張友鵬，張鼎昌，董海燕，趙珊鵬

污穢顆粒在腕臂絕緣子表面分布規(guī)律仿真分析

張友鵬，張鼎昌，董海燕，趙珊鵬

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為解決蘭新高鐵接觸網(wǎng)腕臂絕緣子污閃問(wèn)題，研究腕臂絕緣子表面積污規(guī)律對(duì)預(yù)防污閃事故發(fā)生、保證牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行有重要意義。以FQB-25/12型腕臂絕緣子為研究對(duì)象，利用歐拉兩相流建立積污仿真模型，以污穢顆粒的體積分?jǐn)?shù)為表征參數(shù)，分析顆粒濃度、風(fēng)速、顆粒粒徑及來(lái)流角度4種因素對(duì)絕緣子表面污穢分布的影響。研究結(jié)果表明：絕緣子表面污穢體積分?jǐn)?shù)隨空氣中污穢濃度呈線性增長(zhǎng)；隨風(fēng)速的增大，迎風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)迅速增大，背風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)較緩慢；隨顆粒粒徑增大，迎風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)明顯增長(zhǎng)，背風(fēng)面污穢體積不斷減小；來(lái)流角度在?45°到45°變化時(shí)，對(duì)于大傘裙，上表面污穢體積分?jǐn)?shù)不斷減小，下表面污穢體積分?jǐn)?shù)不斷增大，對(duì)于小傘裙，上下表面積污程度隨來(lái)流角度與大傘裙相反。

腕臂絕緣子；積污規(guī)律；歐拉兩相流；污穢體積分?jǐn)?shù)

蘭新鐵路是我國(guó)第一條穿越沙漠戈壁、風(fēng)災(zāi)地區(qū)的高速鐵路，新疆境內(nèi)地區(qū)每年春天都會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)沙塵雪霧天氣，鹽堿含量很高的污穢顆粒在絕緣子表面形成了高電導(dǎo)率的介質(zhì)層，極易造成絕緣子大面積閃絡(luò)。絕緣子污閃一般會(huì)經(jīng)歷積污、受潮、電弧發(fā)展和最終閃絡(luò)4個(gè)階段[1]，絕緣子表面積污分布是誘發(fā)污閃的關(guān)鍵因素。研究絕緣子積污規(guī)律是接觸網(wǎng)外絕緣的基礎(chǔ)工作，對(duì)接觸網(wǎng)外絕緣設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)均有重要意義[2?5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)絕緣子積污特性展開(kāi)大量研究，并通過(guò)自然積污和人工污穢試驗(yàn)取得豐碩成果[6?9]。自然積污試驗(yàn)周期長(zhǎng)，容易受環(huán)境因素影響，結(jié)果分散性大，分析單因素影響尚有諸多困難；人工污穢試驗(yàn)由于成本高且與自然積污試驗(yàn)等價(jià)性還不完善，其結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果偏差較大[10]。數(shù)值模擬方法的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短、成本低、有較高準(zhǔn)確度，可以得到單一因素對(duì)積污特性的影響。王黎明等[11]研究了支柱絕緣子積污特性，研究表明顆粒的碰撞質(zhì)量隨風(fēng)速增大而快速增加。ZHANG等[12]研究污穢顆粒在瓷絕緣子表面的分布特性，研究表明風(fēng)速對(duì)黏附顆粒的粒徑分布具有顯著影響。任昂等[13]針對(duì)高壓直流輸電線路復(fù)合絕緣子分析了顆粒粒徑、風(fēng)速及來(lái)流角度對(duì)粒子撞擊率的影響。呂玉坤等[14]對(duì)比瓷絕緣子與復(fù)合絕緣子積污特性，認(rèn)為復(fù)合絕緣子由于傘徑小、傘型開(kāi)放，積污程度高于瓷絕緣子。張柳等[15]研究了絕緣子不同布置方式對(duì)絕緣子污閃電壓的影響，認(rèn)為絕緣子布置方式影響絕緣子表面積污特性。綜上所述，現(xiàn)有絕緣子積污研究，主要集中在不同類別輸電線路絕緣子中，且絕緣子大多是豎直安裝，對(duì)電氣化鐵路水平布置方式下的腕臂絕緣子積污特性研究較少。為此，本文選取水平布置方式的腕臂絕緣子為研究對(duì)象，采用歐拉兩相流進(jìn)行積污仿真研究。分析絕緣子周?chē)鲌?chǎng)特性，并以污穢體積分?jǐn)?shù)為表征參數(shù)，研究顆粒濃度、風(fēng)速、顆粒粒徑及來(lái)流角度對(duì)絕緣子積污特性的影響。

