CN109598065A - 一种流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，包括如下步骤：S1、绘制绝缘子的三维立体图，建立绝缘子及有限空气区域的仿真模型，采集真实绝缘子及实际环境的材料数据，并进行材料参数设置；S2、添加流场和电场，并设置流场和电场的基本参数；S3、在仿真模型的流场中添加流体流动粒子追踪模块；S4、根据电场强度计算颗粒荷电量，并设置流体流动粒子的电荷量，建立颗粒荷电量与电场的关系；S5、建立流场和电场的耦合关系；S6、得到绝缘子在气流与电场作用下的积污分布图；本发明解决了现有技术存在的现场绝缘子积污数据获取困难，以及现有数值方法无法多物理场耦合的缺点。

Description

一种流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法

技术领域

本发明属于绝缘子技术领域，具体涉及一种流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法。

背景技术

随着我国工业水平的不断发展，大气污染的日益严重，电力系统外绝缘污秽问题也愈发严峻。输电线路上运行的绝缘子串发生污闪会造成线路故障，甚至较长时间的停电，对电力系统的安全运行、工农业生产及人们的日常生活造成危害。虽然采取了不同程度的防污闪措施，但是绝缘子污闪事故仍时有发生。

获取绝缘子运行现场的积污分布数据需要停电并拆卸绝缘子，实施较为困难；人工积污试验通过模拟绝缘子的实际积污情况开展相关的试验，能够很好的反映绝缘子的积污情况，但由于试验测量的分散性需要开展大量的试验，不仅对试验设备和样品的要求高，而且会耗费大量的人力与时间。通过数值方法获得绝缘子表面积污分布的方法简单快捷，对试验设备要求低，因此数值模拟方法是获取绝缘子积污分布的重要手段之一。

由于输电线路周围电场强度极高，并伴随有局部电晕现象，会使空气中的污秽颗粒发生电场荷电，此时污秽颗粒带有一定量的电荷，其所受电场力不再远远小于气流曳力，不能忽略。但目前国内外绝缘子积污模拟的数值方法只是对单电场或者单流场作用下的污秽颗粒进行模拟仿真，对流场和电场共同作用下的污秽颗粒沉积不能准确模拟。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提出一种流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，通过数值计算获得流场与电场共同作用下的绝缘子积污分布图，指导输电线路外绝缘的防污工作，对输电线路外绝缘的优化设计和电力系统的安全运行具有重要的理论和工程实际意义，解决了现有技术存在的现场绝缘子积污数据获取困难，以及现有数值方法无法多物理场耦合的缺点。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，包括如下步骤：

S1：绘制绝缘子的三维立体图，根据其建立绝缘子及有限空气区域的仿真模型，采集真实绝缘子及实际环境的材料数据，并根据其对仿真模型的绝缘子进行材料参数设置；

S2：在仿真模型的有限空气区域中添加流场和电场，采集实际模拟环境数据，并根据其设置流场和电场的基本参数；

S3：在仿真模型的流场中添加流体流动粒子追踪模块，设置粒子属性，使流体流动粒子与未荷电污秽颗粒的重力及滑移效果保持一致；

S4：根据电场强度计算颗粒荷电量，并根据计算结果设置流体流动粒子的电荷量，建立颗粒荷电量与电场的关系，使流体流动粒子携带电荷，并将其作为荷电污秽颗粒；

S5：根据流体流动粒子即荷电污秽颗粒受到的气流曳力和电场力，建立流场和电场的耦合关系；

S6：对仿真模型进行自动网格划分，并进行分析计算及结果处理，得到绝缘子在气流与电场作用下的积污分布图。

进一步地，步骤S1中，设置绝缘子材料参数的方法具体为：

根据绝缘子材料对周围电场环境的影响，对仿真模型绝缘子的基本属性参数与电磁模型参数进行设置。

进一步地，步骤S2中，添加流场并设置其基本参数的方法具体为：

使流场选择多相流中的混合物模型，并根据其切合环境中空气分子与污秽颗粒混合的实际情况，根据污秽颗粒在绝缘子表面的滑移和反弹情况，对流场物理模型的分散相属性、滑移模型以及边界条件的基本参数进行设置；

