CN112560304A - 一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，涉及雨闪特性技术领域，具体为一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，包括以下步骤：S1、实验布置；S2、仿真模型与方法；S3、不同因素对绝缘子伞沿水滴形态的影响；S4、绝缘子淋雨时表面水滴运动全过程分析；S5、结论分析。该基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法提出了绝缘子“伞裙微参数”的概念，接着采用COMSOLMultiphysics多物理场仿真软件建立了绝缘子在遭遇降雨时的伞裙局部模型，并通过流固耦合的仿真方法探究了伞裙微参数及表面雨水流量对伞沿悬垂水滴形态参数的影响，最终分析了悬垂水滴对污雨闪络特性的影响机理。

Description

一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法

技术领域

本发明涉及雨闪特性技术领域，具体为一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法。

背景技术

智能化的能源互联网已成为电力工业的发展趋势，随着特高压电网的建成并投运，为保障安全稳定的电力供用，系统对于外绝缘的要求也越来越高。

电站支柱绝缘子和高压套管是电站外绝缘最重要的设备，据资料显示，降雨是威胁支柱绝缘子及套管外绝缘性能最大的因素，近些年，由降雨引发的沿面放电甚至闪络事故依然未能杜绝。

淋雨条件下绝缘子性能的研究已有多年积累，国内外多家单位都进行过相关真型实验研究，也取得了有价值的结论，这些结论为电站外绝缘的设计与运维做出了很多贡献。清华大学的研究得出：淋雨量、雨水电导率等因素对支柱绝缘子直流污雨闪电压有直接影响，且均符合负幂函数关系，基于支柱绝缘子的直流污雨闪特性，研究者还总结了伞伸出、伞间距、大小伞组合方式等参数对污雨闪电压的影响规律；重庆大学的学者得出结果：高海拔下，支柱绝缘子的直流淋雨放电电压随海拔高度的增高或淋雨量和雨水电导率的增大而降低；日本的研究人员得出结果：对于水平放置的支柱绝缘子，引发直流耐受电压下降的主要原因是试品表面的不均匀淋雨或受潮，且较大伞间距的支柱绝缘子具有较高的雨闪电压。

一般认为，染污绝缘子在淋雨条件下的闪络机理与传统的污闪并无差别，只不过是污层表面的受潮条件发生的变化。然而最新的研究表明，绝缘子伞裙边缘的水滴在污雨闪过程中扮演着重要角色，闪络时电弧的路径多为伞间的桥接而非沿面的爬电，因此绝缘子的污雨闪机理可能与污闪不同，尤其是对于大直径的支柱绝缘子或者套管。

首先分别对真型的支柱绝缘子和套管绝缘子开展了淋雨试验，重点观测并分析了雨水与伞裙的相互作用；接着利用COMSOLMultiphysics有限元仿真软件建立了淋雨条件下绝缘子伞裙的局部模型，并对伞沿水滴在不同因素作用下的动态特性进行了仿真计算与分析。旨在揭示绝缘子污雨闪络过程中伞沿悬垂水滴对闪络的影响机理，并为电站防治外绝缘设备的污雨闪事故提供新思路。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，包括以下步骤：

S1、实验布置：在进行绝缘子淋雨试验时选择的人工模拟雨水，为开展绝缘子污雨闪试验；

S2、仿真模型与方法；

S3、不同因素对绝缘子伞沿水滴形态的影响；

S4、绝缘子淋雨时表面水滴运动全过程分析：将整个过程划分为A、B、C、D4个阶段；A段轨迹：水流在伞裙上表面沿方向Ⅰ运动到边缘倒角处；B段轨迹：水滴沿方向Ⅱ绕伞裙边缘倒角作近似圆周运动；C段轨迹：悬垂在伞裙下表面的水滴自边缘倒角处沿着方向Ⅲ运动；D段轨迹：雨滴体积增加到一定程度后自下表面滴落做抛物运动；

