CN110489864A - 计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，其技术特点包括：建立防湿雪绝缘子及空气流场模型；对空气流场模型进行网络划分；设置防湿雪绝缘子及空气流场模型的边界及初始条件；对空气流场模型进行求解计算；对求解结果进行后续处理得到防湿雪绝缘子防污特性。本发明根据防湿雪复合绝缘子所处地区的典型运行条件，仿真计算不同风速、污秽浓度、颗粒粒径等参数下防湿雪复合绝缘子的积污变化规律，分析不同运行环境参数对绝缘子积污特性的影响规律与影响机理，能够准确地分析出风速、污秽、粒径等因素对防湿雪绝缘子防污特性的影响，能够为输电线路改造提供依据。

Description

计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法

技术领域

本发明属于架空输电线路绝缘子技术领域，尤其是一种计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法。

背景技术

绝缘子在电力系统中主要起到电气绝缘和机械支撑的重要作用，是关系到电力系统安全稳定运行的重要电气设备，在架空线路中有着广泛的应用。为了维护电力系统的稳定，有关绝缘子容易发生的故障的研究就尤为重要。在电力系统实际运行中，绝缘子常常设置在户外，处于各种类型的外部环境，甚至是恶劣条件下。这就导致很多的污染物，比如自然界的盐碱，鸟粪，灰尘，其他固体颗粒物等，容易在绝缘子的表面沉积附着，形成一层污秽层。在晴天气候比较干燥的的时候，污秽层的电导较低，而一旦遇到雾、露、毛毛雨、融雪等潮湿的天气时，绝缘子表面的污秽物会吸收水分，使得污秽层里含有的电解质开始发生溶解、电离，这样的溶解和电离会导致绝缘子表面污秽层的电导增大。再加上绝缘子两端的高电压的作用，因此很容易发生绝缘子的污闪事故。

现阶段电力部门和相关研究人员开展防污工作通常是以污秽度测量为基础，通过污秽度测量来研究绝缘子的积污规律，并以此为依据来确定污区等级，指导外绝缘设计、爬距调整和线路清扫等相关工作。对于典型绝缘子积污情况的研究是指导绝缘子积污研究工作的基础，而对于其他特定形状的绝缘子的积污研究也是必不可少的。针对不同地区的不同气候条件、不同季节的影响、供电线路的运行情况以及其他因素，供电线路的绝缘子需要根据设计成不同的针对特殊环境的伞形结构。

近年来，电力部门针对部分电网冰雪闪络地区的输电线路进行了防冰(雪)改造，采用具有加大伞裙的复合防湿雪绝缘子，并且保持悬垂串为双串设计，以改善线路防湿雪闪络、防风偏、掉串能力。但双串设计如II型、V型和倒V型等悬挂方式对现有外绝缘性能的影响尚无综合考虑，特别是与防湿雪复合绝缘子串在实际运行过程中密切相关的防污特性尚未开展系统的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、准确可靠并能够为输电线路改造提供依据的计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立防湿雪绝缘子及空气流场模型；

步骤2、对空气流场模型进行网络划分；

步骤3、设置防湿雪绝缘子及空气流场模型的边界及初始条件；

步骤4、对空气流场模型进行求解计算；

步骤5、对求解结果进行后续处理得到防湿雪绝缘子防污特性。

所述防湿雪绝缘子模型是节选了整个绝缘子中的一个大伞群，加上两个小伞群，并将绝缘子杆部简化为了圆柱体；所述空气流场模型的流场区域的尺寸为2100×2600×2800mm，其中左侧为空气流场的进口，右侧为空气流场的出口。

所述步骤2采用采用四面体的网格划分方法进行网格划分，在网格划分时，对绝缘子模型进行压缩处理，得到完整的绝缘子表面边界面，保证在流体实验中完成绝缘子壁面静态压力分布显示、空气流场矢量方向显示、污秽颗粒捕捉。

所述步骤3的具体实现方法为：

⑴设置流场入口：流场入口设置为速度入口，负责进入一定速度的空气流、进入一定湿度比例的水、进入离散相的污秽颗粒流；

⑵设置流场出口：流场出口设置为压力出口，用于空气流体和表征湿度特征的液体相流出空气流场模型；

⑶设置流场边界：流场边界在Mesh模块的处理时，被命名为壁面，进入Fluent流体计算模块是会被自动定义为壁面；

⑷设置绝缘子表面：绝缘子面需设置为壁面，接收到外界流场的压力、离散相——污秽颗粒的影响。

所述步骤4的具体求解方法为：将绝缘子周围的空气流场应定义为典型的湍流流场，采用压力基求解器，湍流的控制方程选用Fluent仿真模块中的标准k-ε双方程模型，求解时采用非稳态求解的方式，计算流体的流场分布情况，再加入离散相后使用稳态状态下的耦合计算求解。

