支柱绝缘子伞型参数对其表面积污特性的影响研究

刘 洋，邵仕超，陈 杰，陈 文，赵 恒，梅红伟，曹 彬，王黎明

(1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京 211100；2.国网江苏省电力有限公司盐城供电公司，江苏 盐城 224000；3.清华大学深圳国际研究生院，广东 深圳 518000)

0 引言

绝缘子为电力系统中的输电线路和变电设备等提供了必要的支撑和绝缘作用，是保证电力系统稳定运行的重要元件之一。绝缘子在运行中需要长时间置于自然环境中，其表面将会积累污秽。污秽的存在将可能导致绝缘子表面产生泄漏电流，造成输变电设备的击穿电压下降，当出现某些气象条件时，污秽受潮，可能引发污秽闪络，发生安全事故。一旦发生绝缘子污闪事故，往往会导致大规模停电，严重影响电力系统的安全稳定运行，带来重大经济损失[1-2]。

输变电设备绝缘子的积污规律较为复杂。气象条件、大气污染等外部环境参数和绝缘子的带电情况、形状结构等内部因素都对积污有着重要影响，这些因素的混合使得对于积污规律的研究、积污模型的建立和污秽度的预测较为困难。国内外的研究者各自在不同环境条件下对绝缘子的积污特性开展了大量研究，分别总结分析了不同条件下的积污规律，但这些规律互相差异很大，难以分清哪种因素在绝缘子积污过程中起主要作用，对于不同因素在其中所起的作用还缺乏更系统的理解，根据气象条件、大气污染物条件等进行污秽预测工作的水平还有待提高[3]。

计算流体力学仿真是一种利用数值计算进行模拟试验的研究方法。绝缘子积污过程本质上是污染物颗粒随着空气的流动运动到绝缘子表面的过程，可以利用流体力学的仿真方法对这个过程进行模拟。仿真方法同样时间周期短、效率高，且能够控制环境因素，方便地监控各个变量的变化过程。随着计算机和流体力学理论的发展，使用仿真的方法对绝缘子运行状态进行分析，并进一步模拟绝缘子周围流场特性及污秽颗粒在流场中的运动过程的研究日益增多[4-14]。文献[4]利用仿真软件FLUENT对双伞型XWP2-70绝缘子表面的流场进行仿真，研究了风速和污秽粒径对颗粒物碰撞系数的影响。文献[5]利用气-固两相流的欧拉模型对双伞形XWP2-160绝缘子的积污特性进行了仿真计算，研究了不同风速、颗粒物浓度和粒径条件下迎风面和背风面的污秽不均匀增长特性。文献[6]使用了拉格朗日离散相仿真模型。分析了颗粒物浓度、粒径、风速等对支柱绝缘子的颗粒物碰撞率的影响。文献[15]中通过试验和数值仿真等研究分析了风场、重力场、电场等各种因素分别作用时对绝缘子积污的影响。文献[16]分析了污秽颗粒在边界层的情况，并提出了颗粒积聚在绝缘子表面之前的运动过程模型。文献[17]认为，在风速和颗粒物粒径不同时，对颗粒物运动起主导作用的力也不同。文献[18]分析了污秽颗粒在绝缘子表面碰撞前后的受力情况，研究了颗粒物粒径、风速、湿度等对污秽颗粒黏附的影响，建立了颗粒物在绝缘子表面的黏附判据。文献[19]中的研究表明，积污开始阶段清洁表面的积污较慢，但当表面已有污秽层后，积污速率会快速增长，当污层达到一定厚度时将会出现饱和特性。

本研究用仿真模拟风洞试验研究了风力作用下支柱绝缘子不同形状对于颗粒碰撞率的影响，该研究将为针对不同形状绝缘子建立的积污模型打下基础。

1 模型构建

除了气象条件和污染物浓度等环境条件外，绝缘子的积污情况还与自身形状有密切关联。不同的伞形结构不仅会影响绝缘子周围的流场，也会由于不同的角度、距离、排列方式等受到不同的重力影响、产生不同的遮挡效果等。笔者将通过对不同形状参数的支柱绝缘子进行流体力学仿真，进一步对于在颗粒物受到水平风力时不同形状绝缘子的积污规律展开研究。