S5、结论分析：通过仿真计算与分析，以特高压支柱绝缘子为对象，研究了绝缘子在遭遇降雨时，伞裙边沿水滴的动态特性以及不同因素对水滴形态的影响，取得的结论。

可选的，所述步骤S1、实验布置中，人工模拟雨水电导率为157μs/cm、淋雨角度为45°、淋雨量为10mm/min，为开展绝缘子污雨闪试验。

可选的，所述步骤S1、实验布置中，依照标准采用固体污层法处理试品，染污方式选用喷污法。

可选的，所述试验时试品表面的盐密为0.1mg/cm2、灰密为：0.6mg/cm2。

可选的，所述步骤S2、仿真模型与方法中：

S201、绝缘子伞裙结构的“微参数”：以云广±800kV特高压直流输电工程投运的复合支柱绝缘子为参考，采用COMSOLMultiphysics有限元分析软件建立了淋雨条件下绝缘子的模型；

S202、绝缘子“流-固耦合”仿真模型：为模拟绝缘子在淋雨过程中表面水滴的完整运动形态，使用了“流体”场中的“两相流，水平集—层流”与“流固耦合”接口以及“包含相初始化的瞬态”求解器进行计算；

S203、绝缘子表面水滴的动态仿真：绝缘子在淋雨时伞裙边缘悬垂水滴的形态参数主要有水滴长度l、直径d、体积V以及运动方向；在重力和表面张力的共同作用下，伞沿悬垂水滴的形态参数将不断改变。

可选的，所述步骤S3、不同因素对绝缘子伞沿水滴形态的影响中：

S301、液体纯度的影响：当染污绝缘表面遭遇降雨时，表面盐密除了会影响伞沿悬垂水滴的导电率还会影响水滴的粘度，以及液体中的杂质越多，水滴的粘度越大，其表面张力也越大，表面张力对于水滴的形态有着直接影响；

S302、初始直径的影响：通过真型实验过对淋雨过程中绝缘子伞裙边缘水滴的形态进行了观测，并通过图像处理测量得到伞沿悬垂水滴的初始直径；

S303、伞裙下表面倾角的影响：伞裙下表面倾角α会影响水滴的稳定性；α越大，相同体积条件下的水滴稳定性越低，水滴越易受重力作用而滴落；

S304、伞裙边缘曲率的影响：使用伞裙边缘曲率c的大小来反映伞裙边缘的尖锐程度，c越大，边缘越尖锐；c的值不仅影响着悬垂水滴的形态，还会影响悬垂水滴的运动趋势，c越小，雨滴越不容易滴落，稳定性越强；

S305、水滴位于上表面的情况：流过边缘倒角并接着沿下表面向绝缘子杆径方向移动，移动一段距离后在下表面发生滴落；流过边缘倒角并接着沿下表面向绝缘子杆径方向移动，最终停留在下表面。

可选的，所述步骤S4、绝缘子淋雨时表面水滴运动全过程分析中：

S401、A段轨迹：水滴位于伞裙上表面时，由于雨水的不断补充，水滴具有初速度，这使得水滴与空气之间产生流体黏性应力T1，该力作用在水滴上，方向与伞裙上表面切向平行，对水滴向伞沿运动具有阻碍作用；

S402、B段轨迹：在康达效应和毛细效应的共同作用下，当水滴从上表面受重力作用向下移动时，其运动有紧贴着绝缘子伞裙表面运动的趋势；

S403、C段轨迹：在毛细效应的作用下，下表面的毛细管对水滴形成一个垂直斜面的拉力F，该力也是使雨滴悬垂的主要原因；

S404、D段轨迹：由于下倾角的存在，水滴在脱离后其运动发生脱离，做抛物运动。

本发明提供了一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，具备以下有益效果：

提出了绝缘子“伞裙微参数”的概念，接着采用COMSOLMultiphysics多物理场仿真软件建立了绝缘子在遭遇降雨时的伞裙局部模型，并通过流固耦合的仿真方法探究了伞裙微参数及表面雨水流量对伞沿悬垂水滴形态参数的影响，最终分析了悬垂水滴对污雨闪络特性的影响机理；研究结果表明绝缘子在淋雨时伞裙边缘悬垂水滴在重力、表面张力以及毛细管拉力的共同作用下其形态参数将不断改变，其运动轨迹可分解为4个过程；通过求解二维的纳斯-斯托克斯方程，重点分析了伞裙边缘悬垂水滴C段轨迹的形成机理，这同时也是对沿面放电产生直接影响的过程。