1 計(jì)算流體力學(xué)仿真原理

1.1 歐拉兩相流計(jì)算原理

空氣中的顆粒隨氣流運(yùn)動(dòng)在絕緣子表面附近發(fā)生繞流，可以用計(jì)算流體力學(xué)中的兩相流來(lái)處理，歐拉兩相流模型在計(jì)算流體力學(xué)中將離散的顆粒和空氣都當(dāng)作連續(xù)的流體，引入體積分?jǐn)?shù)來(lái)表征每一相在計(jì)算域單元中所占的體積，整個(gè)計(jì)算域中體積分?jǐn)?shù)總和為1。

模型連續(xù)性方程為：

流體相的動(dòng)量方程為：

固體相的動(dòng)量方程為：

將絕緣子周?chē)諝饬鲌?chǎng)視為不可壓縮黏性定常湍流。為適應(yīng)復(fù)雜的絕緣子外形，本文采用RNG-模型進(jìn)行求解，該模型在強(qiáng)流線彎曲、旋渦等方面有更高的精確度。RNG-模型中的方程和方程為：

1.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

本文選取FQB-25/12型腕臂復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象進(jìn)行仿真，絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。絕緣子結(jié)構(gòu)包含9個(gè)大傘裙、8個(gè)小傘裙，結(jié)構(gòu)高度為800 mm，爬電距離為1 800 mm，大傘裙傘徑為180 mm，小傘裙傘徑為128 mm。

圖1 絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

本文先用CAD建立絕緣子三維模型，由于不考慮污穢在金具表面分布，在三維模型中省略金具，并將三維模型導(dǎo)入到ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算域的大小對(duì)計(jì)算結(jié)果精確度有很大影響，由于計(jì)算流體力學(xué)一般要求阻塞率不大于3%[16]，阻塞率的定義為：

式中：1為研究對(duì)象在計(jì)算域入口處的投影面積，m2；為計(jì)算域入口截面積，m2。

根據(jù)絕緣子結(jié)構(gòu)可知，1=0.18 m×0.53 m= 0.095 4，本文設(shè)定的計(jì)算域入口面積為2 000 mm× 2 000 mm=4 m2。得出阻塞率為0.024。因此本文最終確定計(jì)算域尺寸為2 000 mm×2 000 mm×3 000 mm。不同部位網(wǎng)格劃分精度不同，并且為平衡計(jì)算精度和計(jì)算資源，將計(jì)算域劃分為內(nèi)外2個(gè)區(qū)域，再分別對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算劃分區(qū)域如圖2所示。在靠近絕緣子表面的區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以很好地契合絕緣子復(fù)雜的外形，從絕緣子表面開(kāi)始采用由近及遠(yuǎn)針對(duì)性劃分。外層區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，有效的降低了網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約計(jì)算資源。四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格邊界用interface進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳遞，網(wǎng)格數(shù)量約160萬(wàn)，圖3為=0平面絕緣子網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖2 計(jì)算區(qū)域劃分示意圖

圖3 x=0平面絕緣子網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3 設(shè)定邊界條件

將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到CFD軟件中；對(duì)模型各面設(shè)定邊界條件。如圖2所示，本文共設(shè)置3類邊界條件：計(jì)算域左側(cè)面定義為速度入口邊界條件(velocity_inlet)；計(jì)算域右側(cè)面定義為充分發(fā)展的出口邊界(out_flow)；絕緣子表面及計(jì)算域其他4個(gè)面定義為壁面邊界(wall)。入口處的湍流強(qiáng)度和水力直徑表達(dá)式為：

式中：為計(jì)算域入口周長(zhǎng)，m；為雷諾數(shù)。

雷諾數(shù)大小為：

式中：為流體密度，kg/m3；為流體速度，m/s；為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

根據(jù)自然積污實(shí)驗(yàn)絕緣子表面污穢度粒徑測(cè)量相關(guān)研究，污穢顆粒粒徑在緣子表面分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布，粒徑主要分布在15 μm左右。其中復(fù)合絕緣子表面顆粒粒徑10的均值為2.90 μm，50的均值為8.25 μm，90均值為22.58 μm[17]。因此，本文設(shè)定顆粒粒分別為5，10，15，20及25 μm，顆粒選取CaCO3，顆粒密度為2 800 kg/m3。風(fēng)速對(duì)絕緣子積污程度及周?chē)鲌?chǎng)運(yùn)動(dòng)特性有較大影響，西北地區(qū)鐵路沿線時(shí)常出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)天氣狀況，風(fēng)力等級(jí)在6~8級(jí)，對(duì)應(yīng)風(fēng)速為10~20 m/s。因此設(shè)定風(fēng)速分別為1，5，10，15及20 m/s。并假設(shè)顆粒在空氣中只受氣體曳力和重力的作用。