所述k-ε双方程模型为：

式中：k表示湍动能、ε表示耗散率，G_k代表由平均速度梯度引起的湍流动能项；G_b代表由浮力而引起的湍动能项；Y_M代表可压缩湍流中的脉动扩张量；C_1ε、C_2ε、C_3ε代表常系数，根据经验取值；σ_k、σ_ε代表湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数；S_k、S_ε代表用户定义的源项。

在计算流体的流场分布时，使用标准壁面模型函数对模型进行近壁面处理，对于离散相方程采用了压力—速度修正法，并应用了Simple算法对流场的压力分布进行计算。

所述步骤5的具体处理方法包括：

⑴流场分布后处理：计算收敛并逐渐完成计算后，对仿真结果进行后处理，得到绝缘子周围流场的分布，获得绝缘子所受压力云图；

⑵颗粒运动轨迹后处理：颗粒从流场的入射口进入流场，在气流的影响下经过绝缘子周围，被绝缘子表面吸收或者从流场边界逃逸，得到流场影响下颗粒的运动轨迹；

⑶计算碰撞率：用N_t表示与绝缘子表面发生碰撞的污秽颗粒数目，用N表示绝缘子周围空气流场中通过的污秽颗粒总数，而表征绝缘子积污特性的碰撞率P_E为两者的商。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其根据防湿雪复合绝缘子所处地区的典型运行条件，仿真计算不同风速、污秽浓度、颗粒粒径等参数下防湿雪复合绝缘子的积污变化规律，分析不同运行环境参数对绝缘子积污特性的影响规律与影响机理，并且通过在空气流场的暂态计算结果中插入离散相污秽颗粒，稳态下计算得出了不同污秽颗粒粒径对于绝缘子积污情况的影响，使用“碰撞率”来进行量化说明，从而准确地分析出风速、污秽、粒径等因素对防湿雪绝缘子防污特性的影响，能够为输电线路改造提供依据。

附图说明

图1是本发明的分析处理流程图；

图2是绝缘子及其流场仿真模型；

图3是流场和绝缘子模型网格划分图；

图4a是不同风速下小颗粒碰撞率变化规律图；

图4b是不同风速下中等颗粒碰撞率变化规律图；

图4c是不同风速下大颗粒碰撞率变化规律图；

图5是V型绝缘子5m/s风速下碰撞率分布图；

图6是V型绝缘子10m/s风速下碰撞率分布图；

图7是各角度静压分布对比图；

图8a是颗粒相运动轨迹示意图(局部)；

图8b是颗粒相运动轨迹示意图(整体颗粒运动模型)；

图9是低风速下大颗粒运功轨迹示意图；

图10是5m/s下大颗粒运动轨迹示意图；

图11是10m/s下大颗粒运动轨迹示意图；

图12是浓度对碰撞率的影响示意图；

图13是不同粒径风速下碰撞率变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

本发明的设计思想是：依据防湿雪复合绝缘子所处地区的典型运行条件，仿真计算不同风速、污秽浓度、颗粒粒径等参数下防湿雪复合绝缘子的积污变化规律，分析不同运行环境参数对绝缘子积污特性的影响规律与影响机理，建立绝缘子及其流场模型、划分网格、确立边界条件和初始条件、对流场模型计算求解、对结果进行后处理。本专利通过在空气流场的暂态计算结果中插入离散相污秽颗粒，稳态下计算得出了不同污秽颗粒粒径对于绝缘子积污情况的影响，并使用“碰撞率”来进行量化说明。

基于上述设计思想，本发明计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、建立防湿雪绝缘子及空气流场模型，包括防冰雪复合绝缘子模型和空气流场模型。

(1)建立防湿雪绝缘子模型

防冰雪复合绝缘子具有独特的大小伞裙结构，模型节选了整个绝缘子中的一个大伞群，加上两个小伞群，并将绝缘子杆部简化为了圆柱体。绝缘子模型的建立依据绝缘子实际型号参数，并以1:1的比例建立，其具体模型如图2左侧所示。

(2)建立流场模型

流场尺寸的大小影响计算的精度和仿真分析的时间，设置流场区域的尺寸为2100×2600×2800mm，建立模型如图2右侧所示，其中左侧为空气流场的进口，右侧为空气流场的出口。

