董海燕，竇建明，王婉

?

平腕臂絕緣子表面的沙塵沉積特性仿真分析

董海燕1, 2，竇建明3，王婉4

(1. 蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省軌道交通電氣自動化工程實驗室(蘭州交通大學(xué))，甘肅 蘭州 730070； 3. 蘭州工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；4. 國家電網(wǎng) 蘭州新區(qū)供電公司，甘肅 蘭州 730300)

蘭新高鐵接觸網(wǎng)平腕臂絕緣子在大風(fēng)沙塵環(huán)境中面臨“沙閃”問題，研究不同因素下平腕臂絕緣子表面的沙塵沉積特性，可為此環(huán)境下絕緣子選型及設(shè)計提供理論依據(jù)。以FQBJ-25型棒式瓷芯復(fù)合絕緣子為研究對象，建立風(fēng)洞積污仿真模型，采用多場耦合的數(shù)值計算方法分析風(fēng)速、顆粒物粒徑及質(zhì)量濃度3種因素對絕緣子表面積污量的影響。仿真結(jié)果表明：隨著風(fēng)速的增大，絕緣子和各個傘裙表面的積污量均增加；當(dāng)顆粒粒徑大于13 μm時，各個傘裙表面沉積的顆粒個數(shù)隨粒徑的增大而減少，但絕緣子表面的積污量隨粒徑的增大而增大；顆粒物質(zhì)量濃度對絕緣子表面積污量的影響呈線性關(guān)系。各個傘裙表面積污量的變化與傘裙結(jié)構(gòu)、風(fēng)速、粒徑及質(zhì)量濃度有關(guān)，當(dāng)曵力大于重力(大風(fēng)速小粒徑)時，傘裙結(jié)構(gòu)的變化與各個傘裙表面積污量的變化具有一致性，反之，傘裙結(jié)構(gòu)對積污量的變化影響很小。當(dāng)曵力與重力作用相當(dāng)時，顆粒物質(zhì)量濃度越高，傘裙結(jié)構(gòu)對各個傘裙表面積污量的影響越明顯。

平腕臂絕緣子；傘裙結(jié)構(gòu)；沙塵；多場耦合；沉積特性

蘭新高鐵途經(jīng)三大沙漠和四大風(fēng)區(qū)，而風(fēng)沙路基主要集中于煙墩風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)，大風(fēng)區(qū)線路長度約為全長的26.1%，風(fēng)沙路基線路約為全長的12.2%，風(fēng)沙流具有風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強、風(fēng)向穩(wěn)定、變化速度快等特點[1]。大風(fēng)強沙塵天氣易使接觸網(wǎng)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)事故，嚴(yán)重影響鐵路供電的可靠性，分析絕緣子表面的沙塵沉積特性是研究“沙閃”的前提。因此，開展接觸網(wǎng)絕緣子表面沙塵沉積特性的研究有助于掌握沙塵對鐵路供電設(shè)備外絕緣的影響機理。國內(nèi)外學(xué)者分別采用人工試驗和數(shù)值分析的方法對絕緣子的自然積污特性、霧霾環(huán)境下的積污特性、積污特性的影響因素及積污后顆粒粒徑的分布規(guī)律進(jìn)行了研究[2?7]。賀博 等[8?9]采用人工試驗的方法研究沙塵環(huán)境下輸電線路絕緣子的積污特性，得出沙塵流速和沙塵持續(xù)時間是影響絕緣子表面積污量的主要因素，并采用數(shù)值分析的方法研究沙塵微粒在硅橡膠材料表面的沉積規(guī)律，得出湍流中心的積污量多于湍流邊緣；陽林等[10]采用試驗方法對比研究沙塵暴條件下不同材質(zhì)傘形結(jié)構(gòu)的絕緣子積污特性，結(jié)果表明長棒形瓷絕緣子具有良好的空氣動力學(xué)性能和防積污性能；陳邦發(fā)等[11]采用數(shù)值分析方法初步建立顆粒在絕緣子表面沉降的三維模型，重點針對一種工況下單片傘裙表面的積污特性進(jìn)行分析，得知傘裙上表面的積污量多于下表面。綜上所述，專門針對大風(fēng)沙塵環(huán)境下接觸網(wǎng)平腕臂絕緣子沉積特性的研究較少，另外，已有研究均未考慮沙塵荷電狀況，均未分析不同因素下絕緣子各個傘裙表面積污量的變化趨勢。在此，本文以大風(fēng)沙塵環(huán)境下蘭新高鐵接觸網(wǎng)平腕臂棒形瓷芯復(fù)合絕緣子(FQBJ-25)為研究對象，采用COMSOL Multiphysics軟件建立基于電場?流場?粒子追蹤場及流體和粒子相互作用的多物理場單相耦合的絕緣子動態(tài)積污數(shù)值仿真模型，分析風(fēng)速、沙塵粒徑、沙塵質(zhì)量濃度等因素對絕緣子表面沉積特性的影響及各個傘裙表面積污量的變化趨勢。