為后續(xù)分析污穢顆粒在絕緣子表面分布規(guī)律，將每個(gè)傘裙劃分為4個(gè)部分：迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面1、側(cè)風(fēng)面2，每個(gè)面所占角度均為90°[18]。傘裙部位劃分如圖4所示。

圖4 傘裙部位劃分

2 空氣流場(chǎng)仿真結(jié)果

2.1 絕緣子表面靜壓

絕緣子表面靜壓反映污穢顆粒與絕緣子表面碰撞的劇烈程度。絕緣子表面靜壓越大，污穢顆粒與絕緣子表面碰撞越劇烈；靜壓越小，污穢顆粒與絕緣子表面碰撞概率越小。圖5為風(fēng)速為1，5，10和20 m/s時(shí)絕緣子迎風(fēng)面、背風(fēng)面及側(cè)風(fēng)面靜壓云圖分布。

如圖5所示，當(dāng)絕緣子處于低風(fēng)速下，如風(fēng)速為1 m/s，絕緣子迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面靜壓數(shù)值相差很小，幾乎可以忽略，說(shuō)明風(fēng)速較低時(shí)，絕緣子周?chē)鷼饬髁鲃?dòng)性較差，污穢顆粒與絕緣子表面發(fā)生碰撞的概率較低，顆粒不易附著在絕緣子表面。當(dāng)絕緣子處于高風(fēng)速下，如風(fēng)速為20 m/s，迎風(fēng)面靜壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面靜壓，說(shuō)明風(fēng)速較高時(shí)，污穢顆粒與絕緣子迎風(fēng)面碰撞更加激烈。隨著風(fēng)速的增大，絕緣子迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面靜壓都增大，且迎風(fēng)面靜壓大于背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，不同風(fēng)速下絕緣子表面靜壓的最大值分別為：0.78，21.2，82.5和258.2 Pa，說(shuō)明風(fēng)速的增大會(huì)使得絕緣子表面靜壓增大，從而提高污穢顆粒與絕緣子表面碰撞的概率。

2.2 絕緣子周?chē)鲌?chǎng)分布

污穢顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與絕緣子周?chē)鲌?chǎng)特性有著緊密聯(lián)系，流場(chǎng)對(duì)顆粒的受力有著一定的影響。以風(fēng)速5 m/s為例，圖6為=0平面速度云圖分布，圖7為絕緣子周?chē)俣仁噶俊?/p>

當(dāng)氣流流過(guò)絕緣子表面時(shí)，絕緣子表面會(huì)存在明顯的邊界層[19]，如圖6中絕緣子附近藍(lán)色區(qū)域。在邊界處的速度大小接近于0，污穢顆粒進(jìn)入邊界層后更容易黏附在絕緣子表面。污穢顆粒隨氣流的作用可以直接與迎風(fēng)面發(fā)生碰撞黏附與絕緣子表面，背風(fēng)面積污方式與迎風(fēng)面不同，由圖7中=0平面速度矢量可知，絕緣子背風(fēng)面及上下表面之間有回流生成，出現(xiàn)局部旋渦，這使得顆粒隨氣流繞過(guò)迎風(fēng)面以后，部分顆粒會(huì)在渦流區(qū)停留最終沉積在絕緣子背風(fēng)面。由圖7中=0平面的速度矢量發(fā)現(xiàn)，絕緣子表面邊界層發(fā)生明顯分離現(xiàn)象，邊界層分離發(fā)生在背風(fēng)面，分離點(diǎn)處形成低速渦流，因此顆粒會(huì)繞流運(yùn)動(dòng)到背風(fēng)面，并在渦流區(qū)發(fā)生沉積。這種邊界層分離現(xiàn)象會(huì)造成迎風(fēng)面和背風(fēng)面積污特性有所差異。