计算流体力学仿真是一种使用数值试验代替实物试验，用离散化的方法求多元微分方程的数值解，通过数值化的求解方法进行模拟实验的研究方法，该方法大大缩减了试验时间。FLUENT是集成与ANSYS中的、行业内应用最广泛的计算流体力学软件，有模型丰富、求解精确等优点。在仿真试验中，利用FLUENT进行仿真求解，通过建立绝缘子风洞模型，对不同形状的绝缘子周围的流场进行模拟。

绝缘子表面积污是污秽颗粒物与表面发生碰撞并积聚在表面的物理过程，利用离散相模型研究颗粒物在流场中与绝缘子表面的碰撞情况，对比受到流体曳力和重力作用下，不同形状参数的绝缘子周围流场在污秽颗粒物碰撞中的差异，研究芯体直径、伞间距、伞伸出对支柱绝缘子碰撞特性的影响。定义碰撞质量密度为在仿真试验中绝缘子某个表面单位时间内与之发生碰撞的颗粒物总质量除以该表面的面积。笔者主要研究不同的形状参数对碰撞质量密度影响。

首先在Solidworks软件中建立绝缘子的3D几何模型，基础模型选取为一大一小伞形的支柱复合绝缘子，具体的形状参数见表1，绝缘子几何模型示意图见图1。

图1 支柱绝缘子几何模型示意图Fig.1 Geometric model of post insulator

表1 支柱绝缘子基础模型参数表Table 1 Parameters of foundation model of post insulator

借助ANSYS Workbench软件可以完成绝缘子模型的导入、处理、网格划分、计算域设置等，并能够直接利用ANSYS中集成的FLUENT计算软件进行流场和离散相模型中颗粒物碰撞情况的仿真计算，并能够使用自带的后处理功能或者其他集成的后处理软件进行求解结果的后处理。

完成支柱绝缘子的基础几何模型后，为了划定数值仿真的计算域，使用了风洞模型，在绝缘子周围建立了圆柱形的风洞，作为仿真试验求解的计算域，风洞长度为2 m，半径为1.2 m，底面作为风洞的入口和出口，与绝缘子轴向平行。风洞模型中的计算域见图2。

图2 支柱绝缘子风洞模型计算域示意图Fig.2 Calculation domain of post insulator wind tunnel model

其中，气流方向垂直于绝缘子轴向。在仿真计算中，设置一个较低的风速2 m/s作为试验的工况。在确定计算域之后，需要划分网格进行计算域的离散化，使用ANSYS中自带的网格划分工具对计算域进行网格划分，以适应性强、精度较高的四面体网格作为主要类型，并在靠近绝缘子的区域进行局部处理，网格划分后的横截面剖面图见图3。

图3 风洞模型计算域网格划分剖面图Fig.3 Section diagram of wind tunnel model calculation and meshing

2 仿真计算方法

完成网格划分后，使用FLUENT进行计算域中流场的仿真计算，采用RNG k-ε模型来模拟湍流状态，用风洞入口处边界条件湍流强度I和湍流尺度l作为特征参数，前者由表征绝缘子外流场流动模式的雷诺数Re决定，雷诺数的计算以支柱绝缘子的平均直径作为特征长度，后者完全由特征长度决定。

在风洞模型构成的计算域中，流场内的材质为空气，视为不可压缩流，计算域的边界包括风洞的入口、出口、外壁和绝缘子表面。将风洞入口的边界条件视为速度入口，风洞出口的边界条件视为充分发展出流，风洞外壁和绝缘子表面都采用壁面作为边界条件，绝缘子表面视为无滑移壁面，而风洞外壁由于距离绝缘子较远，为了降低对绝缘子周围流场的影响，视为滑移速度等同风速的滑移壁面。

控制方程的离散使用二阶迎风格式控制方程，离散方程的数值求解采用Coupled算法，经过迭代计算，达到稳定收敛状态后，可以得到支柱绝缘子周围的流场分布，计算域中两个不同方向横截面的流场速度云图(代表绝缘子周围流场速度的分布情况)与矢量图(代表绝缘子周围气流的方向)见图4～图6，在下图中XZ平面的横截面图中，右侧为风洞的速度入口方向(即来流方向)。