附图说明

图1为本发明的支柱绝缘子淋雨试验布置示意图；

图2为本发明的淋雨状态下伞裙单元等效模型示意图；

图3为本发明的水滴形态变化过程示意图；

图4为本发明的不同纯度的水滴下落过程示意图；

图5为本发明的水滴初始直径示意图；

图6为本发明的d不同时l的变化示意图；

图7为本发明的不同α时伞裙下表面悬垂水滴的形态示意图；

图8为本发明的不同c值时伞裙边缘悬垂水滴的形态示意图；

图9为本发明的水滴运动过程示意图；

图10为本发明的水滴受力示意图示意图；

图11为本发明的水滴运动过程照片示意图；

图12为本发明的C段轨迹水滴受力变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1至图12，本发明提供一种技术方案：一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，包括以下步骤：

S1、实验布置：在进行绝缘子淋雨试验时选择的人工模拟雨水，为开展绝缘子污雨闪试验；

S2、仿真模型与方法；

S3、不同因素对绝缘子伞沿水滴形态的影响；

S4、绝缘子淋雨时表面水滴运动全过程分析：将整个过程划分为A、B、C、D4个阶段；如图10所示，A段轨迹：水流在伞裙上表面沿方向Ⅰ运动到边缘倒角处；B段轨迹：水滴沿方向Ⅱ绕伞裙边缘倒角作近似圆周运动；C段轨迹：悬垂在伞裙下表面的水滴自边缘倒角处沿着方向Ⅲ运动；D段轨迹：雨滴体积增加到一定程度后自下表面滴落做抛物运动；

S5、结论分析：通过仿真计算与分析，以特高压支柱绝缘子为对象，研究了绝缘子在遭遇降雨时，伞裙边沿水滴的动态特性以及不同因素对水滴形态的影响，取得的结论。

步骤S1、实验布置中，在进行绝缘子淋雨试验时选择的人工模拟雨水电导率为157μs/cm、淋雨角度为45°、淋雨量为10mm/min，支柱绝缘子污雨闪试验布置如图1所示，为开展绝缘子污雨闪试验，依照标准采用固体污层法处理试品，染污方式选用喷污法；试验时试品表面的盐密为0.1mg/cm²、灰密为：0.6mg/cm²。

步骤S2、仿真模型与方法中，

S201、绝缘子伞裙结构的“微参数”：以云广±800kV特高压直流输电工程投运的复合支柱绝缘子为参考，采用COMSOLMultiphysics有限元分析软件建立了淋雨条件下绝缘子的模型，如图2所示，在已有的研究中，绝缘子的伞形结构参数主要指伞间距、伞伸出、大小伞组合方式等，伞形结构的优化设计则是研究这几个主要参数对绝缘子性能的影响规律；然而，前期的研究表明，绝缘子伞裙边缘悬垂水滴放电所引起的伞间桥络在支柱绝缘子污雨闪的过程中占据着重要地位；因此，与伞裙边沿水滴息息相关的“伞裙微参数”值得被关注；提出“伞裙微参数”包括伞裙边缘的倒角曲率以及伞倾角，仿真时选取的典型参数如表1所示。

表1 绝缘子结构参数

Tab.1Shedparametersofpostinsulator

S202、绝缘子“流-固耦合”仿真模型：为模拟绝缘子在淋雨过程中表面水滴的完整运动形态，的仿真使用了“流体”场中的“两相流，水平集—层流”与“流固耦合”接口以及“包含相初始化的瞬态”求解器进行计算。