(a) v=1 m/s；(b) v=5 m/s；(c) v=10 m/s；(d) v=20 m/s

圖6 y=0平面速度云圖分布

(a) y=0平面；(b) z=0平面

3 不同因素對(duì)絕緣子積污影響

3.1 污穢顆粒在絕緣子表面分布特性分析

絕緣子積污是多種因素共同作用的結(jié)果，本文以污穢顆粒的體積分?jǐn)?shù)作為表征參數(shù)，分析污穢顆粒濃度、顆粒粒徑、風(fēng)速及來(lái)流角度對(duì)絕緣子表面積污的影響。

式中：particle為污穢體積；air為空氣體積。

式中：A為所選取部位的面積；為離散網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的污穢體積分?jǐn)?shù)；Ai為微元面積；n為A上的離散數(shù)量。圖8為風(fēng)速為5 m/s、顆粒粒徑為15 μm，空氣中污穢顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.02，來(lái)流角度為0°時(shí)絕緣子積污仿真結(jié)果。圖9為沿z方向上絕緣子表面污穢體積分?jǐn)?shù)。

圖9 絕緣子表面污穢體積分?jǐn)?shù)

圖8仿真結(jié)果表明，絕緣子迎風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)最大，其次是側(cè)風(fēng)面，背風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)最小；迎風(fēng)面積污分布不均勻較為明顯，污穢顆粒主要分布在芯棒和傘棱上。由圖9可知，在不同位置處絕緣子積污分布也不均勻，污穢體積分?jǐn)?shù)主要集中在0~0.15范圍內(nèi)，大傘裙積污程度要大于小傘裙積污程度；污穢體積分?jǐn)?shù)最大值出現(xiàn)在沿方向0.03m處，污穢體積分?jǐn)?shù)為0.45，約為空氣中污穢體積分?jǐn)?shù)的22.5倍。

3.2 污穢顆粒濃度對(duì)積污的影響

由于環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致鐵路沿線附近污穢顆粒濃度有很大差異。因此，本文對(duì)不同污穢顆粒濃度下絕緣子積污進(jìn)行仿真研究(仿真條件：風(fēng)速為5 m/s，顆粒粒徑為15 μm，來(lái)流角度為0°)，通過(guò)調(diào)整入口處的顆粒相的體積分?jǐn)?shù)模擬不同濃度下絕緣子積污狀態(tài)。并以中間一組傘裙(含一大一小傘裙)進(jìn)行分析。圖10為不同顆粒濃度下絕緣子表面污穢分布。圖11中的曲線為不同部位污穢體積分?jǐn)?shù)隨污穢顆粒濃度變化規(guī)律。

圖10 不同顆粒濃度下絕緣子表面污穢分布

圖11 污穢體積分?jǐn)?shù)隨顆粒濃度變化

如圖10所示，在不同污穢濃度下，絕緣子表面污穢分布不均勻。從圖11中的曲線可以看出，污穢濃度由0.02增大到0.1時(shí)，絕緣子迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面、都呈相同線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。上述現(xiàn)象是由于隨著污穢顆粒濃度的增大，單位體積空氣中攜帶污穢顆粒個(gè)數(shù)也會(huì)增多，在氣流運(yùn)輸作用下，更多的污穢顆粒與絕緣子表面發(fā)生碰撞，然后受到黏附力作用沉積在絕緣子表面，導(dǎo)致絕緣子表面污穢體積分?jǐn)?shù)增大。

3.3 風(fēng)速對(duì)積污的影響

風(fēng)速大小對(duì)污穢顆粒的擴(kuò)散及顆粒與絕緣子壁面碰撞程度起重要作用，因此風(fēng)速大小對(duì)顆粒在絕緣子表面的分布有著重要影響。為研究風(fēng)速對(duì)積污特性的影響，本文對(duì)不同風(fēng)速下絕緣子進(jìn)行積污仿真研究(仿真條件：污穢濃度為0.02，顆粒粒徑為15 μm，氣流傾角為0°)，并以中間一組傘裙進(jìn)行分析。圖12為不同風(fēng)速下絕緣子表面污穢分布。圖13中的曲線為不同部位污穢體積分?jǐn)?shù)隨風(fēng)速變化規(guī)律。