图4 支柱绝缘子流场速度矢量图Fig.4 Vector diagram of flow field velocity of post insulator

此后，在已经达到稳定收敛的流场计算的基础上，利用FLUENT中的离散相(DPM)模型对污染物颗粒进行碰撞计算。离散相模型采用拉格朗日坐标系，将上文中已经计算收敛的流场作为连续相，污秽颗粒物作为离散相，以单个粒子作为研究对象，计算污秽颗粒物在连续相中的运动。

对污秽颗粒物的参数设定如下：首先,将颗粒物简化为标准球体；其次，颗粒物的平均粒径取为15 μm，并认为其粒径分布范围较广，在0.1 μm～50 μm 之间服从Rose-Rammler分布，在自然界中粒径大于50 μm的颗粒物也可能会悬浮在大气中或受到风力影响运动到绝缘子表面，但由于总量较低，为了简化起见，这里只考虑粒径小于50 μm的颗粒物；Rose-Rammler分布的关系式见式(1)：

(1)

式中，Y为粒径大于d的颗粒物在所有颗粒物中所占的质量分数；da为颗粒物的平均粒径；n为排列参数，在这里取为0.5。颗粒物的总浓度(TSP)在这里取为100 μg/m3，因此根据Rose-Rammler分布的表达式，计算颗粒物的粒径分布见表2。

表2 颗粒物粒径分布表Table 2 Particle size distribution

颗粒物的材质取为自然污秽的成分中常见的碳酸钙，其密度2 800 kg/m3。颗粒物从风洞入口射入，可以模拟在一定的质量浓度下，污秽颗粒物在风力作用下向绝缘子表面的运动和碰撞过程，而从风洞入口射入的颗粒物的质量流量为颗粒物质量浓度(TSP)与风洞入口面积的乘积。

对于离散相的边界条件设置如下，将风洞模型的速度入口设置为颗粒物的入射口，颗粒物垂直于速度入口的平面射入，初速度等同于风速，风洞的出口和壁面作为计算域的边界对颗粒物设定为escape类型，颗粒物在与壁面碰撞时直接离开计算域，不再纳入计算的范围中；而绝缘子表面则设定为trap类型，颗粒物一旦与绝缘子表面发生碰撞则停留在表面，也不再进入计算域。

计算过程中，假定颗粒物的运动中只受到风力(即流体曳力)和重力的作用，在流场计算的基础上，研究不同形状参数的绝缘子表面碰撞量的关系。在自然界实际的绝缘子表面积污过程中，并非所有碰撞到绝缘子表面的颗粒都会停留在表面，是否会留在表面还会受到绝缘子表面的角度、空气湿度、颗粒物粒径、表面已有的污层等因素影响，绝缘子积污模型还缺少较为复杂的颗粒物黏附部分。而在本节的较为简化的碰撞模型中，暂时忽略黏附率的差异，仅讨论不同形状的绝缘子表面的污秽颗粒物碰撞质量密度对比。

本研究的仿真试验使用的一大一小伞形的复合支柱绝缘子模型的表面能够分为伞裙和芯体，伞裙又分为大伞上表面、大伞下表面、小伞上表面和小伞下表面。在不考虑芯体的前提下，包含12组伞裙的整串绝缘子因此能够被分为48个部分。由于最顶端和最底端的两组伞裙周围流场与中间不同，因而计算中只考虑中间10组伞裙表面的颗粒物碰撞情况，来模拟每个伞裙受到遮挡作用的情况。为了简化计算过程，按照实际应用中的划分方法来区分绝缘子表面区域中的上下表面，以大伞上表面和小伞的下表面作为整个绝缘子的“上表面”，以大伞下表面和小伞的上表面作为整个绝缘子的“下表面”。在分析仿真计算的结果时，将中间10组伞裙所对应区域上碰撞质量的平均值按照表面划分组合后作为复合绝缘子伞裙相应表面的碰撞质量。

3 试验结果

3.1 芯体的影响

首先研究不同芯体直径对于支柱绝缘子表面颗粒物碰撞密度的影响，本节选取了100 mm，147 mm，184 mm，220 mm，270 mm共5种芯体直径作为研究对象。在伞裙参数(伞伸出、倾斜角、伞间距等)不变的情况下，5种芯体直径下对应的伞裙面积见表3。