添加电场并设置其基本参数的方法具体为：

根据实际模拟的线路设定施加电场属性参数以及电压等级参数。

进一步地，步骤S4中，流体流动粒子携带的颗粒荷电量的计算公式为：

式中，q_i(C)为流体流动粒子携带的颗粒荷电量；ε为颗粒相对介电常数；ε₀为真空介电常数；E₀为电场强度；d_s为污秽颗粒直径。

进一步地，步骤S5中，荷电污秽颗粒受到气流曳力的计算公式为：

式中，F_d为荷电污秽颗粒受到气流曳力；μ为流体动力粘度系数；m为污秽颗粒质量；u为气流场速度；v_e为荷电污秽颗粒速度；ρ_e为荷电颗粒密度；d_e为荷电颗粒直径。

进一步地，荷电污秽颗粒受到电场力的计算公式为：

F_e＝q_iE₀

式中，F_e为荷电污秽颗粒受到电场力；q_i为颗粒荷电量；E₀为电场强度。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用有限元仿真软件，在仿真模型中添加流场和电场对输电线路绝缘子复杂的运行环境进行了模拟，考虑了重力、气流曳力以及电场力对污秽颗粒的作用，克服了目前数值方法中电场与流场相互耦合较为困难的问题，建立了更为贴合实际的绝缘子积污模型，填补了绝缘子积污模拟方法的空白；

(2)解决了现有技术的输电线路上的绝缘子积污分布情况的获取较为困难，并且需要花费大量的人力物力的问题，本发明易于实施，适用范围广，可以对不同材质、伞型的绝缘子进行积污模拟，方便快捷的得到污秽颗粒在绝缘子表面的积污分布图，为输电线路绝缘子积污、闪络研究和优化设计提供参考依据。

附图说明

图1为流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法流程图；

图2为实施例绝缘子串的平面图；

图3为实施例绝缘子串的三维立体图；

图4为实施例绝缘子积污模型图；

图5为实施例绝缘子积污分布图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，包括如下步骤：

S1：使用工程制图工具绘制绝缘子的三维立体图，根据其使用仿真工具建立绝缘子及有限空气区域的仿真模型，采集真实绝缘子及实际环境的材料数据，并根据其对仿真模型的绝缘子进行材料参数设置；

以导入的绝缘子模型为中心添加一个3D基元几何作为有限空气区域，将3D基元几何的对象类型设定为实体，并根据导入绝缘子模型的位置和尺寸对有限空气区域的尺寸、形状、位置、轴以及旋转角的参数进行设定；根据绝缘子材料自身对周围电场环境的影响，设置绝缘子材料参数，材料参数设置时应包括基本属性参数与电磁模型参数；

本实施例中对三片XP-70绝缘子串进行积污模拟仿真，通过查阅文献和标准获取XP-70绝缘子的结构参数，包括：绝缘子的形状、尺寸，各部件的连接关系、位置关系、相互作用关系，部分参数如下表1所示；

表1

根据实际绝缘子外形参数，确定模型平面图参数(主要参数包括绝缘子高度，宽度，各弧角弧度，以及绝缘子伞裙尺寸)，根据平面模型参数，在AutoCAD草图与注释界面绘制绝缘子前视图，将AutoCAD界面设置为三维基础界面，视图转换为西南等轴侧，以平面图中轴线为轴，将绝缘子平面图旋转360°转换为三维立体图，得到的三片XP-70绝缘子串的三维立体图如图2和图3共同所示；

通过有限元软件导入绝缘子串的三维立体图，检查并修复绝缘子串的缺陷，数值仿真中通常使用圆柱体或者长方体作为有限空气区域，本实施例以圆柱体为例进行有限空气区域的建模，有限空气区域应以绝缘子串为中心且不宜过大或者过小，因此圆柱体位置坐标设定为(x:0.28m，y:-0.5m，z:0.28m)，根据绝缘子串的伞裙尺寸及串长将圆柱体的半径设置为1m，高度设置为1m，本实施例中模拟的气流及污秽颗粒从水平方向，由圆柱体的圆面进入，再由另一个圆面流出。因此圆柱体的轴类型和旋转角分别设置为y轴和0deg，为了更加方便的对绝缘子串进行材料设置和观察积污结果，将圆柱体在图形窗口设置为透明；

本实施例中以沙尘颗粒(主要成分为SiO₂)作为污秽颗粒，从材料库中添加SiO₂材料到模型中，查阅资料获取SiO₂的主要参数，并对材料库中添加的SiO₂材料属性进行修正，SiO₂的主要材料属性设置如下表2所示；

表2

密度(kg/m3)	电导率(S/m)	相对介电常数	导热系数(W/(m*K))
				2200	0	4.2	1.4

从材料库中添加空气材料操模型中，选择有限空气区域即圆柱体作为空气材料的域，获取空气的主要材料参数，对材料库中添加的空气进行修正，空气材料的相对介电常数设置为1，空气材料中的动力粘度、电导率、密度等参数与环境温度有关，通过环境温度对应的内插值导入插值函数进行设置；

