不同温差下的玻璃纤维树脂芯棒污层 受潮程度建模分析

刘胜波

(广东电网有限责任公司东莞供电局 广东 东莞 523000)

0 引言

玻璃纤维树脂是一种以树脂作为基体材料,通过对其玻璃纤维增强而成的复合材料,由于玻璃纤维树脂具有绝缘性能良好、易获取、成本低、质量轻等优点,目前玻璃纤维树脂材料已经被广泛应用于电力行业中,尤其是作为绝缘子芯棒材料,并且已经得到批量化生产[1]。据相关数据显示,截至目前国内挂网线路中玻璃纤维树脂芯棒已经超过900万个标准复合绝缘子。但是玻璃纤维树脂芯棒是典型的有机绝缘设备,长期处于高温、高压的恶劣环境中,受雨淋、空气氧化、日照以及风吹等诸多自然因素影响,玻璃纤维树脂芯棒会经历“积污—湿润受潮”,玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度直接关系到玻璃纤维树脂芯棒耐污闪性能,从而引发闪络放电故障[2]。近几年,随着恶劣天气不断加剧,对玻璃纤维树脂芯棒的抗污闪性能提出了更高的要求,玻璃纤维树脂芯棒污层受潮机理和受潮程度分析研究迫在眉睫。环境温差是玻璃纤维树脂芯棒污层受潮重要影响因素,两者之间存在一定的线性关系,目前不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度的研究比较匮乏,无法为改善玻璃纤维树脂芯棒、提高玻璃纤维树脂芯棒抗污闪性能提供有力的理论支撑,为此提出不同温差下的玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度建模分析。

1 玻璃纤维树脂芯棒污层受潮过程

玻璃纤维树脂芯棒表面污层的受潮过程可归纳为:水分子在大气中凝结、水滴撞击玻璃纤维树脂芯棒表面污层、表面污层的吸水现象以及水分子在玻璃纤维树脂芯棒污层中的化学扩散,前者未发生污层结构改变,属于污层之外的润湿过程,因此将水分子在大气中凝结、水滴撞击玻璃纤维树脂芯棒表面污层归纳为玻璃纤维树脂芯棒污层外的受潮过程,其中水分子在大气中凝结过程属于物理中的凝露现象,即水分子从气相到液相的转化过程,在空气饱和湿度情况下当空气环境中温度高于玻璃纤维树脂芯棒污层表面温度,形成温差时空气中水分子会凝结在玻璃纤维树脂芯棒污层表面。

玻璃纤维树脂芯棒污层的受潮过程的最后2个阶段为表面污层的吸水现象以及水分子在玻璃纤维树脂芯棒污层中的化学扩散,由于均涉及玻璃纤维树脂芯棒污层变化,故将这2个受潮阶段归类为玻璃纤维树脂芯棒污层内受潮过程[3]。污层吸湿和水分子化学扩散主要取决于玻璃纤维树脂芯棒污层所处环境的温差。因此以玻璃纤维树脂芯棒污层环境温差作为自变量,将污层受潮程度作为因变量,对不同温差下的玻璃纤维树脂芯棒污层外、内受潮程度进行建模分析。

2 不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层外受潮过程建模分析

根据以上对玻璃纤维树脂芯棒污层外受潮过程的分析,建立污层内受潮机理数学模型。首先,要明确玻璃纤维树脂芯棒污层凝结的产生条件,获得凝结过程中水分子所受的外力(凝结驱动力),进而分析玻璃纤维树脂芯棒污层外部水分子凝结过程中产生的主控因子。其次,利用模型方程描述凝结后在大气中形成水滴的速率。在此基础上,根据凝结速率以及温差,计算出不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层外部液态水滴的质量流量,以下将从不同温差下污层外冷凝和水滴碰撞2个方面对污层外受潮过程进行建模分析。