“两相流，水平集”接口通过求解水平集函数来跟踪研究两种不混溶流体之间的界面位置，在COMSOLMultiphysics中通过“层流”模块将水滴的运动状态设置为层流，通过“水平集”模块来跟踪研究水滴与空气界面的位置变化，从而得到水滴的形态变化。

“流固耦合”接口用于研究可变形或可移动固体结构与周围或内部流体流动之间的相互作用；该接口包含“固体力学”模块，在COMSOLMultiphysics中可通过该模块确定固体的表面属性。

通过“包含相初始化的瞬态”求解器将“两相流，水平集—层流”和“流固耦合-固定几何”两接口耦合，同时求解，即可得到水滴的形状变化和其运动轨迹。

在憎水性良好的绝缘表面，水滴呈离散分布，但随着降雨的持续，仍会有微小的水流对水滴容量进行补充，将绝缘表面的雨水流量P设置为0.001kg/s；雨滴的初始直径d(水滴与绝缘表面接触面的直径)选择7mm(依据见表3)，所建立的绝缘子伞裙局部模型如图2所示，其中，α代表下表面倾角；β代表上表面倾角；c代表边缘倒角曲率，仿真参数如表2所示。

S203、绝缘子表面水滴的动态仿真：绝缘子在淋雨时伞裙边缘悬垂水滴的形态参数主要有水滴长度l、直径d、体积V以及运动方向。在重力和表面张力的共同作用下，伞沿悬垂水滴的形态参数将不断改变。

表2 有限元模型物理参数选择

图3给出了绝缘子伞裙边缘的悬垂雨滴在淋雨过程中的完整运动形态，悬垂水滴初始形成时为一个半球状的水滴(图3(a))；随着雨水的补充，水滴质量与体积逐渐增大，并在重力和表面张力的作用下发生形变，并被拉长(图3(b))；在滴落前，水滴由于表面张力对重力的抑制作用仍能在一段时间内保持稳定(不发生滴落)；随着雨水的补充，水滴质量持续增加，其长度增加(图3(c))；当水滴的重力远大于表面张力时，其稳定被破坏，水滴将滴落(图3(d))。

通过仿真计算，探究了伞裙微参数及水滴流量对伞沿悬垂水滴形态参数的影响，从而为揭示绝缘子污雨闪络机理提供新的思路。

步骤S3、不同因素对绝缘子伞沿水滴形态的影响中，

S301、液体纯度的影响：当染污绝缘表面遭遇降雨时，表面盐密除了会影响伞沿悬垂水滴的导电率还会影响水滴的粘度；液体中的杂质越多，水滴的粘度越大，其表面张力也越大，表面张力对于水滴的形态有着直接影响；选取d＝7mm、P＝0.001kg/s的两滴水滴，通过设置不同的表面张力系数σ，模拟了水滴的下落过程，仿真结果如图4所示。

图4的结果展示了不同表面张力系数的水滴在下落过程中临近断裂时的水滴形态及下落时间；可见，液滴表面张力系数越大，液滴从悬垂到下落的时间越长，液滴与表面分离时的长度越短；因此，雨水的电导率越大时，在绝缘子伞裙边沿形成悬垂水滴的杂质浓度越大，水滴的表面张力越大，这样的悬垂水滴稳定性越强，越不容易被重力拉长从而与伞裙下表面分离。在后续的仿真计算中，选取水滴的表面张力系数σ＝0.072N/m，可代表等值盐密约为0.1mg/cm²时的情况；