表3 不同芯体直径下的伞裙面积表Table 3 Umbrella skirt area under different mandrel diameters

与上一节中类似的，图5为芯体直径100 mm的支柱绝缘子模型中，计算域中两个不同方向横截面的流场速度云图与矢量图；图6则为芯体直径270 mm时对应的流场速度云图与矢量图。

根据图5～图6，不同芯体直径的绝缘子周围的流场有明显差异，直径越小，伞裙周围的流场变化越剧烈，伞裙周围只在较薄的气流层内有较低的气流速度，大部分区域内速度接近于风速，颗粒物在接近绝缘子的极小区域内速度急剧降低；直径越大，伞裙周围的流场越平缓，速度在距离绝缘子较远的位置就开始下降。为了对比绝缘子周围流场对颗粒物碰撞密度的影响，计算离散相仿真后每个表面区域内单位面积的颗粒物碰撞速率见图7。

图5 芯体直径为100 mm时，流场速度矢量图Fig.5 Vector diagram of flow field velocity of post insulator when the diameter of mandrel is 100 mm

图6 芯体直径为270 mm时，流场速度矢量图Fig.6 Vector diagram of flow field velocity of post insulator when the diameter of mandrel is 270 mm

图7 单位面积颗粒物碰撞速率随芯体直径变化图Fig.7 Plot of particle collision rate per unit area with mandrel diameter

从图7可以看出，随着绝缘子芯体直径的增大，碰撞质量密度会先下降后上升。随着芯体直径增大，伞裙和芯体周围的流场变化更加平缓，使得污秽颗粒物更容易跟随风力，通过速度较低的绕流避免和伞裙表面发生碰撞，因此碰撞质量密度会相应减小；而在芯体直径进一步变大时，由于绝缘子周围很大范围区域内气流速度都能够降到很低，能够使得污秽颗粒物更加容易减速并停留在伞裙表面。在本节进行仿真计算的形状参数中，当芯体直径为184 mm时，污秽颗粒物的碰撞密度最低，减小或增大芯体直径都会使得污秽颗粒的单位面积碰撞率提高，更容易积累污秽。

3.2 伞间距和伞伸出的影响

其次，为了研究不同伞间距和伞伸出对于支柱绝缘子表面颗粒物碰撞密度的影响，选取了40 mm，48 mm，60 mm，72 mm，80 mm，86 mm共6种伞间距和50 mm，64 mm，71 mm，87 mm共4种伞伸出作为研究对象，分别进行每种尺寸参数下支柱绝缘子模型的离散相仿真，计算不同伞间距下的颗粒碰撞速率和不同伞伸出下的单位面积颗粒碰撞速率见图8、图9。

图8 颗粒物碰撞速率随伞间距变化图Fig.8 Plot of particle collision rate varies with umbrella spacing

图9 单位面积颗粒物碰撞速率随伞伸出变化图Fig.9 Plot of collision rate of particulate matter per unit area varies with the expansion of the umbrella

随着绝缘子伞间距的增大，颗粒碰撞速率会先上升后下降；随着绝缘子伞伸出的增大，单位面积的碰撞速率先下降后上升。由于伞裙尺寸对表面碰撞率的影响不仅来自于绝缘子周围流场的差异，还跟伞裙之间的遮挡关系有关，较强的遮挡使得污秽颗粒在重力影响下很难进入伞裙表面。伞间距的增大一方面降低了伞裙排布的密集程度，带来了较强的遮挡效应，另一方面使得伞裙周围的流场变化比较平缓；伞伸出的增大一方面增加了下方伞裙被遮挡的面积，另一方面使得伞裙周围的流场变化更加剧烈，对污秽颗粒物碰撞密度正反两方面的影响。

4 结论

通过对支柱绝缘子进行流体力学仿真，对不同形状绝缘子在颗粒物受到水平风力时的积污规律展开研究。试验结果表明：

1)随着绝缘子芯体直径的增大，伞裙和芯体周围的流场变化更加平缓，单位面积的碰撞速率会先下降后上升。

2)随着绝缘子伞间距的增大，颗粒碰撞速率会先上升后下降；随着绝缘子伞伸出的增大，单位面积的碰撞速率先下降后上升。

3)伞裙尺寸对表面碰撞率的影响不仅来自于绝缘子周围流场的差异，还跟伞裙之间的遮挡关系有关。