从材料库中添加钢材料到模型中，选择绝缘子串的钢帽和钢脚作为铁材料的域；从材料库中添加陶瓷材料到模型中，选择绝缘子串的伞裙作为陶瓷材料的域，获取绝缘子的主要材料参数，对材料库中添加的铁材料和陶瓷材料进行修正，瓷材料的相对介电常数设置为3，钢材料的磁通密度模、磁场模、等效磁通密度模、等效磁场模等电磁参数与环境电场有关，通过环境电场对应的内插值导入插值函数进行设置；

根据流体动力学理论，污秽颗粒的运动满足流体运输方程，其中，气相连续性方程和固相连续性方程是质量守恒定律的具体表达形式，即单位时间内流出和流入流体域的固相或气相质量差与流体域内该相密度变化而减少的质量相等，气相连续性的公式为：

固相连续性的公式为：

式中，ω_F为流体密度；λ_g为气体在两相中所占的体积分数；v_g为气体的速度矢量；λ_s固体颗粒在两相中所占的体积数；v_s为固体颗粒的速度矢量；

S2：在仿真模型的有限空气区域中添加流场和电场，采集实际模拟环境数据，并根据其设置流场和电场的基本参数；

添加流场并设置其基本参数的方法具体为：使流场选择多相流中的混合物模型，对污秽颗粒与空气分子的混合流体设置入口与出口以分析绝缘子迎风面与背风面的不同积污情况；并根据其切合环境中空气分子与污秽颗粒混合的实际情况，根据污秽颗粒在绝缘子表面的滑移和反弹情况，对流场物理模型的分散相属性、滑移模型以及边界条件的基本参数进行设置；

本实施例以环境温度20℃，水平来流，风速5m/s，对流场进行设置，添加物理场中的多相流混合物模型到模型中，在混合物属性栏中设置气流各分散相的材料分别来源于已设置好的空气材料和SiO₂材料，温度设置为293.15K。由于圆柱体模型的轴类型为y轴，在入口栏中设置速度场为u＝(0，-5，0)m/s。在出口栏中设置出口处抑制回流以模拟自然界中气流的流通。混合物边界条件在有限空气区域设置为无滑移，在绝缘子表面设置为滑移。此处设置的颗粒属性直接来源于材料，未考虑荷电情况，未荷电颗粒在气流中的受力应由自身重力、气流曳力以及颗粒间相互碰撞力三部分组成，即受力方程为：

式中，v_n为未荷电颗粒速度；F_d为气流曳力，即流体对其中具有相对速度的未荷电颗粒施加的力，与颗粒相对运动速度方向相反；F_c为颗粒间相互碰撞产生的碰撞力；m为未荷电颗粒质量；g为重力加速度；

添加电场并设置其基本参数：根据实际线路中绝缘子的安装方式，电场的高电势点设置在绝缘子钢脚处，电场的低电势点设置在绝缘子钢帽处；根据实际模拟的线路设定施加电场属性参数以及电压等级参数；

本实施例以直流5kV为例，对电场进行设置，添加物理场中的静电场到模型中，相对介电常数选择来自材料，温度设置为293.15K，添加电势，域选择应用于绝缘子串低端的钢脚处，设置电势值为5000V；添加接地，域选择应用于绝缘子串顶端的钢帽处；

S3：为模拟实际环境中污秽颗粒受到电场影响发生部分颗粒荷电的情况，添加流体流动粒子追踪到模型中，粒子属性来源于SiO₂材料，设置颗粒荷电量，设置粒子属性，使流体流动粒子与未荷电污秽颗粒的重力及滑移效果保持一致；

S4：根据电场强度计算颗粒荷电量，并根据计算结果设置流体流动粒子的电荷量，建立颗粒荷电量与电场的关系，使流体流动粒子携带电荷，并将其作为荷电污秽颗粒；

流体流动粒子携带的颗粒荷电量的计算公式为：

式中，q_i(C)为流体流动粒子携带的颗粒荷电量；ε为颗粒相对介电常数；ε₀为真空介电常数；E₀为电场强度；d_s为污秽颗粒直径；

S5：根据流体流动粒子即荷电污秽颗粒受到的气流曳力和电场力，建立流场和电场的耦合关系；

在入口处设置释放总时长为0.05s，每0.0005s释放一次，使气流中具有带电荷的SiO₂颗粒，此处设置的颗粒带有电荷，应考虑电场力的影响，即受力的公式为：

式中，v_e为荷电颗粒速度；F_d为气流曳力，即流体对其中具有相对速度的荷电颗粒施加的力，与颗粒相对运动速度方向相反；F_c为颗粒间相互碰撞产生的碰撞力；m为荷电颗粒质量；g为重力加速度；F_e为电场力，即电场对荷电颗粒施加的力；