圖13 污穢體積分?jǐn)?shù)隨風(fēng)速變化

如圖12和圖13所示，隨著風(fēng)速的增大，絕緣子迎風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)明顯，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面增長(zhǎng)趨勢(shì)相比迎風(fēng)面較為緩慢。這是由于隨著風(fēng)速的增大，絕緣子表面靜壓增大，污穢顆粒與絕緣子壁面碰撞程度更加劇烈，導(dǎo)致絕緣子表面污穢體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)，迎風(fēng)面靜壓隨風(fēng)速變化時(shí)總是大于背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，因此迎風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)較為明顯，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面較為緩慢。

側(cè)風(fēng)面1和側(cè)風(fēng)面2污穢體積分?jǐn)?shù)隨風(fēng)速變化趨勢(shì)基本相同，但在風(fēng)速為1 m/s時(shí)，側(cè)風(fēng)面1的污穢體積分?jǐn)?shù)大于側(cè)風(fēng)面2，這主要是由于在風(fēng)速為1 m/s時(shí)，風(fēng)速對(duì)絕緣子周?chē)鲌?chǎng)特性影響較小，此時(shí)污穢顆粒主要靠重力沉降沉積在絕緣子表面，導(dǎo)致側(cè)風(fēng)面1的積污程度大于側(cè)風(fēng)面2。

3.4 顆粒粒徑對(duì)積污的影響

污穢顆粒隨氣流在空氣中運(yùn)動(dòng)，所受的氣體曳力及自身的重力都與粒徑有關(guān)。因此本文對(duì)不同顆粒粒徑下絕緣子進(jìn)行積污仿真研究(仿真條件：風(fēng)速為5 m/s，污穢顆粒濃度為0.02，來(lái)流角度為0°)。并以中間一組傘裙進(jìn)行分析，圖14為不同顆粒粒徑下絕緣子表面污穢分布，圖15中的曲線為不同部位污穢體積分?jǐn)?shù)隨顆粒粒徑變化規(guī)律。

圖14 不同顆粒粒徑下絕緣子表面污穢分布

如圖14圖和15所示，當(dāng)污穢顆粒粒徑由5 μm增大到25 μm時(shí)，絕緣子迎風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)由0.02增長(zhǎng)到0.049，背風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)由0.018降低到0.014，側(cè)風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)變化不明顯，污穢體積分?jǐn)?shù)基本維持在0.02左右。上述現(xiàn)象是由于隨著污穢顆粒粒徑的增大，污穢顆粒的表面積及體積都有所增大，顆粒與絕緣子接觸面積增大，顆粒質(zhì)量與顆粒粒徑呈正相關(guān)，氣流帶走污穢顆粒的概率降低，顆粒與迎風(fēng)面可直接發(fā)生碰撞，因此迎風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)隨污穢顆粒粒徑呈正比例增加。對(duì)于背風(fēng)面積污，顆粒不能與背風(fēng)面直接發(fā)生碰撞，而是繞過(guò)迎風(fēng)面進(jìn)入絕緣子背風(fēng)面的低速渦流區(qū)再與背風(fēng)面發(fā)生碰撞產(chǎn)生積污。污穢顆粒粒徑變大，重力變大，渦流對(duì)污穢顆粒作用減弱，污穢顆粒氣流跟隨性變差。且此類型絕緣子傘裙傾斜角度較小，顆粒不容易停留在背風(fēng)面，因此背風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)隨顆粒粒徑增大有一定下降趨勢(shì)。

圖15 污穢體積分?jǐn)?shù)隨顆粒粒徑變化

3.5 來(lái)流角度對(duì)積污的影響

空氣中的來(lái)流角度并不都是與絕緣子軸向垂直，當(dāng)來(lái)流角度改變時(shí)，風(fēng)向會(huì)嚴(yán)重影響絕緣子表面積污分布。因此本文選取7種來(lái)流角度：45°，30°，15°，0°，?15°，?30°和?45°。分別對(duì)7種工況下絕緣子進(jìn)行積污仿真研究，并分析上下表面積污規(guī)律。(仿真條件：風(fēng)速為5 m/s，污穢顆粒濃為0.02，顆粒粒徑為15 μm)，取中間一組傘裙進(jìn)行分析。圖16為來(lái)流角度示意圖，圖17為不同來(lái)流角度下絕緣子表面污穢分布。圖18中的曲線為不同部位污穢體積分?jǐn)?shù)隨來(lái)流角度變化規(guī)律。

