沙尘环境下绝缘子表面颗粒积聚特性研究

张友鹏，陈广思

沙尘环境下绝缘子表面颗粒积聚特性研究

张友鹏，陈广思

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)

为研究沙尘环境下绝缘子表面颗粒积聚特性，基于流体力学和电场分布理论建立多物理场共同作用下的风洞仿真模型，应用有限元法分析计算绝缘子表面颗粒在不同沙尘环境下的绝缘子表面压强和沙尘积聚量。研究结果表明：风速、电势和沙尘粒径均与绝缘子表面颗粒积聚特性有关，风速、电势和沙尘粒径3个变量中任意一个增加，沙尘颗粒碰撞迎风面和背风面产生的压强均会增加且迎风面压强比背风面高；沙尘积聚量随风速增加而快速增加且积聚速度逐渐减缓并趋于平稳，随电势增加而增加且积聚速度比较缓慢，随沙尘粒径增加而缓慢增加并逐渐趋于饱和且积聚速度逐渐减缓。仿真结果与试验结果基本相符。

沙尘环境；绝缘子；颗粒积聚特性；多物理场；有限元法

我国沙尘暴天气已造成多起绝缘子污闪事故的发生[1]，绝缘子污闪将导致接触网无法正常供电，而绝缘子表面污秽颗粒的积聚是污闪发生的必要条件，因此对绝缘子表面污秽颗粒的积聚特性展开深入研究是十分必要的。目前，国内外学者针对绝缘子表面污秽积聚问题进行了大量研究。国外学者研究发现绝缘子表面污秽颗粒积聚与沙尘环境中的沙尘粒径、风速有关[2−6]；国内学者利用仿真软件建立风洞试验模型可以对绝缘子表面污秽颗粒的积聚进行较好的模拟[7−10]，并且利用计算流体力学方法对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性进行分 析[11−12]，其中有学者研究电场对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响并指出污秽颗粒主要受电场力与风力共同作用[13−14]。综上所述，目前研究均未考虑电场与流体力学场共同作用对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响。本文利用COMSOL Multiphysics软件建立电场、流体力学场和粒子追踪等多物理场作用的风洞仿真模型对沙尘环境下绝缘子表面颗粒积聚特性展开研究，首先，建立风洞模型需模拟沙尘环境中的沙尘流场和电场，故选用对应的控制方程和边界条件进行数值模拟；其次，选用不同的参数作为沙粒所受气流曳力、电场力和重力的变量；最后，针对不同变量对绝缘子表面压强和沙尘积聚量的影响得出沙尘环境下绝缘子表面颗粒的积聚特性。研究结果阐明了风速、电势、沙尘粒径对沙尘环境下绝缘子表面颗粒积聚特性的影响，为沙尘环境下绝缘子的清扫及提高沙尘环境下绝缘子的防污性能提供理论依据，也为建立雾霾环境下绝缘子积污模型提供参考和借鉴。

1 沙尘环境中风洞试验的模拟

1.1 沙尘流场和电场的控制方程

沙尘流场中气流相用连续方程和动量方程进行数值模拟；沙尘相用颗粒运动控制方程进行数值模拟。绝缘子周围的气流符合湍流中流体作不规则运动的规律，且绝缘子会影响周围气流的流线，故采用湍流中的RNG-模型来模拟绝缘子周围气流，该模型可以较好解决在流线弯曲程度较大时产生的流动问题。

气流相连续方程为

气流相动量方程为

式中：，和为气流相流体，和轴方向速度矢量；为气流相流体密度；和T为气流相流体动力黏度和湍流脉动附加动力黏度；为气流相流体单元受到的压力；为主应力张量。

湍流脉动方程和耗散方程分为

其中

式中：为湍流耗散率；为湍流动能；湍流模型参数取经验值：1=1.45，2=1.92，C=0.09，σ=1.3，σ=1；P为湍流动能源项。

电场力、重力、气流曳力分别为

颗粒运动的控制方程为

式中：e为电场力；为沙粒带电量；为电场强度；g为颗粒受到的重力；为沙尘颗粒粒径；p为颗粒密度；为重力加速度；d为气流曳力；p为粒子响应时间；p为颗粒的质量；，和为颗粒运动速度在，和轴方向上的速度矢量；其中气流曳力方向与重力方向垂直。