1 平腕臂絕緣子結(jié)構(gòu)

蘭新高鐵新疆境內(nèi)重污區(qū)接觸網(wǎng)平腕臂采用陶瓷芯棒的復(fù)合絕緣子，由鐵合金材料的高、低壓端金具，陶瓷芯棒及硅橡膠傘裙護(hù)套4部分組成。根據(jù)絕緣子設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范[12?13]，確定FQBJ? 25型絕緣子的尺寸數(shù)據(jù)，如圖1所示，采用Solid Works軟件繪制了絕緣子的三維模型，如圖2所示，其中傘裙由“一大二小”為基本單元的7部分組成，從高壓端到低壓端依次命名為1~22號傘裙。

單位：mm

圖2 絕緣子三維模型

2 數(shù)學(xué)模型及控制方程

接觸網(wǎng)腕臂絕緣子承受25 kV單相工頻交流電且長期裸露于風(fēng)沙環(huán)境中，依據(jù)電磁場理論和計算流體力學(xué)理論，采用多場耦合軟件COMSOL Multiphysics中的AC-DC模塊、湍流模塊及粒子追蹤模塊數(shù)值模擬研究接觸網(wǎng)平腕臂絕緣子表面的沙塵沉積特性。假設(shè)沙塵顆粒物只受電場力、氣流曵力及重力的作用，則顆粒運動的特性方程為

重力g為

式中：p為顆粒質(zhì)量，kg；p為顆粒物密度，kg/m3；為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；為顆粒運動時間，s。

電場力e為

式中：為單位電荷量，e=1.60×10?19 C；為電荷個數(shù)；為場強，V/m。

穩(wěn)態(tài)流場曳力D為

通過式(5)~(8)將式(4)化簡為

式中：D為曳力系數(shù)；()p為顆粒物雷諾數(shù)；為流體速度，m/s；為顆粒物的直徑，m；為松弛時間，s；為流體動力黏度系數(shù)，Pa?s。

3 絕緣子風(fēng)洞積污數(shù)值模擬

為消除分塊絕緣子的計算誤差，以圖2所示的完整絕緣子三維模型為研究對象，建立圖3所示的絕緣子風(fēng)洞積污仿真模型，將風(fēng)洞長設(shè)為絕緣子結(jié)構(gòu)高度的4.5倍約為4 800 mm，寬為4 800 mm，高為3 600 mm，以提供足夠大的計算域模擬充分發(fā)展的湍流，在長方體外部構(gòu)建厚度為100 mm的無限元域，作為電磁波的吸收區(qū)域。

為使模擬盡可能真實地反映交流電壓作用下絕緣子的工況，視絕緣子周圍的空氣流場為不可壓縮的定常黏性湍流，考慮到氣流流經(jīng)絕緣子時，流線發(fā)生彎曲，流場模型采用RANS模型[14?16]，流場的入口和出口分別設(shè)為速度入口和壓力出口，且抑制回流。絕緣子表面為無滑移壁面邊界，風(fēng)洞壁面為滑移壁面，滑移速度等于模擬風(fēng)速，以減小壁面對內(nèi)部流場的影響。用球體模擬空氣中的沙塵顆粒物，沙塵顆粒以風(fēng)速垂直入口面射入，出口及外部壁面的類型設(shè)為“消失”，絕緣子表面50%的顆粒設(shè)為“黏附”，50%的顆粒設(shè)為反彈[17]；沙塵密度為2 650 kg/m3，當(dāng)空氣高度大于3 m時，主要沙塵顆粒粒徑小于75 μm且顆粒帶負(fù)電，最大荷質(zhì)比為?304 μC/kg[18?20]。

