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(wǎng)有限責(zé)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(qiáng)而成的復(fù)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(zhì)量輕等優(yōu)點,目前玻璃纖維樹脂材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)中,尤其是作為絕緣子芯棒材料,并且已經(jīng)得到批量化生產(chǎn)[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,截至目前國內(nèi)掛網(wǎng)線路中玻璃纖維樹脂芯棒已經(jīng)超過900萬個標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合絕緣子。但是玻璃纖維樹脂芯棒是典型的有機(jī)絕緣設(shè)備,長期處于高溫、高壓的惡劣環(huán)境中,受雨淋、空氣氧化、日照以及風(fēng)吹等諸多自然因素影響,玻璃纖維樹脂芯棒會經(jīng)歷“積污—濕潤受潮”,玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮程度直接關(guān)系到玻璃纖維樹脂芯棒耐污閃性能,從而引發(fā)閃絡(luò)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(jī)理和受潮程度分析研究迫在眉睫。環(huán)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(guān)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(jié)、水滴撞擊玻璃纖維樹脂芯棒表面污層、表面污層的吸水現(xiàn)象以及水分子在玻璃纖維樹脂芯棒污層中的化學(xué)擴(kuò)散,前者未發(fā)生污層結(jié)構(gòu)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(jié)、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(jié)過程屬于物理中的凝露現(xiàn)象,即水分子從氣相到液相的轉(zhuǎn)化過程,在空氣飽和濕度情況下當(dāng)空氣環(huán)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(jié)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(xiàn)象以及水分子在玻璃纖維樹脂芯棒污層中的化學(xué)擴(kuò)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(nèi)受潮過程[3]。污層吸濕和水分子化學(xué)擴(kuò)散主要取決于玻璃纖維樹脂芯棒污層所處環(huán)境的溫差。因此以玻璃纖維樹脂芯棒污層環(huán)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(nèi)受潮程度進(jìn)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(jù)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(nèi)受潮機(jī)理數(shù)學(xué)模型。首先,要明確玻璃纖維樹脂芯棒污層凝結(jié)的產(chǎn)生條件,獲得凝結(jié)過程中水分子所受的外力(凝結(jié)驅(qū)動力),進(jìn)而分析玻璃纖維樹脂芯棒污層外部水分子凝結(jié)過程中產(chǎn)生的主控因子。其次,利用模型方程描述凝結(jié)后在大氣中形成水滴的速率。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)凝結(jié)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(tài)水滴的質(zhì)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(jìn)行建模分析。

2.1 污層外冷凝

在飽和濕度情況下,當(dāng)水蒸氣與流體接觸時,冷凝一般都是在流體表面進(jìn)行,要想在水蒸氣內(nèi)生成水珠,只能從凝結(jié)核開始向外逐步擴(kuò)大[4]。從傳熱和傳質(zhì)的觀點來看,在氣—液兩相界面處有一個邊界層,當(dāng)其溫度比環(huán)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(fā)生汽化[5]。當(dāng)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(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)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(huán)境中的物質(zhì)會由亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài),假設(shè)玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮過程中環(huán)境中的理想氣體為水蒸氣,并且處于亞穩(wěn)態(tài)相,由于環(huán)境中存在溫差,處于過飽和狀態(tài)的水蒸氣將發(fā)生冷凝,環(huán)境中的氣態(tài)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(qū)動力的大小,其數(shù)學(xué)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(qū)動力;r表示冷凝生成水滴的半徑;T表示環(huán)境溫差;P1表示環(huán)境中水蒸氣處于亞穩(wěn)態(tài)相時的壓力值;P2表示環(huán)境中水蒸氣處于穩(wěn)態(tài)相時的壓力值[6]。在冷凝驅(qū)動力的作用下,環(huán)境空氣中的過飽和水蒸氣由亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài),從水蒸氣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗?玻璃纖維樹脂芯棒污層表面發(fā)生凝露現(xiàn)象,逐步受潮。