从文献[ 13]知风沙流中大部分颗粒受静电吸附在绝缘子表面，故电场选用静电场较为合适。

静电场的控制方程为

式中：为电位移强度；为体电荷密度；为 电势。

1.2 绝缘子区域分块和风洞试验模型的网格剖分

由于计算整支绝缘子耗时太长且占用大量的电脑内存，又因为绝缘子表面颗粒积聚特性主要与伞裙有关，绝缘子分块部分可以体现整支绝缘子表面颗粒的积聚特性，故其他部分可以简化，根据式(1)~(7)可建立如图1所示的绝缘子分块模型，整串绝缘子包含芯棒、大伞裙和小伞裙。风洞试验模拟中应用有限元法计算绝缘子在不同变量下的绝缘子表面压强积污质量，故网格划分与结果精确度有关。本次仿真绝缘子区域分块高度为310 mm，由文献[1]可知，电场分布与计算域有关，故风洞长度取绝缘子高度的5倍进行设定，宽度和高度取绝缘子结构高度的3.3倍进行设定。风洞模型的网格剖分如图2所示。

单位：mm

1.3 风洞试验模型边界条件的设定

仿真计算前需对流场、电场、粒子追踪等模块进行边界条件设定。流场需设定的边界条件包含沙尘入口、沙尘出口及壁面。风洞模型长度方向的2个面设置为沙尘入口和出口，入口设置为速度入口；出口设置为压力；宽度方向的4个面设置为外壁面。风沙入口还需对湍流强度T和湍流长度T进行设定。

单位：mm

湍流强度T和湍流长度T分别为

式中：为雷诺数，用于表示绝缘子周围流场的流动模式；p为绝缘子的平均直径。

雷诺数的表达式为

式中：为流体的动力黏度。

电场模拟需对高低压端电势及介电常数等进行设定，高压端电势设置为参数U_in，用于改变绝缘子两端电压，低压端电势设置为接地状态；介电常数由绝缘子各个材料属性进行设定。粒子追踪模块需设定的边界条件有粒子属性、受力分析、颗粒入口和出口等，粒子属性设置为球体，密度为2 800 kg/m3的碳酸钙模型，由于本次仿真不研究沙尘浓度对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响而沙尘浓度取值范围为0~1 mg/m3[8]，故沙尘浓度选取0.35 mg/m3；受力分析中仅考虑气流曳力、重力、电场力作用；颗粒入口和出口设置如下：入口速度与风速一致，方向为入口法向速度；出口壁条件设置为消失。

2 沙尘环境下不同变量对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响

本文基于多物理场共同作用针对沙尘环境下气流曳力、电场力和重力这3种力对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响进行仿真研究，在仿真中改变风速即为改变气流曳力，改变电势即为改变电场力，改变沙粒粒径即为改变重力。由文献[8]可知：沙尘环境下沙粒粒径的取值范围为10~100 μm，沙尘暴天气时风速也小于20 m/s，故风速选取了1，4，8，12，16和20 m/s等值，沙尘粒径选取了10，30，60和80 μm 等值，而电势则根据文献[13]中的取值选取了6，10，35，50和80 kV等值，共120个工况。为研究不同变量对绝缘子表面颗粒积聚特性的影响，从120个工况中分别选取其中最能体现各变量对绝缘子表面颗粒积聚特性影响的几组工况进行分析研究。

2.1 气流曳力对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响

在所有工况中，粒径为30 μm，风速为1，4，16和20 m/s，电势为10 kV时最能体现风速对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响如图3所示。图4为风速与表面压强的变化趋势图，图5为风速与沙尘积聚量的变化趋势图。图3(a)~3(d)4个仿真结果云图颜色较深的部分表示绝缘子表面压强较大，依次比较3(a)~3(d)4个云图可以看出迎风面和背风面表面压强均比侧风面大，这说明大部分沙尘颗粒与迎风面和背风面发生碰撞，而只有小部分与侧风面发生碰撞。结合图4和图5分析可知，图4中随风速增加，沙尘颗粒碰撞迎风面和背风面产生的压强不断增加且迎风面压强增加速率比背风面快，图5中伞裙表面沙尘积聚量随风速增加而快速增加且积聚速度逐渐减缓并趋于平稳，这与文献[10]中得出的仿真规律相符合。颗粒运动轨迹主要受气流曳力、电场力、重力共同作用，随着风速增大，沙尘颗粒初速度增加，故沙尘颗粒碰撞绝缘子表面产生的压强更大且更易积聚在绝缘子表面，而当风速增大到一定值时，气流曳力的增大使一部分沙粒吹过绝缘子并未沉积在绝缘子表面上，但颗粒碰撞绝缘子表面产生的压强却因初速度的不断增大而呈快速增加的趋势，故伞裙表面沙尘积聚量逐渐趋于平稳但是表面压强却一直呈上升趋势，又由于在迎风面与背风面交界处，气流会发生边界层分流，靠近背风面附近的边界层气流速度均低于迎风面附近的边界层气流速度，因此迎风面和背风面的表面压强有差异，体现了沙尘颗粒在迎风面和背风面不同的积聚特性。