2.1 污层外冷凝

在饱和湿度情况下,当水蒸气与流体接触时,冷凝一般都是在流体表面进行,要想在水蒸气内生成水珠,只能从凝结核开始向外逐步扩大[4]。从传热和传质的观点来看,在气—液两相界面处有一个边界层,当其温度比环境中的温度更高时,边界层会向周围气体散热,从而使流体中的吉布斯自由能增大,使流体发生汽化[5]。当大气中的空气温度较低时,大气中的热量会被空气所吸收,从而降低大气中的吉布斯自由能,产生凝结现象。在传热理论中,通常把珠状水滴看成是半球体。由于吉布斯自由能存在一定的差异,环境中的物质会由亚稳态转向稳态,假设玻璃纤维树脂芯棒污层受潮过程中环境中的理想气体为水蒸气,并且处于亚稳态相,由于环境中存在温差,处于过饱和状态的水蒸气将发生冷凝,环境中的气态相水蒸气有冷凝为液相水滴的趋势,该趋势定义为玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝驱动力的大小,其数学模型见式(1):

(1)

式(1)中,F表示玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝驱动力;r表示冷凝生成水滴的半径;T表示环境温差;P1表示环境中水蒸气处于亚稳态相时的压力值;P2表示环境中水蒸气处于稳态相时的压力值[6]。在冷凝驱动力的作用下,环境空气中的过饱和水蒸气由亚稳态转向稳态,从水蒸气逐渐转变为水滴,玻璃纤维树脂芯棒污层表面发生凝露现象,逐步受潮。

随着水蒸气从气态逐渐转变为液态,玻璃纤维树脂芯棒污层表面珠状水滴体积不断增加。考虑到水滴自身的导热热阻对冷凝水滴的影响,以及水滴表面曲率对两相体平衡的影响,生成任意大小的珠状水滴模型,根据四热阻模型求出玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝水滴生成的速率,计算见式(2):

(2)

式(2)中,V表示玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝水滴生成的速率;△T表示玻璃纤维树脂芯棒污层表面与环境的温差;q表示水的密度;H表示气化潜热;e表示最小凝结水滴半径;k表示比热容的比率;h表示一定水蒸气压力下气-液两相分界面上的表面传热系数;t表示玻璃纤维树脂芯棒污层外部凝结水滴边界层厚度[7]。利用以上数学模型即可求出玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝水滴生成的速率。由于温差会对水滴冷凝质量流量具有一定的影响,根据气体动力学原理,建立玻璃纤维树脂芯棒污层外部水滴冷凝质量流量数学模型,计算见式(3):

(3)

式(3)中,J表示玻璃纤维树脂芯棒污层外部水滴冷凝质量流量;α表示调节系数;ρ表示水蒸气密度;Tcv表示水蒸气饱和温度。利用以上建立的数学模型,设定温差为0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6种工况,将温差和相关参数代入到上述数学模型中,分别求出不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层外冷凝驱动力、水滴生成速率以及冷凝质量流量,具体数据如表1所示。

表1 不同温差下污层外冷凝程度

冷凝驱动力是保证玻璃纤维树脂芯棒污层外部发生冷凝线性的关键条件,只有存在冷凝驱动力才能有水滴生成。从表1可以看出,在不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝表现不同,环境温差与玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝驱动力、水滴生成速率以及冷凝质量流量呈线性正比,随着环境温差的增大,玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝驱动力逐渐增大,水滴生成速率逐渐提升,冷凝质量流量不断加大。

2.2 污层外水滴碰撞

在受潮过程中玻璃纤维树脂芯棒污层外部会发生水滴碰撞,为了进一步分析不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层外受潮过程,建立玻璃纤维树脂芯棒污层外部水滴碰撞模型。由于玻璃纤维树脂芯棒整体结构上类似于足够多个小圆柱体的叠加,在玻璃纤维树脂芯棒外自由流为层流的情况下,水滴碰撞模型可以将玻璃纤维树脂芯棒等效为足够多个小圆柱体的叠加组合。以单一小圆柱体为例,假设玻璃纤维树脂芯棒污层外部水滴运动过程中,空气温度、水蒸气压力等介质参数始终保持不变,并且水滴运动过程中自身形状也不会发生改变,则对单一小圆柱体水滴碰撞率有式(4):

dm=2Cσ1σ2Twdhdt

(4)

式(4)中,dm表示单位时间内玻璃纤维树脂芯棒单一小圆柱体表面水滴累积量;C表示玻璃纤维树脂芯棒半径;σ1表示发生碰撞的小圆柱体表面水滴的流通密度和最大流通密度的比率,即水滴在玻璃纤维树脂芯棒单一小圆柱体表面上的碰撞率;σ2表示水滴在玻璃纤维树脂芯棒单一小圆柱体表面的积水率;w表示自由流中液态水的含量;dh表示玻璃纤维树脂芯棒高度。利用以上建立的数学模型,设定温差为0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6种工况,将温差和相关参数代入到上述数学模型中,分别求出不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层外水滴碰撞率和积水率,具体数据如表2所示。

