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(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

絕緣子在電網(wǎng)設(shè)備中起了非常重要的作用，不僅可以將部件連接起來(lái)，而且還可以將需要保護(hù)的部件絕緣。在大多數(shù)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(yè)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)空氣中的灰塵顆粒更多?？諝庵谐叽巛^大的顆粒會(huì)在重力的作用下積聚在絕緣子表面，尺寸較小的顆粒會(huì)懸浮在空氣中并做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。隨著時(shí)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(shí)，污穢塵中的可溶性會(huì)慢慢溶解，絕緣子表面就會(huì)形成電解質(zhì)水膜，這時(shí)絕緣子表面就會(huì)產(chǎn)生泄露電流，這樣就改變了絕緣子的絕緣特性。當(dāng)絕緣子周?chē)碾妶?chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，絕緣子表面就會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，隨著污穢層的增加，局部放電就會(huì)擴(kuò)展，直至發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。絕緣子污閃是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要威脅[1]，因此，就需要對(duì)污閃發(fā)生的第一個(gè)階段中污層的形成過(guò)程進(jìn)行研究，了解顆粒在空氣中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及與絕緣子的碰撞粘附過(guò)程，為以后絕緣子的抗污設(shè)計(jì)和絕緣子的清洗提供參考。

在絕緣子的積污方面，許多學(xué)者都做出了研究[2-8]，但是沒(méi)有對(duì)顆粒與絕緣子的碰撞粘附過(guò)程進(jìn)行研究，沒(méi)有進(jìn)行這方面的數(shù)值模擬仿真。 本文中的研究對(duì)象為表面有、無(wú)凸棱2種支柱型絕緣子，使用流體動(dòng)力學(xué)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(guò)程，同時(shí)文中結(jié)合了顆粒和絕緣子接觸時(shí)表面能的影響，能夠更加準(zhǔn)確地描述顆粒與絕緣子的接觸粘附過(guò)程，從而更好地研究顆粒在絕緣子表面動(dòng)態(tài)沉積特性。

1 計(jì)算方法的確定

目前絕緣子的積污方面的研究主要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的CFD方法來(lái)進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)研究方面，學(xué)者通過(guò)結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和自然積污的方法進(jìn)行積污實(shí)驗(yàn)[9-12]，但是風(fēng)洞試驗(yàn)中如何替代非常小的顆粒存在較大難度，而且在積污的過(guò)程中存在時(shí)間長(zhǎng)，條件不易達(dá)到等缺點(diǎn)；CFD方法[13]只能模擬顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，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(guò)程。 根據(jù)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(shè)置

2.1 絕緣子幾何模型

本文中的研究對(duì)象是大、小傘裙相間分布的絕緣子，其參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 絕緣子參數(shù)

由于大、小傘裙的流場(chǎng)會(huì)受到其上、下傘裙的影響，因此，在綜合考慮運(yùn)算速度，同時(shí)又不影響到單片大、小傘裙周?chē)鲌?chǎng)的情況下，創(chuàng)建如圖2所示的絕緣子模型。

a 無(wú)凸棱

b 有凸棱圖2 絕緣子模型創(chuàng)建Fig.2 Model creation of insulator

2.2 計(jì)算域及網(wǎng)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(shè)置仿真區(qū)域。為了確保絕緣子附近流場(chǎng)的準(zhǔn)確性，同時(shí)減小計(jì)算時(shí)間，將FLUENT中的流場(chǎng)范圍設(shè)置為絕緣子直徑的5倍，計(jì)算域設(shè)為800 mm×600 mm×410 mm。為了不影響顆粒在絕緣子表面的粘附過(guò)程，同時(shí)考慮運(yùn)算時(shí)間，將耦合區(qū)域設(shè)置在流場(chǎng)域之類(lèi)，其范圍為550 mm×410 mm×255 mm。仿真計(jì)算域如圖3所示。

圖3 仿真計(jì)算域Fig.3 Simulation calculation domain

由于絕緣子幾何模型曲面復(fù)雜，絕緣子附近顆粒的流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)受到的影響更大，因此，為了提高計(jì)算精度，在仿真時(shí)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，同時(shí)細(xì)化絕緣子附近的網(wǎng)格，如圖4所示。