单位：mm

图4 风速与表面压强

图5 风速与沙尘积聚量

2.2 电场力对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响

仿真计算所有工况中，粒径为30 μm，电势为6，35，50和80 kV，风速为 8 m/s时最能体现电势对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响如图6所示。图7为电势与表面压强的变化趋势图，图8为电势与沙尘积聚量的变化趋势图。依次比较图6(a)~6(d)4个云图可以看出沙尘颗粒与绝缘子表面的碰撞规律与图3一致。结合图7和图8分析可知，图7中随电势增加，沙尘颗粒碰撞迎风面和背风面产生的压强缓慢增加且迎风面压强比背风面高，图8中随电势增大，伞裙表面沙尘积聚量增加且积聚速度比较缓慢，这与文献[9]中得出的仿真规律相符合。沙尘颗粒运动轨迹受气流曳力、电场力、重力共同作用，随电势增加，沙尘颗粒所受电场力增大，沙尘颗粒碰撞绝缘子表面产生的压强更大且更易积聚在绝缘子表面，但静电吸附的沙尘颗粒数量在沙尘环境中黏附在绝缘子伞裙表面总沙尘颗粒数量的比重并不大，故沙尘颗粒碰撞迎风面和背风面产生的压强缓慢增加且伞裙表面沙尘积聚量随电势的增大也缓慢增加，这与仿真中得出的规律 相同。

单位：mm

图7 电势与表面压强

图8 电势与沙尘积聚量

2.3 沙尘粒径对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响

本文仿真计算所有工况后，电势为35 kV，粒径为10，30，60和80 μm，风速为12 m/s时最能体现沙尘粒径对颗粒积聚特性的影响如图9所示。图10为沙尘粒径与表面压强的变化趋势图，图11为沙尘粒径与沙尘积聚量的变化趋势图。依次比较图9(a)~9(d)4个云图可以看出颗粒与绝缘子表面的碰撞规律与图3和图6一致。结合图10和图11知，图10中随粒径增加，迎风面和背风面的压强迅速增加且粒径达40 μm时增加趋势减缓并趋于平稳，迎风面压强比背风面高；图11中随沙尘粒径增大，伞裙表面沙尘积聚量缓慢增加并趋于饱和且积聚速度减缓，这与文献[9]中得出的仿真规律相符合。随粒径增加，颗粒所受重力增大，颗粒碰撞绝缘子表面产生的压强更大且更易积聚在绝缘子表面，而粒径大于40 μm时，气流跟随性较差，故沙粒碰撞绝缘子表面产生的压强增加趋势减缓并趋于平稳且沙尘积聚量也趋于饱和，因此仿真结果能体现沙尘粒径对绝缘子表面污秽颗粒积聚特性的影响。

单位：mm

图10 沙尘粒径与表面压强

图11 沙尘积聚量的变化趋势图

3 与试验结果对比分析

由文献[12]得出绝缘子伞裙上下表面随风速增大，绝缘子伞裙表面颗粒积聚特性相似，故整个绝缘子伞裙表面与伞裙下表面的颗粒积聚特性有相似的变化趋势。由文献[8]可知，沙尘沉降过程中粒径为60 μm左右的颗粒可达降尘量的45.47%，且沙尘流中粗粒子具有富集特性，故可将仿真结果中相同风速，但不同粒径的绝缘子伞裙表面沙尘积聚量按百分比叠加，可得仿真结果拟合曲线如图12所示。又由文献[8]可知，绝缘子伞裙下表面颗粒积聚量有