步骤2、对空气流场进行网络划分

对空气流场采用四面体的网格划分方法。在划分网格时，对绝缘子模型进行压缩处理，得到完整的绝缘子表面边界面，保证在流体实验中完成绝缘子壁面静态压力分布显示、空气流场矢量方向显示、污秽颗粒捕捉等实验任务，试验划分网格效果图3所示。

步骤3、确定边界及初始条件

完成模型建立和网格划分工作之后，需要进行对各个边界面性质的设置。包括了流场入口、流场出口、流场边界、绝缘子表面四个边界面。

(1)流场入口设置

流场入口设置为速度入口(velocity-inlet)，负责进入一定速度的空气流、进入一定湿度比例的水、进入离散相的污秽颗粒流。

(2)流场出口设置

流场的出口设置为压力出口(pressure-outlet)，用于空气流体和表征湿度特征的液体相流出空气流场模型。

(3)流场边界设置

流场的边界在Mesh模块的处理时，被命名为walls，进入Fluent流体计算模块是会被自动定义为壁面(wall)。

(4)绝缘子表面设置

绝缘子面需设置为壁面(wall)，即可以接收到外界流场的压力、离散相——污秽颗粒的影响，但其自身的边界属性不会对已产生的流场情况产生影响。为了捕捉到离散相污秽颗粒的碰撞情况，当污秽颗粒与绝缘子表面发生碰撞时，认为污秽颗粒被绝缘子表面捕获。

步骤4、对空气流场模型进行求解计算

绝缘子周围的空气流场应定义为典型的湍流流场，本发明采用压力基求解器，湍流的控制方程选用Fluent仿真模块中的标准k–ε双方程模型，求解时采用非稳态(暂态)求解的方式，计算流体的流场分布情况，再加入离散相后使用稳态状态下的耦合计算求解。具体求解方法如下：

(1)流场分布计算公式

将绝缘子周围流场里的空气相设置为连续相模型，并要求连续相模型满足湍流状态下的空气的质量守恒方程和动量守恒方程。分析湍流的连续相模型，主要应用的是Fluent仿真模块中的k-ε模型，其中k表示湍动能、ε表示耗散率，

标准型的k-ε模型是基于充分发展的湍流流动产生的模型，其方程为：

式中：G_k代表由平均速度梯度引起的湍流动能项；G_b代表由浮力而引起的湍动能项；Y_M代表可压缩湍流中的脉动扩张量；C_1ε、C_2ε、C_3ε代表常系数，根据经验取值；σ_k、σ_ε代表湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数；S_k、S_ε代表用户定义的源项。

(2)绝缘子模型近壁面处理

在计算时使用标准壁面模型函数对模型进行近壁面处理，在满足计算精度的同时，尽量简化计算量，在处理绝缘子积污特性的流体力学计算时，对于离散相方程采用了压力—速度修正法，并应用了Simple算法对流场的压力分布进行计算，该算法利用“猜测—修正”的方法进行求解。

步骤5、对求解结果进行后续处理

(1)流场分布后处理

计算收敛并逐渐完成计算后，对仿真结果进行后处理，得到绝缘子周围流场的分布，获得绝缘子所受压力云图。

(2)颗粒运动轨迹后处理

颗粒从流场的入射口进入流场，在气流的影响下经过绝缘子周围，被绝缘子表面吸收或者从流场边界逃逸，得到流场影响下颗粒的运动轨迹。

(3)计算碰撞率

用N_t表示与绝缘子表面发生碰撞的污秽颗粒数目，用N表示绝缘子周围空气流场中通过的污秽颗粒总数，而表征绝缘子积污特性的碰撞率P_E为两者的商。即P_E＝N_t/N。又因为P_E的数值十分小，在分析量化时，将P_E数值乘以1000处理，P_E单位为10^-3。

下面根据本发明分析风速、污秽、粒径对防湿雪绝缘子防污特性的影响：

1、风速的影响

不同大小风速的空气流场，对于污秽颗粒的运动轨迹有很大影响。本实验仿真研究了1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、10m/s风速下的污秽颗粒的运动情况。通过仿真计算污秽颗粒的碰撞率，绘制了图4a、图4b及图4c，在图中分别选取了小颗粒1μm、10μm，中等颗粒40μm、70μm，大颗粒100μm、150μm、200μm来绘制成图进行对照研究。

(1)如图3所示，当颗粒粒径很小时，污秽颗粒对于气流的跟随作用很强，很容易绕开绝缘子表面不与之接触。因此污秽颗粒的碰撞率极小，颗粒粒径较小时，气流速度的大小对碰撞率的影响就不明显。