圖4 絕緣子網(wǎng)格Fig.4 Insulator grid

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 空氣流場(chǎng)速度特性分析

絕緣子表面附近的流場(chǎng)可以通過(guò)絕緣子表面速度矢量圖表示，見(jiàn)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(gè)位置速度矢量圖。由圖5a可以看出，流體經(jīng)過(guò)絕緣子時(shí)會(huì)發(fā)生分流現(xiàn)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(fēng)面流體出現(xiàn)短暫真空現(xiàn)象，隨著氣流重新匯聚，會(huì)產(chǎn)生明顯渦流現(xiàn)象，背風(fēng)面的氣流壓力明顯減小，流體速度較迎風(fēng)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?yàn)楫?dāng)流體經(jīng)過(guò)大傘裙表面時(shí)產(chǎn)生分流，其中的一條流體在經(jīng)過(guò)小傘裙時(shí)又會(huì)發(fā)生分流現(xiàn)象，從而小傘裙平面的流體速度就會(huì)比大傘裙的小。對(duì)于空氣中同樣的灰塵顆粒來(lái)說(shuō)，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(fēng)面更容易發(fā)生積污。

a 絕緣子

b 小傘裙

c 大傘裙圖5 無(wú)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(fēng)面產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象更加嚴(yán)重，顆粒更容易沉積。

3.2 風(fēng)速和粒徑對(duì)積污特性的影響

風(fēng)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(tài)。圖7為絕緣子表面粘附顆粒數(shù)隨時(shí)間變化圖。從圖中可以看出，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，絕緣子表面粘附顆粒隨著時(shí)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(fēng)速變化圖。從圖中可以看出，隨著水平風(fēng)速的增加，顆粒在絕緣子表面粘附速率先逐漸增大，風(fēng)速達(dá)到一定值后，粘附速率開(kāi)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(dāng)顆粒粒徑小于40 μm時(shí)，下表面有凸棱的絕緣子的積污速率大于下表面無(wú)凸棱的絕緣子，這是因?yàn)榇藭r(shí)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流，更加有利于積污。當(dāng)顆粒粒徑為60 μm時(shí)，風(fēng)速較小的情況下，重力起主要作用，顆粒在絕緣子表面的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了變化，顆粒并沒(méi)有直接隨流場(chǎng)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(fā)生沉積，此時(shí)下表面無(wú)凸棱的絕緣子積污速率較快；風(fēng)速較大時(shí)，顆粒受到流體曳力的影響增大，此時(shí)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(dāng)顆粒粒徑大于60 μm時(shí)，流體速度小于12 m/s時(shí)，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(shí)，下表面有凸棱的絕緣子積污速率較快。

a 無(wú)凸棱絕緣子

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

a 無(wú)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(guò)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(fēng)速，如圖10所示，絕緣子的最適積污風(fēng)速與顆粒的粒徑大小呈反比例關(guān)系。

圖10 最適積污風(fēng)速與粒徑的關(guān)系Fig.10 Relationship between particle size and most suitable wind speed for sticking

結(jié)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(nèi)速度波動(dòng)比較小，這也可以說(shuō)明下表面有凸棱的絕緣子更適合積污。同時(shí)這也在一定程度上表明下表面有凸棱的絕緣子會(huì)擾動(dòng)絕緣子附近的流場(chǎng)分布，會(huì)影響顆粒在絕緣子表面的黏附狀態(tài)，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(dāng)風(fēng)度較小時(shí)，污穢顆粒占比隨著顆粒粒徑的增加逐漸增大；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8 m/s左右時(shí)，20 μm以上污穢顆粒為主要成分；在風(fēng)速較大時(shí)，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(kāi)始增多，粒徑為20 μm左右的顆粒所占的比例最大；這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速較小時(shí)，粒徑很小的顆粒受流體作用明顯，易隨流體繞流離開(kāi)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(kāi)絕緣子；在風(fēng)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(jié)論

1)粒徑較小的顆粒受流體曳力影響嚴(yán)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(wú)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(fēng)面的傘裙上表面和傘棒區(qū)域以及帶凸棱絕緣子傘裙下表面凹陷區(qū)域。

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

4)在風(fēng)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。