S302、初始直径的影响：伞沿悬垂水滴的初始直径d指水滴与绝缘子伞裙表面接触面的直径，如图5所示；

通过真型实验过对淋雨过程中绝缘子伞裙边缘水滴的形态进行了观测，并通过图像处理测量得到伞沿悬垂水滴的初始直径如表3所示。

表3 淋雨量10mm/min时水滴初始直径参数

结果表明，淋雨量为10mm/min时，绝缘子伞裙边缘形成悬垂水滴初始直径d的范围为6mm～9mm；分别对d＝6mm、d＝7mm、d＝8mm、d＝9mm的水滴进行了仿真，研究d对水滴长度l(悬垂水滴受重力作用滴落前连续液体的最大长度)的影响，结果如图6所示。

可见，d对l的影响很小，在实验所测得的范围内，仿真所得到的l值在40mm-45mm之间，水滴从初始状态直至滴落的时间均约为0.1s，因此，在研究其他因素对水滴形态的影响时，d值均选择7mm；

S303、伞裙下表面倾角的影响：伞裙下表面倾角α会影响水滴的稳定性，α越大，相同体积条件下的水滴稳定性越低，水滴越易受重力作用而滴落；显而易见，α＝0°时的悬垂水滴稳定性最高。

分别对α值为5.5°、6.5°、11.5°以及15°四种情况下的悬垂水滴形态进行了仿真研究；仿真时令σ＝0.072N/m；d＝7mm；P＝0.001kg/s。

结果表明：当α为5.5°和6.5°时，水滴在0.14s时滴落；α为11.5°和15°时，水滴在0.12s就发生滴落；可知α越大，伞沿悬垂水滴的稳定性越差，如图7所示。

当α从5.5°变化到15°时，水滴滴落时的l从40.6mm减小到38mm，虽然l的变化不大，但α的改变会使悬垂水滴的滴落运动发生偏移，如图7所示。

S304、伞裙边缘曲率的影响：使用伞裙边缘曲率c的大小来反映伞裙边缘的尖锐程度，c越大，边缘越尖锐。c的值不仅影响着悬垂水滴的形态，还会影响悬垂水滴的运动趋势，c越小，雨滴越不容易滴落，稳定性越强。

仿真时令σ＝0.072N/m；d＝7mm；P＝0.001kg/s；β＝20°；α＝10°，c的值分别取0.5mm^-1、1mm^-1、2mm^-1。

结果表明：c值不同，初始液滴的形态不同，主要体现在初始悬垂雨滴对伞裙边缘倒角的包裹程度不同；如图8(a)-(c)所示，当c＝2mm^-1时，初始液滴几乎包裹全部的边缘，当c＝0.5mm^-1或1mm^-1时，初始液滴只能覆盖边缘的一部分；因此，c越大，伞沿倒角部分与水滴接触的面积就越大，这将影响伞裙边缘附近的电场分布。

伞裙边缘的悬垂水滴将在表面张力和重力的共同作用下产生形变、移动并最终滴落；在这一过程中c值会对悬垂水滴的受力方向产生一定的影响，从而导致不同伞裙边缘曲率下悬垂水滴的运动路径不同，最终导致水滴的滴落位置不同。

在t＝0.06s时，c＝0.5mm^-1的悬垂水滴还有一部分残留在绝缘子的下表面；c＝1mm^-1时，水滴刚发生滴落；c＝2mm^-1时水滴已在此之前滴落，如图8(d)-(f)所示。

S305、水滴位于上表面的情况：以上实验论述了伞裙边缘及下表面悬垂水滴在绝缘子淋雨时的形态变化，现讨论伞裙上表面水滴的形态特点。

仿真时首先令σ＝0.072N/m；d＝7mm；β＝20°；α＝10°；P＝0.001kg/s，研究c＝0.5mm^-1、c＝1mm^-1、c＝2mm^-1三种情况下水滴的运动特性。

结果表明，当一水滴从伞裙上表面受重力作用滚动时，若c＝0.5mm^-1，水滴的运动路径有两种可能；其一：流过边缘倒角并接着沿下表面向绝缘子杆径方向移动，移动一段距离后在下表面发生滴落；其二：流过边缘倒角并接着沿下表面向绝缘子杆径方向移动，最终停留在下表面。c＝1mm^-1或2mm^-1时，水滴运动到伞裙边缘时将直接滴落做类抛物线运动。