圖3 絕緣子積污風(fēng)洞仿真模型

4 環(huán)境因素對沉積特性的影響

絕緣子表面的沙塵沉積特性受多方面因素的影響，可分為外界環(huán)境因素和絕緣子自身因素。外界環(huán)境因素包括氣候條件、沙塵質(zhì)量濃度及粒徑等。絕緣子自身因素包括幾何形狀、尺寸及絕緣材料等。本文將清潔絕緣子置于強風(fēng)沙環(huán)境中，分析外界環(huán)境因素作用下沙塵顆粒在圖2所示的接觸網(wǎng)平腕臂絕緣子表面的沉積特性，以每秒沉積的粒子個數(shù)和質(zhì)量作為表征參數(shù)。

4.1 風(fēng)速對沉積特性的影響

蘭新高鐵年均風(fēng)期超過200 d，酒泉地區(qū)最大風(fēng)速為20~34.5 m/s，新疆境內(nèi)三大風(fēng)區(qū)平均最大風(fēng)速為37.6 m/s，即蘭新高鐵處于8級~12級風(fēng)的沙塵環(huán)境中[18]，風(fēng)速對絕緣子表面的沙塵沉積特性具有重要影響。在顆粒物平均粒徑15 μm，荷質(zhì)比?40 μC/kg，濃度0.35 mg/m3的條件下，分別分析風(fēng)速為18，20，22，24，26，28，30，32和34 m/s等9種工況下接觸網(wǎng)平腕臂絕緣子表面的沙塵沉積特性。

不同風(fēng)速下絕緣子各個傘裙表面的積污量如圖4所示，隨著風(fēng)速的增大，各個傘裙表面的積污量增加，同一風(fēng)速下，各個傘裙表面積污量的變化趨勢與傘裙結(jié)構(gòu)有關(guān)，“一大兩小”的傘裙結(jié)構(gòu)使積污量也呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，即大傘表面的積污量均大于小傘表面的積污量。

圖4 不同風(fēng)速下各個傘裙表面的積污量

隨著風(fēng)速的增大，傘裙結(jié)構(gòu)對積污量的影響越明顯。由于風(fēng)速變化時，顆粒所受的重力和電場力不變，且交流電壓下，荷電粒子在交變電場中做周期運動，其凈位移為0，即交變電場對荷電粒子的影響極小，則風(fēng)速的變化僅改變了流場曵力。小風(fēng)速下，由重力引起的顆粒沉降作用抵消了一部分漩渦和電場強度的影響，不同傘裙表面積污量的波動較為平緩；大風(fēng)速下，顆粒所受的流場曵力占主導(dǎo)地位，顆粒對氣流的跟隨性較強，不同傘裙表面的積污量波動較為劇烈。

絕緣子表面積污量與風(fēng)速的關(guān)系如圖5所示，隨著風(fēng)速的增大，絕緣子表面的積污量線性增大，由于風(fēng)速增大時，流場曵力增大，絕緣子表面靜壓增大，顆粒物與絕緣子表面的碰撞加劇。

4.2 粒徑對沉積特性的影響

帶交流電的復(fù)合絕緣子表面僅有約10%的顆粒粒徑小于12 μm[7]，而接觸網(wǎng)腕臂絕緣子的安裝高度一般為5~7 m，沙塵的主要粒徑小于75 μm，因此，蘭新高鐵接觸網(wǎng)腕臂絕緣子表面主要顆粒的粒徑范圍為12~75 μm。在風(fēng)速25 m/s，荷質(zhì)比?40 μC/kg，濃為0.35 mg/m3的條件下，分別分析粒徑為13，26，39，52和65 μm等5種工況下接觸網(wǎng)平腕臂絕緣子表面的沙塵沉積特性。

圖5 積污量與風(fēng)速的關(guān)系

不同粒徑下各個傘裙表面沉積的顆粒個數(shù)變化趨勢如圖6所示，隨著粒徑的增大，傘裙表面沉積的顆粒個數(shù)減少。粒徑的變化同時影響顆粒所受的重力和流場曵力，重力作用下顆粒的自沉降和曵力作用下顆粒對氣流的跟隨性同時存在，在一定風(fēng)速下，當(dāng)粒徑較大時，重力自沉降作用較強，顆粒在水平方向與絕緣子表面的碰撞減弱，傘裙表面沉積的顆粒個數(shù)減少。當(dāng)粒徑較小時，顆粒對氣流的跟隨性較強，傘裙結(jié)構(gòu)對各個傘裙表面沉積的顆粒個數(shù)影響顯著。

