平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性仿真分析

董海燕，窦建明，王婉



平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性仿真分析

董海燕1, 2，窦建明3，王婉4

(1. 兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070； 2. 甘肃省轨道交通电气自动化工程实验室(兰州交通大学)，甘肃 兰州 730070； 3. 兰州工业学院 机电工程学院，甘肃 兰州 730050；4. 国家电网 兰州新区供电公司，甘肃 兰州 730300)

兰新高铁接触网平腕臂绝缘子在大风沙尘环境中面临“沙闪”问题，研究不同因素下平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性，可为此环境下绝缘子选型及设计提供理论依据。以FQBJ-25型棒式瓷芯复合绝缘子为研究对象，建立风洞积污仿真模型，采用多场耦合的数值计算方法分析风速、颗粒物粒径及质量浓度3种因素对绝缘子表面积污量的影响。仿真结果表明：随着风速的增大，绝缘子和各个伞裙表面的积污量均增加；当颗粒粒径大于13 μm时，各个伞裙表面沉积的颗粒个数随粒径的增大而减少，但绝缘子表面的积污量随粒径的增大而增大；颗粒物质量浓度对绝缘子表面积污量的影响呈线性关系。各个伞裙表面积污量的变化与伞裙结构、风速、粒径及质量浓度有关，当曵力大于重力(大风速小粒径)时，伞裙结构的变化与各个伞裙表面积污量的变化具有一致性，反之，伞裙结构对积污量的变化影响很小。当曵力与重力作用相当时，颗粒物质量浓度越高，伞裙结构对各个伞裙表面积污量的影响越明显。

平腕臂绝缘子；伞裙结构；沙尘；多场耦合；沉积特性

兰新高铁途经三大沙漠和四大风区，而风沙路基主要集中于烟墩风区和百里风区，大风区线路长度约为全长的26.1%，风沙路基线路约为全长的12.2%，风沙流具有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、变化速度快等特点[1]。大风强沙尘天气易使接触网绝缘子发生闪络事故，严重影响铁路供电的可靠性，分析绝缘子表面的沙尘沉积特性是研究“沙闪”的前提。因此，开展接触网绝缘子表面沙尘沉积特性的研究有助于掌握沙尘对铁路供电设备外绝缘的影响机理。国内外学者分别采用人工试验和数值分析的方法对绝缘子的自然积污特性、雾霾环境下的积污特性、积污特性的影响因素及积污后颗粒粒径的分布规律进行了研究[2−7]。贺博 等[8−9]采用人工试验的方法研究沙尘环境下输电线路绝缘子的积污特性，得出沙尘流速和沙尘持续时间是影响绝缘子表面积污量的主要因素，并采用数值分析的方法研究沙尘微粒在硅橡胶材料表面的沉积规律，得出湍流中心的积污量多于湍流边缘；阳林等[10]采用试验方法对比研究沙尘暴条件下不同材质伞形结构的绝缘子积污特性，结果表明长棒形瓷绝缘子具有良好的空气动力学性能和防积污性能；陈邦发等[11]采用数值分析方法初步建立颗粒在绝缘子表面沉降的三维模型，重点针对一种工况下单片伞裙表面的积污特性进行分析，得知伞裙上表面的积污量多于下表面。综上所述，专门针对大风沙尘环境下接触网平腕臂绝缘子沉积特性的研究较少，另外，已有研究均未考虑沙尘荷电状况，均未分析不同因素下绝缘子各个伞裙表面积污量的变化趋势。在此，本文以大风沙尘环境下兰新高铁接触网平腕臂棒形瓷芯复合绝缘子(FQBJ-25)为研究对象，采用COMSOL Multiphysics软件建立基于电场−流场−粒子追踪场及流体和粒子相互作用的多物理场单相耦合的绝缘子动态积污数值仿真模型，分析风速、沙尘粒径、沙尘质量浓度等因素对绝缘子表面沉积特性的影响及各个伞裙表面积污量的变化趋势。

