉積率如圖9所示。由圖9可得，污穢顆粒粒徑為20～30 μm時沉積率最高，可達20%～25%；在1～10 μm區間，污穢顆粒沉積率較小，不到15%，這可能是由于粒徑越小，氣流的跟隨性越強，污穢顆粒在碰撞之前容易被氣流帶走；在30～50 μm區間，污穢顆粒沉積率稍微減少，但變化不明顯，這是由于粒徑越大，碰撞時動能越大，越難以被直接吸附或團聚。鎳廠區域污穢顆粒平均粒徑為24.5 μm，處于沉積率最高區域，因此該區域積污明顯重于化工廠地區。

圖9 污穢顆粒沉積率Fig.9 Contamination particle deposition rate

4 結論

（1）化工廠和鎳廠附近絕緣子表面污穢顆粒粒徑分布差異明顯，體現為鎳廠地區絕緣子表面污穢顆粒平均粒徑為24.5 μm，而化工廠地區絕緣子表面污穢顆粒平均粒徑僅為6.67 μm，明顯小于鎳廠地區。

（2）基于所建立的污穢顆粒沉積模型進行流體力學仿真，計算得到絕緣子表面污穢顆粒體積分數，可以很好地反映不同污穢顆粒粒徑下的絕緣子積污特性差異，且與實驗現象一致。

（3）利用模型仿真得到，污穢顆粒的粒徑越小，絕緣子表面污穢體積分數越集中，即表面不同位置積污程度差異越小。這與鎳廠附近絕緣子表面污穢呈塊狀分散，而化工廠附近絕緣子表面污穢呈垢狀集中的現象互相印證。

（4）污穢顆粒粒徑在20～30 μm區間時污穢沉積率最高，其沉積率可達20%～25%，建議運行單位在進行污區劃分或開展防污工作時，重點考慮該粒徑區間粉塵污染源處的外絕緣配置。