絕緣子表面積污量與粒徑關(guān)系如圖7所示，隨著粒徑的增大，顆粒質(zhì)量增加，當(dāng)13＜＜52 μm時，絕緣子表面的積污量隨粒徑的增大而增大，當(dāng)粒徑大于52 μm時，積污量幾乎不變。

4.3 濃度對沉積特性的影響

風(fēng)洞入口處的沙塵顆粒質(zhì)量流量與顆粒質(zhì)量濃度間滿足如下關(guān)系

式中：m為流過入口面的質(zhì)量流量，mg/s；p為顆粒物質(zhì)量濃度，mg/m3；為風(fēng)洞入口的面積，m2。

(a) 完整圖；(b) 局部放大圖

圖6 不同粒徑下各個傘裙表面的顆粒個數(shù)

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

圖7 積污量與粒徑的關(guān)系

由式(11)可知，風(fēng)洞入口面積和顆粒初始速度為常數(shù)的前提下，顆粒物的質(zhì)量流量與質(zhì)量濃度成正比。通過改變風(fēng)洞入口處的顆粒物質(zhì)量流量，即可以模擬不同顆粒物質(zhì)量濃度絕緣子表面顆粒物的沉積特性。一般情況下，大氣中的總懸浮顆粒物質(zhì)量濃度約為0~0.60 mg/m3，針對重污區(qū)，設(shè)定顆粒物平均粒徑為15 μm，風(fēng)速為25 m/s，荷質(zhì)比為?40 μC/kg的條件下，分析濃度分別為0.25，0.35，0.45，0.60，0.75，0.9和1.05 mg/m3等7種工況下沙塵在接觸網(wǎng)腕臂絕緣子表面的沉積特性。

不同顆粒物質(zhì)量濃度下，絕緣子周圍的流場分布相同，顆粒的重力和流場曵力保持不變，僅改變?nèi)肟谶吔缣庒尫诺牧Ｗ涌倲?shù)。在文中設(shè)定的前提條件下，顆粒的重力自沉降和對氣流的跟隨性作用相當(dāng)，由圖8可知，當(dāng)質(zhì)量濃度＜0.75 mg/m3時，傘裙結(jié)構(gòu)對各個傘裙表面積污量影響非常小，同一濃度下，各個傘裙表面積污量隨機分布。當(dāng)質(zhì)量濃度≥0.75 mg/m3時，傘裙結(jié)構(gòu)對各個傘裙表面的積污量的影響較大，各個傘裙表面的積污量也呈現(xiàn)出“一大兩小”的變化趨勢。

圖8 不同濃度下各個傘裙表面的積污量

圖9 積污量與濃度的關(guān)系

由圖9可知：隨著濃度的增大，入口邊界處釋放的粒子個數(shù)增加，絕緣子表面的積污量近似線性地增大。

5 結(jié)論

1) 其他條件一定時，隨著風(fēng)速的增大，氣流曵力增大，顆粒物對氣流的跟隨性增強，顆粒物與絕緣子表面的碰撞加劇，絕緣子和各個傘裙表面的積污量隨著風(fēng)速的增大而增加，大傘表面的積污量大于小傘。

2) 重力與粒徑的三次方成正比，曵力與粒徑成正比，當(dāng)粒徑大于13 μm時，各個傘裙表面沉積的顆粒個數(shù)隨粒徑的增大而減少，絕緣子表面的積污量隨著粒徑的增大而增大。

3) 顆粒物質(zhì)量濃度僅影響入口邊界處釋放的粒子個數(shù)，隨著濃度的增大，入口邊界處釋放的粒子個數(shù)增多，絕緣子表面的積污量近似線性地 增大。

4) 各個傘裙表面積污量的變化與傘裙結(jié)構(gòu)、風(fēng)速、顆粒的粒徑及質(zhì)量濃度等因素有關(guān)，當(dāng)曵力大于重力(大風(fēng)速小粒徑)時，傘裙結(jié)構(gòu)的變化與各個傘裙表面積污量的變化具有一致性。當(dāng)曵力與重力作用相當(dāng)時，顆粒的質(zhì)量濃度大于0.75 mg/m3時，傘裙結(jié)構(gòu)對各個傘裙表面積污量的變化影響顯著。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(51567014)；甘肅省自然科學(xué)基金資助項目(1606RJZA031)

董海燕(1987?)，女，甘肅和政人，講師，博士研究生，從事高電壓與絕緣配合研究；E?mail：donghaiyancool@126.com

(編輯 陽麗霞)