1 平腕臂绝缘子结构

兰新高铁新疆境内重污区接触网平腕臂采用陶瓷芯棒的复合绝缘子，由铁合金材料的高、低压端金具，陶瓷芯棒及硅橡胶伞裙护套4部分组成。根据绝缘子设计相关标准及规范[12−13]，确定FQBJ− 25型绝缘子的尺寸数据，如图1所示，采用Solid Works软件绘制了绝缘子的三维模型，如图2所示，其中伞裙由“一大二小”为基本单元的7部分组成，从高压端到低压端依次命名为1~22号伞裙。

单位：mm

图2 绝缘子三维模型

2 数学模型及控制方程

接触网腕臂绝缘子承受25 kV单相工频交流电且长期裸露于风沙环境中，依据电磁场理论和计算流体力学理论，采用多场耦合软件COMSOL Multiphysics中的AC-DC模块、湍流模块及粒子追踪模块数值模拟研究接触网平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性。假设沙尘颗粒物只受电场力、气流曵力及重力的作用，则颗粒运动的特性方程为

重力g为

式中：p为颗粒质量，kg；p为颗粒物密度，kg/m3；为空气密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；为颗粒运动时间，s。

电场力e为

式中：为单位电荷量，e=1.60×10−19 C；为电荷个数；为场强，V/m。

稳态流场曳力D为

通过式(5)~(8)将式(4)化简为

式中：D为曳力系数；()p为颗粒物雷诺数；为流体速度，m/s；为颗粒物的直径，m；为松弛时间，s；为流体动力黏度系数，Pa∙s。

3 绝缘子风洞积污数值模拟

为消除分块绝缘子的计算误差，以图2所示的完整绝缘子三维模型为研究对象，建立图3所示的绝缘子风洞积污仿真模型，将风洞长设为绝缘子结构高度的4.5倍约为4 800 mm，宽为4 800 mm，高为3 600 mm，以提供足够大的计算域模拟充分发展的湍流，在长方体外部构建厚度为100 mm的无限元域，作为电磁波的吸收区域。

为使模拟尽可能真实地反映交流电压作用下绝缘子的工况，视绝缘子周围的空气流场为不可压缩的定常黏性湍流，考虑到气流流经绝缘子时，流线发生弯曲，流场模型采用RANS模型[14−16]，流场的入口和出口分别设为速度入口和压力出口，且抑制回流。绝缘子表面为无滑移壁面边界，风洞壁面为滑移壁面，滑移速度等于模拟风速，以减小壁面对内部流场的影响。用球体模拟空气中的沙尘颗粒物，沙尘颗粒以风速垂直入口面射入，出口及外部壁面的类型设为“消失”，绝缘子表面50%的颗粒设为“黏附”，50%的颗粒设为反弹[17]；沙尘密度为2 650 kg/m3，当空气高度大于3 m时，主要沙尘颗粒粒径小于75 μm且颗粒带负电，最大荷质比为−304 μC/kg[18−20]。

图3 绝缘子积污风洞仿真模型

4 环境因素对沉积特性的影响

绝缘子表面的沙尘沉积特性受多方面因素的影响，可分为外界环境因素和绝缘子自身因素。外界环境因素包括气候条件、沙尘质量浓度及粒径等。绝缘子自身因素包括几何形状、尺寸及绝缘材料等。本文将清洁绝缘子置于强风沙环境中，分析外界环境因素作用下沙尘颗粒在图2所示的接触网平腕臂绝缘子表面的沉积特性，以每秒沉积的粒子个数和质量作为表征参数。

4.1 风速对沉积特性的影响

兰新高铁年均风期超过200 d，酒泉地区最大风速为20~34.5 m/s，新疆境内三大风区平均最大风速为37.6 m/s，即兰新高铁处于8级~12级风的沙尘环境中[18]，风速对绝缘子表面的沙尘沉积特性具有重要影响。在颗粒物平均粒径15 μm，荷质比−40 μC/kg，浓度0.35 mg/m3的条件下，分别分析风速为18，20，22，24，26，28，30，32和34 m/s等9种工况下接触网平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性。