荷电污秽颗粒受到气流曳力的计算公式为：

式中，F_d为荷电污秽颗粒受到气流曳力；μ为流体动力粘度系数；m为污秽颗粒质量；u为气流场速度；v_e为荷电污秽颗粒速度；ρ_e为荷电颗粒密度；d_e为荷电颗粒直径；

荷电污秽颗粒受到电场力的计算公式为：

F_e＝q_iE₀

式中，F_e为荷电污秽颗粒受到电场力；q_i为颗粒荷电量；E₀为电场强度；

S6：使用有限元仿真工具对仿真模型进行自动网格划分，绝缘子积污模型如图4所示，并进行有限元计算及结果处理，该计算以及结果处理由有限元仿真工具实现并完成，属于现有技术，在此不予赘述，由得到绝缘子在气流与电场作用下的如图5所示的积污分布图。

本发明提出一种流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，通过数值计算获得流场与电场共同作用下的绝缘子积污分布图，指导输电线路外绝缘的防污工作，对输电线路外绝缘的优化设计和电力系统的安全运行具有重要的理论和工程实际意义，解决了现有技术存在的现场绝缘子积污数据获取困难，以及现有数值方法无法多物理场耦合的缺点。

Claims (6)

1.一种流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：绘制绝缘子的三维立体图，根据其建立绝缘子及有限空气区域的仿真模型，采集真实绝缘子及实际环境的材料数据，并根据其对仿真模型的绝缘子进行材料参数设置；

S2：在仿真模型的有限空气区域中添加流场和电场，采集实际模拟环境数据，并根据其设置流场和电场的基本参数；

S3：在仿真模型的流场中添加流体流动粒子追踪模块，设置粒子属性，使流体流动粒子与未荷电污秽颗粒的重力及滑移效果保持一致；

S4：根据电场强度计算颗粒荷电量，并根据计算结果设置流体流动粒子的电荷量，建立颗粒荷电量与电场的关系，使流体流动粒子携带电荷，并将其作为荷电污秽颗粒；

S5：根据流体流动粒子即荷电污秽颗粒受到的气流曳力和电场力，建立流场和电场的耦合关系；

S6：对仿真模型进行自动网格划分，并进行分析计算及结果处理，得到绝缘子在气流与电场作用下的积污分布图。

2.根据权利要求1所述的流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，其特征在于，所述步骤S1中，设置绝缘子材料参数的方法具体为：

根据绝缘子材料对周围电场环境的影响，对仿真模型绝缘子的基本属性参数与电磁模型参数进行设置。

3.根据权利要求1所述的流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，其特征在于，所述步骤S2中，添加流场并设置其基本参数的方法具体为：

使流场选择多相流中的混合物模型，并根据其切合环境中空气分子与污秽颗粒混合的实际情况，根据污秽颗粒在绝缘子表面的滑移和反弹情况，对流场物理模型的分散相属性、滑移模型以及边界条件的基本参数进行设置；

添加电场并设置其基本参数的方法具体为：

根据实际模拟的线路设定施加电场属性参数以及电压等级参数。

4.根据权利要求1所述的流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，其特征在于，所述步骤S4中，流体流动粒子携带的颗粒荷电量的计算公式为：

式中，q_i(C)为流体流动粒子携带的颗粒荷电量；ε为颗粒相对介电常数；ε₀为真空介电常数；E₀为电场强度；d_s为污秽颗粒直径。

5.根据权利要求1所述的流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，其特征在于，所述步骤S5中，荷电污秽颗粒受到气流曳力的计算公式为：

式中，F_d为荷电污秽颗粒受到气流曳力；μ为流体动力粘度系数；m为污秽颗粒质量；u为气流场速度；v_e为荷电污秽颗粒速度；ρ_e为荷电颗粒密度；d_e为荷电颗粒直径。

6.根据权利要求1所述的流场环境下绝缘子带电积污分布的获取方法，其特征在于，所述步骤S5中，荷电污秽颗粒受到电场力的计算公式为：

F_e＝q_iE₀

式中，F_e为荷电污秽颗粒受到电场力；q_i为颗粒荷电量；E₀为电场强度。