(2)当颗粒粒径适中时，随着风速的上升，污秽颗粒碰撞率整体呈下降趋势；另一方面，风速影响增大，污秽颗粒的沉降作用变小，碰撞绝缘子上表面的颗粒减少。因此，污秽颗粒的碰撞率会随着风力上升而下降。

(3)当颗粒粒径较大时，在低风速时，会有一定数目的污秽颗粒因为气流作用的不足而无法到达绝缘子表面，因此，风速在一开始增加时，污秽颗粒的碰撞率会有所上升。而当风速达到一定大小后，污秽碰撞率会随着风速变大而降低。而在风速达到很大的程度之后，因为气流作用有一定限制，污秽颗粒的碰撞率会在达到较小之后，下降趋势明显放缓。

2.绝缘子夹角与风力方向的影响

(1)由图4可知，正V型绝缘子随着绝缘子对开口角度增大，污秽颗粒的碰撞率呈现先增大后减小的变化趋势。

(2)不同夹角型号的绝缘子的积污情况有很大区别，风速分别为5m/s和10m/s时，颗粒碰撞率的变化规律分别如图5和图6所示。空气中的污秽颗粒在重力和风力的共同作用下运动，当颗粒运动到绝缘子附近时，颗粒的运动方向会和绝缘子成某个角度，而由于绝缘子放置方向出现了变化，这个角度也会随之改变，污秽颗粒流与绝缘子表面的碰撞情况因此不同。

(3)当缘子对平面与风速垂直时，不同放置角度下的绝缘子的静压分布情况基本不变，且污秽颗粒碰撞率的变化也相较于绝缘子对与风速在同一平面时较小。由静压分布云图图7所示，不同角度下绝缘子空气流场中静压力分布类似。

(4)如表1所示，在污秽颗粒粒径较小时，绝缘子的污秽碰撞率几乎没有变化，而在污秽颗粒粒径较大时，重力沉降作用影响明显，其中当绝缘子开口夹角为60°时，污秽程度最为严重。

表1粒径70μm与风速平面垂直

开口角度(°)	正V30°	正V60°	正V90°
				碰撞率(10<sup>-3</sup>)	2.3	2.4	2.4

(5)通过Fluent对绝缘子污秽颗粒积污特性进行有限元仿真分析，得出了不同的气象环境条件下绝缘子的积污特性的变化情况，该方法的计算时间比实际的试验探究提高了80％。通过试验探究对绝缘子积污特性进行分析，每个试验周期原需要7.2小时，通过仿真分析仿真周期大概需要4个小时。

3.离散相污秽颗粒

(1)加入离散相颗粒物后的颗粒物运动轨迹模型如图8a及图8b所示。当颗粒粒径大小接近200μm及以上时，污秽颗粒碰撞率会显著减小，

(2)对于风力较大时，随着污秽颗粒粒径的上升，污秽颗粒碰撞率会跟着显著上升，其原理和风速较小时的变化趋势相同。

(3)随着风速的增大，空气的曳力对污秽颗粒的运输作用明显增强，会使得污秽颗粒与绝缘子发生更多的碰撞，在低风速下大颗粒运功轨迹如图9所示。在5m/s和10m/s的风速下，大颗粒的运动轨迹如图10和图11所示。在大的风速下，绝缘子更容易与污秽颗粒发生碰撞，污秽颗粒和风速的大小对绝缘子污秽颗粒的沉积具有显著的影响。

4.污秽颗粒浓度的影响

由图12可得，随着风速的变化，各条随着浓度等级变化的曲线的变化趋势有所不同，规律较复杂，且折线整体的变化幅度相对较小。因此，对于污秽颗粒的碰撞率而言，风速的影响较之颗粒浓度的影响要大一些，污秽颗粒的浓度对于碰撞率的影响也不明显。

5.污秽颗粒粒径的影响

(1)由图13分析可得，在风速较低时，随着污秽颗粒粒径的上升，污秽颗粒的碰撞率显著上升。

(2)当风力较大时，随着污秽颗粒粒径的上升，污秽颗粒碰撞率会跟着显著上升，而随着风力提升，污秽颗粒受到的气流作用较大，大风速时大颗粒污秽颗粒会因为所受重力影响有上限，而碰撞率的上升趋于饱和，上升趋势较为平缓。