不同风速下绝缘子各个伞裙表面的积污量如图4所示，随着风速的增大，各个伞裙表面的积污量增加，同一风速下，各个伞裙表面积污量的变化趋势与伞裙结构有关，“一大两小”的伞裙结构使积污量也呈现出先增大后减小的变化趋势，即大伞表面的积污量均大于小伞表面的积污量。

图4 不同风速下各个伞裙表面的积污量

随着风速的增大，伞裙结构对积污量的影响越明显。由于风速变化时，颗粒所受的重力和电场力不变，且交流电压下，荷电粒子在交变电场中做周期运动，其净位移为0，即交变电场对荷电粒子的影响极小，则风速的变化仅改变了流场曵力。小风速下，由重力引起的颗粒沉降作用抵消了一部分漩涡和电场强度的影响，不同伞裙表面积污量的波动较为平缓；大风速下，颗粒所受的流场曵力占主导地位，颗粒对气流的跟随性较强，不同伞裙表面的积污量波动较为剧烈。

绝缘子表面积污量与风速的关系如图5所示，随着风速的增大，绝缘子表面的积污量线性增大，由于风速增大时，流场曵力增大，绝缘子表面静压增大，颗粒物与绝缘子表面的碰撞加剧。

4.2 粒径对沉积特性的影响

带交流电的复合绝缘子表面仅有约10%的颗粒粒径小于12 μm[7]，而接触网腕臂绝缘子的安装高度一般为5~7 m，沙尘的主要粒径小于75 μm，因此，兰新高铁接触网腕臂绝缘子表面主要颗粒的粒径范围为12~75 μm。在风速25 m/s，荷质比−40 μC/kg，浓为0.35 mg/m3的条件下，分别分析粒径为13，26，39，52和65 μm等5种工况下接触网平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性。

图5 积污量与风速的关系

不同粒径下各个伞裙表面沉积的颗粒个数变化趋势如图6所示，随着粒径的增大，伞裙表面沉积的颗粒个数减少。粒径的变化同时影响颗粒所受的重力和流场曵力，重力作用下颗粒的自沉降和曵力作用下颗粒对气流的跟随性同时存在，在一定风速下，当粒径较大时，重力自沉降作用较强，颗粒在水平方向与绝缘子表面的碰撞减弱，伞裙表面沉积的颗粒个数减少。当粒径较小时，颗粒对气流的跟随性较强，伞裙结构对各个伞裙表面沉积的颗粒个数影响显著。

绝缘子表面积污量与粒径关系如图7所示，随着粒径的增大，颗粒质量增加，当13＜＜52 μm时，绝缘子表面的积污量随粒径的增大而增大，当粒径大于52 μm时，积污量几乎不变。

4.3 浓度对沉积特性的影响

风洞入口处的沙尘颗粒质量流量与颗粒质量浓度间满足如下关系

式中：m为流过入口面的质量流量，mg/s；p为颗粒物质量浓度，mg/m3；为风洞入口的面积，m2。

(a) 完整图；(b) 局部放大图

图6 不同粒径下各个伞裙表面的颗粒个数

Fig. 6 Number of particles on each shed in different particle size

图7 积污量与粒径的关系

由式(11)可知，风洞入口面积和颗粒初始速度为常数的前提下，颗粒物的质量流量与质量浓度成正比。通过改变风洞入口处的颗粒物质量流量，即可以模拟不同颗粒物质量浓度绝缘子表面颗粒物的沉积特性。一般情况下，大气中的总悬浮颗粒物质量浓度约为0~0.60 mg/m3，针对重污区，设定颗粒物平均粒径为15 μm，风速为25 m/s，荷质比为−40 μC/kg的条件下，分析浓度分别为0.25，0.35，0.45，0.60，0.75，0.9和1.05 mg/m3等7种工况下沙尘在接触网腕臂绝缘子表面的沉积特性。