如圖17(a)，17(b)和圖18所示，當(dāng)來(lái)流角度從?45°到45°變化時(shí)，大傘裙上表面污穢體積分?jǐn)?shù)不斷減小，大傘裙下表面污穢體積分?jǐn)?shù)不斷增大。上述現(xiàn)象是由于當(dāng)來(lái)流角度在?45°到0°之間，氣流攜帶顆粒更容易與大傘裙上表面碰撞黏附，而大傘裙下表面由于上表面的阻擋，污穢顆粒與大傘裙下表面碰撞的概率減?。煌懋?dāng)來(lái)流角度由0°變化到45°時(shí)，污穢顆粒與大傘裙下表面更容易碰撞黏附，大傘裙上表面由于大傘裙下表面的阻擋，污穢顆粒與大傘裙上表面碰撞的概率減小。

圖16 來(lái)流角度示意圖

(a) 大傘裙上表面；(b) 大傘裙下表面；(c) 小傘裙上表面；(d) 小傘裙下表面

圖18 污穢體積分?jǐn)?shù)隨來(lái)流角度變化

如圖17(c)，17(d)和圖18所示，當(dāng)來(lái)流角度從?45到45°變化時(shí)，小傘裙上表面污穢體積分?jǐn)?shù)不斷增大，小傘裙下表面污穢體積分?jǐn)?shù)不斷減小，與大傘裙表面污穢體積分?jǐn)?shù)隨來(lái)流角度變化規(guī)律相反。上述現(xiàn)象是因?yàn)橄噜?個(gè)傘裙產(chǎn)生渦流，污穢顆粒會(huì)在渦流中運(yùn)動(dòng)，使小傘裙上表面與大傘裙下表面積污程度隨來(lái)流角度變化趨勢(shì)相同，同理小傘裙下表面與大傘裙上表面積污程度隨來(lái)流角度變化趨勢(shì)相同。

4 結(jié)論

1) 污穢顆粒在絕緣子表面分布不均勻性較為明顯，主要分布在絕緣子的芯棒和傘棱上，且大傘裙積污程度要大于小傘裙積污程度；隨著空氣中污穢顆粒濃度增大，絕緣子表面整體污穢體積分?jǐn)?shù)呈線性增加。

2) 不同風(fēng)速下，絕緣子迎風(fēng)面靜壓最大，其次是背風(fēng)面，側(cè)風(fēng)面靜壓最??；隨風(fēng)速的增大，絕緣子迎風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)明顯增大，背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)較緩慢。

3) 隨著顆粒粒徑增大，迎風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)增大較為明顯，背風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)不斷減小，側(cè)風(fēng)面污穢體積分?jǐn)?shù)變化不明顯。

4) 當(dāng)來(lái)流角度在?45°到45°變化時(shí)，對(duì)于大傘裙，上表面積污程度不斷減小，下表面積污程度不斷增大；對(duì)于小傘裙，上表面積污程度不斷增大，下表面積污程度不斷減小。

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Simulation analysis on distribution rules of contamination particles on the surface of cantilever insulator

ZHANG Youpeng, ZHANG Dingchang, DONG Haiyan, ZHAO Shanpeng

(School of Automatic & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to solve the problem of catenary cantilever insulator pollution flashover in Lanzhou-Xinjiang high speed railway, it is important to study on accumulated contamination rules of catenary cantilever insulator to ensure the stable operation of traction power supply system. In this paper, the cantilever insulator FQB-25/12 was taken as the research object. Euler two-phase flow was used to establish a simulation model of insulator contamination, And then, the contamination volume fraction was taken as characteristic parameter, through which the influences of particle concentration, wind velocity, particle size and angle of air flow on the distribution of contamination on insulator surface were figured out. The research results show that for particle concentration, the volume fraction of contamination particles grows linearly with the contamination concentration in the air. For wind velocity, the higher the wind velocity is, the faster the volume fraction of contamination particles at windward grow, while the slower at leeward. For particle size, with larger size of the particle, the volume fraction of contamination particles on the upper surface of the shed increases obviously, while on the lower surface decreases continuously. And in terms of angle of air flow, when it varies from ?45° to 45°, for big sheds, the volume fraction of contamination particles on the upper surface of the shed decreases, while on the lower surface increases. And for small sheds, the rules are the opposite.

cantilever insulator; contamination rules; Euler two-phase flow; contamination volume fraction

U225.8

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 1015 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190636

2019?07?15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567014，51767014，51867013)

趙珊鵬(1983?)，男，吉林敦化人，副教授，從事高電壓與外絕緣技術(shù)研究；E?mail：zsp@mail.lzjtu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)