通过以上分析可以看出：

当污秽颗粒粒径极小时，因为跟随气流效果好，不利于颗粒与绝缘子表面发生碰撞；随着颗粒粒径的增大，重力的沉降作用效果明显，污秽颗粒与绝缘子表面的碰撞率显著上升；当颗粒粒径较大时，同时风速较小时，会出现部分颗粒无法到达绝缘子的现象，会使得碰撞率下降。通过设置不同的污秽颗粒浓度，研究污秽颗粒浓度的影响，得出结论有：颗粒浓度对于污秽颗粒与绝缘子的碰撞率的影响较小，但对于污秽颗粒与绝缘子表面的撞击数目有明显影响，颗粒浓度越大，撞击数目越多。且在风速较小时，撞击数目随浓度增加而显著上升，而当风速较大时，因为重力沉降作用有限，撞击数目会随着浓度增大，上升趋势变缓，逐渐接近饱和。当绝缘子对与风速在同一平面时，不同的绝缘子对夹角下，绝缘子和风速的夹角不同，绝缘子周围流场有很大区别，静压的极值会分别向绝缘子两端移动，且与气流夹角越小，绝缘子两端的静压分布差值越大。绝缘子对夹角呈60°时，碰撞率最小，同样开口角度下，倒V型绝缘子的碰撞率较V型绝缘子更小。在绝缘子对与风速面垂直时，气流和绝缘子夹角不变，流场分布类似，开口夹角为60°时污秽碰撞率最大，倒V型的碰撞率较V型更小。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、建立防湿雪绝缘子及空气流场模型；

步骤2、对空气流场模型进行网络划分；

步骤3、设置防湿雪绝缘子及空气流场模型的边界及初始条件；

步骤4、对空气流场模型进行求解计算；

步骤5、对求解结果进行后续处理得到防湿雪绝缘子防污特性。

2.根据权利要求1所述的计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，其特征在于：所述防湿雪绝缘子模型是节选了整个绝缘子中的一个大伞群，加上两个小伞群，并将绝缘子杆部简化为了圆柱体；所述空气流场模型的流场区域的尺寸为2100×2600×2800mm，其中左侧为空气流场的进口，右侧为空气流场的出口。

3.根据权利要求1所述的计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，其特征在于：所述步骤2采用采用四面体的网格划分方法进行网格划分，在网格划分时，对绝缘子模型进行压缩处理，得到完整的绝缘子表面边界面，保证在流体实验中完成绝缘子壁面静态压力分布显示、空气流场矢量方向显示、污秽颗粒捕捉。

4.根据权利要求1所述的计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：

⑴设置流场入口：流场入口设置为速度入口，负责进入一定速度的空气流、进入一定湿度比例的水、进入离散相的污秽颗粒流；

⑵设置流场出口：流场出口设置为压力出口，用于空气流体和表征湿度特征的液体相流出空气流场模型；

⑶设置流场边界：流场边界在Mesh模块的处理时，被命名为壁面，进入Fluent流体计算模块是会被自动定义为壁面；

⑷设置绝缘子表面：绝缘子面需设置为壁面，接收到外界流场的压力、离散相——污秽颗粒的影响。

5.根据权利要求1所述的计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，其特征在于：所述步骤4的具体求解方法为：将绝缘子周围的空气流场应定义为典型的湍流流场，采用压力基求解器，湍流的控制方程选用Fluent仿真模块中的标准k-ε双方程模型，求解时采用非稳态求解的方式，计算流体的流场分布情况，再加入离散相后使用稳态状态下的耦合计算求解。

6.根据权利要求5所述的计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，其特征在于：所述k-ε双方程模型为：

式中：k表示湍动能、ε表示耗散率，G_k代表由平均速度梯度引起的湍流动能项；G_b代表由浮力而引起的湍动能项；Y_M代表可压缩湍流中的脉动扩张量；C_1ε、C_2ε、C_3ε代表常系数，根据经验取值；σ_k、σ_ε代表湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数；S_k、S_ε代表用户定义的源项。

7.根据权利要求5所述的计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，其特征在于：在计算流体的流场分布时，使用标准壁面模型函数对模型进行近壁面处理，对于离散相方程采用了压力—速度修正法，并应用了Simple算法对流场的压力分布进行计算。

8.根据权利要求1所述的计及风速、污秽、粒径的防湿雪绝缘子防污特性分析方法，其特征在于：所述步骤5的具体处理方法包括：

⑴流场分布后处理：计算收敛并逐渐完成计算后，对仿真结果进行后处理，得到绝缘子周围流场的分布，获得绝缘子所受压力云图；

⑵颗粒运动轨迹后处理：颗粒从流场的入射口进入流场，在气流的影响下经过绝缘子周围，被绝缘子表面吸收或者从流场边界逃逸，得到流场影响下颗粒的运动轨迹；

⑶计算碰撞率：用N_t表示与绝缘子表面发生碰撞的污秽颗粒数目，用N表示绝缘子周围空气流场中通过的污秽颗粒总数，而表征绝缘子积污特性的碰撞率P_E为两者的商。