隨著水蒸氣從氣態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),玻璃纖維樹脂芯棒污層表面珠狀水滴體積不斷增加。考慮到水滴自身的導(dǎo)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(jù)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(huán)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(jié)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?zhèn)鳠嵯禂?shù);t表示玻璃纖維樹脂芯棒污層外部凝結(jié)水滴邊界層厚度[7]。利用以上數(shù)學(xué)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(zhì)量流量具有一定的影響,根據(jù)氣體動力學(xué)原理,建立玻璃纖維樹脂芯棒污層外部水滴冷凝質(zhì)量流量數(shù)學(xué)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(zhì)量流量;α表示調(diào)節(jié)系數(shù);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(shù)學(xué)模型,設(shè)定溫差為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6種工況,將溫差和相關(guān)參數(shù)代入到上述數(shù)學(xué)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(qū)動力、水滴生成速率以及冷凝質(zhì)量流量,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同溫差下污層外冷凝程度

冷凝驅(qū)動力是保證玻璃纖維樹脂芯棒污層外部發(fā)生冷凝線性的關(guān)鍵條件,只有存在冷凝驅(qū)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(xiàn)不同,環(huán)境溫差與玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝驅(qū)動力、水滴生成速率以及冷凝質(zhì)量流量呈線性正比,隨著環(huán)境溫差的增大,玻璃纖維樹脂芯棒污層外部冷凝驅(qū)動力逐漸增大,水滴生成速率逐漸提升,冷凝質(zhì)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(fā)生水滴碰撞,為了進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shè)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(zhì)參數(shù)始終保持不變,并且水滴運動過程中自身形狀也不會發(fā)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(nèi)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(fā)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(tài)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(shù)學(xué)模型,設(shè)定溫差為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6種工況,將溫差和相關(guān)參數(shù)代入到上述數(shù)學(xué)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(shù)據(jù)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(huán)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(huán)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(fā)生碰撞。

3 不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)受潮過程建模分析

3.1 污層內(nèi)吸濕

為了減少玻璃纖維樹脂芯棒結(jié)構(gòu)以及污穢成分對污層內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)定為:鹽密度0.35 mg/cm2,灰度1.65 mg/cm2。將環(huán)境溫差分別設(shè)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(nèi)吸濕時間曲線進(jìn)行擬合,得到玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)吸濕時間-溫差關(guān)系數(shù)學(xué)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(nèi)部電導(dǎo)率;x表示玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)吸濕時間。從公式(5)可以看出,環(huán)境溫差與玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)吸濕時間呈二次函數(shù)關(guān)系,玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)吸濕時間長短受溫差影響比較大,隨著環(huán)境溫差的增大,玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)飽和吸濕時間逐漸縮短。

3.2 污層內(nèi)水分子擴(kuò)散

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

體積傳質(zhì)系數(shù)可以反映出玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)水分子自身的流動屬性,體積傳質(zhì)系數(shù)越大,則表示玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)水分子擴(kuò)散速度越快,玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)受潮時間越短,受潮程度越大。利用傳質(zhì)模型,設(shè)定溫差為0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6種工況,將溫差和相關(guān)參數(shù)代入到數(shù)學(xué)模型中,求出不同溫差下玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)體積傳質(zhì)系數(shù),具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同溫差下污層內(nèi)水分子擴(kuò)散程度

從表3可以看出,環(huán)境溫差與玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)水分子體積傳質(zhì)系數(shù)成正比,體積傳質(zhì)系數(shù)隨著溫差的增大而增大,即隨著環(huán)境溫差的增大,玻璃纖維樹脂芯棒污層內(nèi)水分子擴(kuò)散速度越快,污層內(nèi)部受潮時間越短。綜合以上建模分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論:環(huán)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(huán)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(jié)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(guān)文獻(xiàn)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(jìn)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(jī)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(xiàn)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(nèi)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(jìn)行進(jìn)一步研究,為玻璃纖維樹脂芯棒污層受潮機(jī)理研究提供有力的理論支撐。