輸電線路絕緣子表面積污規(guī)律的數(shù)值模擬與現(xiàn)場實驗研究.pdf

1、隨著我國霧霾天氣的頻繁發(fā)生，大氣污染環(huán)境下輸電線路懸掛絕緣子表面的積污問題變得越來越嚴(yán)重。在潮濕天氣受潮后，絕緣子表面沉積的污穢物質(zhì)會使絕緣子的絕緣水平大大降低，造成污穢閃絡(luò)事故。研究絕緣子表面的積污規(guī)律，能幫助我們確定不同大氣污染環(huán)境條件下絕緣子表面的積污狀況，為防治污閃的相關(guān)措施提供借鑒和參考，從而減少污閃的發(fā)生。為了深入研究輸電線路懸掛絕緣子表面的積污規(guī)律，本文以江蘇省使用廣泛地XWP2-160型絕緣子為研究對象，選取兩處大氣污染

2、嚴(yán)重的實驗地點，在當(dāng)?shù)剌旊娋€路懸掛絕緣子進行現(xiàn)場自然積污實驗。結(jié)合兩處實驗點當(dāng)?shù)氐膶崟r氣象與污染物濃度信息，利用計算流體力學(xué)方法，對絕緣子在自然環(huán)境條件下的積污過程進行了同步數(shù)值模擬，將模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比以驗證數(shù)學(xué)模型的有效性。在驗證數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬方法研究了不同因素對絕緣子表面的積污沉積速率和沉積區(qū)域的影響。本文主要研究內(nèi)容和成果包括以下幾個方面:
　　(1)本文采用現(xiàn)場實驗與計算機數(shù)值模擬相結(jié)合的方法

3、對絕緣子的自然積污過程進行研究。在江蘇省徐州市選取兩處污染嚴(yán)重地區(qū)作為實驗點，在當(dāng)?shù)剌旊娋€路懸掛若干絕緣子進行現(xiàn)場積污實驗，定期取回一定數(shù)目絕緣子進行鹽密、灰密測量。利用兩實驗點實時氣象和污染物濃度數(shù)據(jù)作為計算條件，對絕緣子采用三維建模，采用歐拉方法處理氣相場，采用拉格朗日方法處理離散顆粒場，進行絕緣子表面積污過程的數(shù)值模擬計算。結(jié)合鹽密、灰密清洗率和降雨量的相關(guān)關(guān)系以及實驗點降雨量數(shù)據(jù)，對數(shù)值模擬值進行修正。通過實測值與模擬修正值的對

4、比可知，兩實驗點實測值與模擬修正值的相對誤差均小于30％，模擬修正值與實測值的總體趨勢基本吻合，驗證了本文所建數(shù)學(xué)模型的有效性與準(zhǔn)確性。通過對絕緣子表面積污形態(tài)云圖和取樣絕緣子積污照片的對比分析可知，數(shù)值模擬結(jié)果可以有效地反映絕緣子表面不同區(qū)域積污的分布情況，進一步驗證了數(shù)學(xué)模型的有效性。
　　(2)在不同風(fēng)速下，對絕緣子周邊氣相場進行模擬，分析了絕緣子周邊的流場特性。研究結(jié)果表明，絕緣子迎風(fēng)面的風(fēng)速整體高于背風(fēng)面，風(fēng)速越高，迎風(fēng)

5、面與背風(fēng)面風(fēng)速的差距越明顯;隨著風(fēng)速提高，上傘裙上方和下傘裙下方的風(fēng)速明顯提高;下傘裙上方中間區(qū)域由于傘裙的阻擋作用氣流速度較低，但下傘裙上方兩側(cè)區(qū)域由于氣流流通區(qū)域狹窄，氣流速度較高;邊界層的存在使污穢顆粒易于粘附在絕緣子表面并且使已經(jīng)粘附在絕緣子表面的污穢顆粒難以被氣流帶走。絕緣子迎風(fēng)面，氣流在傘裙邊緣會出現(xiàn)分流;由于傘裙形狀的影響，在絕緣子下表面下方，氣流在迎風(fēng)面向上流動，在背風(fēng)面向下流動，氣流方向變化較劇烈;在下傘裙背風(fēng)面的上方

6、，氣流會出現(xiàn)回流現(xiàn)象且隨著風(fēng)速的增加越來明顯。
　　(3)在不同風(fēng)速下，對絕緣子表面的積污規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明，絕緣子表面的積污量隨風(fēng)速的增加而增加并且增速和增幅逐漸增大;絕緣子上表面與下表面積污量的比值隨風(fēng)速的增加逐漸減小。不同風(fēng)速下，絕緣子表面積污的分布規(guī)律不同。對于表面一，隨著風(fēng)速增加，積污傾向于分布在迎風(fēng)面并且在邊緣區(qū)域分布較多;對于表面二，積污大部分分布在迎風(fēng)面且中間區(qū)域分布較多，兩側(cè)分布較少，部分分布在

7、背風(fēng)面中間區(qū)域;對于表面三，積污大部分分布在背風(fēng)面，隨著風(fēng)速增加，積污傾向于均勻分布在背風(fēng)面。
　　(4)在不同風(fēng)向傾角、污染物質(zhì)量濃度條件下，對絕緣子表面積污過程進行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，絕緣子表面的積污量隨污染物質(zhì)量濃度的增加基本呈線性增加關(guān)系;風(fēng)速越高，絕緣子表面積污量隨污染物質(zhì)量濃度增加的速度越快。在0～30°范圍內(nèi)，隨著風(fēng)向傾角增大，絕緣子上表面的顆粒沉積數(shù)逐漸減少，下表面的顆粒沉積數(shù)逐漸增加;在0～-30°范圍內(nèi)，

8、隨著風(fēng)向傾角增大，絕緣子上表面的顆粒沉積數(shù)逐漸增加，下表面的顆粒沉積數(shù)逐漸減少;風(fēng)向傾角對顆粒沉積數(shù)目的影響隨著風(fēng)速增加逐漸增強，在較低的風(fēng)速下，風(fēng)向傾角的影響幾乎可以忽略。
　　(5)對不同粒徑顆粒在絕緣子表面的積污規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速為2m/s與4m/s時，絕緣子表面顆粒沉積數(shù)目較少且顆粒沉積曲線之間差別較小，當(dāng)風(fēng)速達到6m/s與8m/s時，顆粒沉積數(shù)目增多且顆粒沉積曲線之間的差別明顯增大。對于絕緣子上

9、表面，小于20μm顆粒的沉積數(shù)目幾乎不受粒徑影響，大于20μm顆粒的沉積數(shù)目隨著粒徑的增加逐漸增加并且增幅越來越大。對于絕緣子下表面，在2m/s與4m/s的風(fēng)速下，顆粒沉積數(shù)目較少且?guī)缀醪皇芰接绊?在6m/s與8m/s的風(fēng)速下，顆粒沉積數(shù)目隨著粒徑增大出現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢。不同粒徑的顆粒在絕緣子表面的分布規(guī)律不同。對于表面一，粒徑較小的顆粒主要沉積在迎風(fēng)面且沉積數(shù)目由邊緣到內(nèi)部逐漸減小，隨著粒徑增大，顆粒傾向于均勻分布在表面一;