不同颗粒物质量浓度下，绝缘子周围的流场分布相同，颗粒的重力和流场曵力保持不变，仅改变入口边界处释放的粒子总数。在文中设定的前提条件下，颗粒的重力自沉降和对气流的跟随性作用相当，由图8可知，当质量浓度＜0.75 mg/m3时，伞裙结构对各个伞裙表面积污量影响非常小，同一浓度下，各个伞裙表面积污量随机分布。当质量浓度≥0.75 mg/m3时，伞裙结构对各个伞裙表面的积污量的影响较大，各个伞裙表面的积污量也呈现出“一大两小”的变化趋势。

图8 不同浓度下各个伞裙表面的积污量

图9 积污量与浓度的关系

由图9可知：随着浓度的增大，入口边界处释放的粒子个数增加，绝缘子表面的积污量近似线性地增大。

5 结论

1) 其他条件一定时，随着风速的增大，气流曵力增大，颗粒物对气流的跟随性增强，颗粒物与绝缘子表面的碰撞加剧，绝缘子和各个伞裙表面的积污量随着风速的增大而增加，大伞表面的积污量大于小伞。

2) 重力与粒径的三次方成正比，曵力与粒径成正比，当粒径大于13 μm时，各个伞裙表面沉积的颗粒个数随粒径的增大而减少，绝缘子表面的积污量随着粒径的增大而增大。

3) 颗粒物质量浓度仅影响入口边界处释放的粒子个数，随着浓度的增大，入口边界处释放的粒子个数增多，绝缘子表面的积污量近似线性地 增大。

4) 各个伞裙表面积污量的变化与伞裙结构、风速、颗粒的粒径及质量浓度等因素有关，当曵力大于重力(大风速小粒径)时，伞裙结构的变化与各个伞裙表面积污量的变化具有一致性。当曵力与重力作用相当时，颗粒的质量浓度大于0.75 mg/m3时，伞裙结构对各个伞裙表面积污量的变化影响显著。

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Numerical analysis of deposition characteristics of sand-dust on flat cantilever insulator

DONG Haiyan1, 2, DOU Jianming3, WANG Wan4

(1. School of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Rail Transit Electrical Automation Engineering Laboratory of Gansu Province ( Lanzhou Jiaotong University), Lanzhou 730070, China; 3. Department of Mechanical & Electrical Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China; 4. Electric Power Company of Lanzhou New Area, State Grid, Lanzhou 730300, China)

The catenary flat cantilever insulators of Lanzhou-Urumqi high-speed railway are facing the problem of sand flash in strong wind and sand-dust environment. The study of the deposition characteristics of sand-dust on the surface of the insulator under different environmental factors can provide a theoretical basis for the insulator selection and design. In this paper, the common FQBJ-25 type porcelain core composite insulator is taken as the research object, and the simulation model of the wind tunnel pollution is established. The influence of wind speed, particle size and mass concentration on the quality of contamination of the insulator surface is analyzed by multi-field coupled numerical method. The results show that the quality of contamination on the surface of insulator and sheds increases with the increase of wind speed. When the particle size is more than 13 μm, the number of particles deposited on each shed surface decreases with the increase of the particle size, but the quality of contamination on the insulator surface increases. The relationship between the mass concentration of particles and the quality of contamination on the insulator surface is linear. The variation of the quality of contamination on each shed surface is related to the structure of sheds, wind speed, particle size and mass concentration. When the drag force is greater than the gravity (high wind speed, small particle size), the change of the structure of the sheds is consistent with the variation of the quality of contamination on the each shed surface, and on the contrary, the structure of sheds has little influence on the distribution of the quality of contamination. When the drag force is equal to the gravity, the mass concentration of particles is higher, the influence of sheds structure to the quality of contamination on each shed surface is more obvious.

flat cantilever insulators; structure of sheds; dust; multi-field couplings; deposition characteristics

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.03.028

TM852

A

1672 − 7029(2019)03 − 0773 − 07

2018−04−14

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)

董海燕(1987−)，女，甘肃和政人，讲师，博士研究生，从事高电压与绝缘配合研究；E−mail：donghaiyancool@126.com

(编辑 阳丽霞)