式中：为日表面颗粒积聚量，mg/d。

本文仿真结果计算出的伞裙表面沙尘积聚量对应的颗粒撞击绝缘子表面的时间较短，为了与仿真结果对比，结合式(10)将以上试验结果换算为相应撞击时间，得如图12所示风速与沙尘积聚量的趋势图。由图12可知，仿真计算出的伞裙表面沙尘积聚量和风速的变化趋势与风洞试验得出绝缘子伞裙下表面沙尘积聚量和风速的变化趋势相近,都是先增大然后到达平衡状态，但是结果却差异较大。这是因为沙尘颗粒实际运动中不断有颗粒物碰撞黏附到绝缘子表面，到达一定积聚量时，又不断地有颗粒物在流体曳力等的作用下重新回到大气中，最终会达到平衡状态，所以沙尘积聚量和风速的变化趋势先增大然后到达平衡状态；而结果差异较大的原因是仿真中颗粒碰撞在绝缘子表面上时就吸附在伞裙表面，而实际上，并不是所有碰撞到绝缘子表面的沙尘颗粒物都可以吸附到伞裙表面上，还需考虑吸附比例的问题。在文献[12]中，绝缘子伞裙表面沙尘量随风速变化渐渐趋于平稳，这与仿真中得到的结果基本一致，由此可见，仿真结果所反映出的规律是正确的。

图12 仿真与试验结果对比图

颗粒沉积在绝缘子表面上与表面的摩擦因数、碰撞力和反弹系数有关，是个复杂的过程，而颗粒碰撞和吸附过程中受毛细力、表面张力、范德华力和壁升力的作用，需结合结构力学对其进行进一步研究。

4 结论

1) 沙尘环境中大部分沙尘颗粒与迎风面和背风面发生碰撞，而只有小部分与侧风面发生碰撞。

2) 随风速增加，沙尘颗粒碰撞迎风面和背风面产生的压强不断增加且迎风面压强增加速率比背风面快，伞裙表面沙尘积聚量快速增加且积聚速度逐渐减缓并趋于平稳。

3) 随电势增加，沙尘颗粒碰撞迎风面和背风面产生的压强缓慢增加且迎风面压强比背风面高，伞裙表面沙尘积聚量增加且积聚速度比较缓慢。

4) 随沙尘粒径增加，沙尘颗粒碰撞迎风面和背风面产生的压强增加并趋于平稳且迎风面压强比背风面高，伞裙表面沙尘积聚量缓慢增加并逐渐趋于饱和且积聚速度逐渐减缓。

5) 利用多物理场共同作用来模拟风洞试验，所得仿真结果与实际风洞试验结果基本相符；在一定程度上反映了沙尘环境下绝缘子表面颗粒积聚 特性。

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(编辑 蒋学东)

Research on characteristics of particulate accumulation of insulators with sheds under sandstorm environment

ZHANG Youpeng, CHEN Guangsi

(School of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to study particulate accumulation characteristics of insulator with sheds under sandstorm environment, the wind tunnel simulation model of multiple physical fields was established based on the theory of fluid mechanics and electric field. The finite element method was utilized to analyze insulator sheds pressure and particulate accumulation amount in different sandstorm environments. The results show that wind speed, electrical potential and particle size are related to particulate accumulation characteristics of the insulator. When any of wind speed, electrical potential and particle size increases, particles collide will increase the pressure on the windward and leeward sheds, and windard pressure is higher than the leeward pressure. The amount of particulate accumulation increases rapidly with the increase of wind speed and the accumulation rate gradually slows down and stabilizes. More specifically, with the increase of electric potential, the accumulation amount increases rapidly while the speed of accumulation slows down and gradually stabilizes; with the increase of particle size, the accumulation amount slowly increases and tends to be saturated. The simulation results agree well with the experimental results.

sandstorm environment; insulator; particulate accumulation characteristics; multiple physical fields; finite element method

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.08.025

U225.8

A

1672 − 7029(2018)08 − 2099 − 08

2017−05−18

国家自然科学基金资助项目(51567014)；甘肃省自然科学基金资助项目(1606RJZA031)；甘肃省青年科学基金资助项目(1606RJYA216)

张友鹏(1965−)，男，甘肃庆阳人，教授，从事电气工程研究；E−mail：692726815@qq.com