表2 不同温差下污层外水滴碰撞程度

从表2可以看出,随着环境温差的不断增大,玻璃纤维树脂芯棒污层外部水滴碰撞率逐渐增大,表面积水率也随着温差的增大而增大。这是由于随着环境温差的增大,水滴重力自沉降和气流曳力起到主要作用,冷凝形成的水滴更容易掉落,从而与玻璃纤维树脂芯棒发生碰撞。

3 不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层内受潮过程建模分析

3.1 污层内吸湿

为了减少玻璃纤维树脂芯棒结构以及污秽成分对污层内吸湿受潮过程建模分析的影响,在建模中玻璃纤维树脂芯棒采用结构最为简单的KHFA-A744玻璃纤维树脂芯棒,直径为22.45 cm,长度为75.61 cm,污秽成分参数设定为:盐密度0.35 mg/cm2,灰度1.65 mg/cm2。将环境温差分别设定为0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃。利用Origin 9.12自带的高斯曲线对温差—污层内吸湿时间曲线进行拟合,得到玻璃纤维树脂芯棒污层内吸湿时间-温差关系数学模型,计算见式(5):

T=0.75+125.45w-0.5(x-0.85)2

(5)

式(5)中,w表示玻璃纤维树脂芯棒污层内部电导率;x表示玻璃纤维树脂芯棒污层内吸湿时间。从公式(5)可以看出,环境温差与玻璃纤维树脂芯棒污层内吸湿时间呈二次函数关系,玻璃纤维树脂芯棒污层内吸湿时间长短受温差影响比较大,随着环境温差的增大,玻璃纤维树脂芯棒污层内饱和吸湿时间逐渐缩短。

3.2 污层内水分子扩散

玻璃纤维树脂芯棒污层内水分子扩散过程可以归结为气-液的传质过程,因此为了进一步分析不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层内部水分子扩散程度,建立传质模型,利用传质模型对不同温差下污层内水分子扩散程度进行分析。在气相中,主要物质以平稳的速度进入边界层,并以平稳的速度穿越气膜进入2个相间的相界,再在液膜中发生剧烈的化学变化,并伴随着平稳的分子扩散,最后穿越液膜而形成盐溶液。

体积传质系数可以反映出玻璃纤维树脂芯棒污层内水分子自身的流动属性,体积传质系数越大,则表示玻璃纤维树脂芯棒污层内水分子扩散速度越快,玻璃纤维树脂芯棒污层内受潮时间越短,受潮程度越大。利用传质模型,设定温差为0 ℃、5℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃ 6种工况,将温差和相关参数代入到数学模型中,求出不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层内体积传质系数,具体数据如表3所示。

表3 不同温差下污层内水分子扩散程度

从表3可以看出,环境温差与玻璃纤维树脂芯棒污层内水分子体积传质系数成正比,体积传质系数随着温差的增大而增大,即随着环境温差的增大,玻璃纤维树脂芯棒污层内水分子扩散速度越快,污层内部受潮时间越短。综合以上建模分析结果可以得出以下结论:环境温差对玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度具有较大影响,随着环境温差的增加,玻璃纤维树脂芯棒污层受潮时间逐渐缩短,受潮程度逐渐加大,以此完成不同温差下的玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度建模分析。

4 结语

综上所述,玻璃纤维树脂作为一种常见的绝缘材料,表面污秽密度、污层受潮是影响其污闪的重要因素,此次参考相关文献资料,采用建模分析的方法对不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度进行了分析,明确温差对玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度的影响,了解其作用机理,对不同温差对玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度的影响研究具有重要的现实意义。由于此次研究时间有限,玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度影响因素比较多,此次仅从温差方面展开了研究,在研究内容方面存在一些不足之处,今后会对不同空气温度下、不同污秽密度下以及不同湿度下玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度建模分析进行进一步研究,为玻璃纤维树脂芯棒污层受潮机理研究提供有力的理论支撑。