其次，令c＝1mm^-1，β分别为20°、25°、30°，其他参数不变时研究β对上表面水滴运行特性的影响；仿真计算发现β对上表面水滴的形态几乎没有影响；此外，P一定时，β将影响水滴从上表面流向边缘处的速度，即β越大，水滴从上表面流向边缘处的速度越大，水滴越易直接滴落而不运动到伞裙下表面。

S4、绝缘子淋雨时表面水滴运动全过程分析：如图9所示绝缘子在淋雨过程中，雨水滴至伞裙表面后的典型运动轨迹；将整个过程划分为A、B、C、D4个阶段；如图10所示，A段轨迹：水流在伞裙上表面沿方向Ⅰ运动到边缘倒角处；B段轨迹：水滴沿方向Ⅱ绕伞裙边缘倒角作近似圆周运动；C段轨迹：悬垂在伞裙下表面的水滴自边缘倒角处沿着方向Ⅲ运动；D段轨迹：雨滴体积增加到一定程度后自下表面滴落做抛物运动(初速度沿方向Ⅳ)。

S401、A段轨迹：水滴位于伞裙上表面时(如图11(a))，由于雨水的不断补充，水滴具有初速度，这使得水滴与空气之间产生流体黏性应力T₁，该力作用在水滴上，方向与伞裙上表面切向平行(如图10所示方向I的反向)，对水滴向伞沿运动具有阻碍作用；在重力G和T₁的共同作用下，水滴将从上表面沿方向I缓慢向伞沿运动(图9(a))。

S402、B段轨迹：康达效应表明若流体和其流过的物体表面之间具有流体黏性，并且物体表面具有较小的曲率，那么流体会沿着物体的表面流动；对于复合绝缘子来说，其表面分布着非常多的毛细管，由于毛细效应，这些毛细管会吸引液滴；于是，在康达效应和毛细效应的共同作用下，当水滴从上表面受重力作用向下移动时，其运动有紧贴着绝缘子伞裙表面运动的趋势(图9(b))。

绝缘子的伞裙厚度通常不大，在边缘处(图11(b))，可将水滴运动视为匀速圆周运动。选取靠近绝缘表面与水滴接触界面的任一质点m₀进行分析，T₁与质点速度方向相反，向心力完全由重力G提供。

根据牛顿第二定律可得：

F＝ma＝mg cosβ＝mv²c (1)

a＝v²c (3)

或者

F＝ma＝mg cosβ＞mv²c (4)

其中：β：伞裙上表面倾角(°)；c：伞裙边缘倒角曲率(mm^-1)；v：质点m₀沿伞裙上表面的切向速度(m/s)；m：质点m₀的质量(kg)；g：重力加速度(m/s²)；a：向心加速度(m/s²)。

这时雨滴的重力分量大于雨滴所需向心力，雨滴做向心运动；在步骤S305、水滴位于上表面的情况的三组实验中，雨滴的运动速度v是相同的，若c越大，则需要的a越大，需要重力提供更多的向心力以维持水滴运动；故c＝0.5mm^-1时，雨滴沿着倒角运动，c＝1mm^-1及c＝2mm^-1时雨滴脱离伞裙表面滴落。

综上，在康达效应和毛细效应的作用下，水滴只有在满足如式(5)时才会紧贴着伞裙表面运动，否则水滴将沿方向V做自由落体运动。

g cosβ≥v²c (5)

S403、C段轨迹：当水滴运动至伞裙下表面与倒角的交点处时(图11(c))，受表面张力作用，水滴静止，此时水滴为悬垂状态(图9(c))，水滴和绝缘表面之间的流体黏性消失；在毛细效应的作用下，下表面的毛细管对水滴形成一个垂直斜面的拉力F，该力也是使雨滴悬垂的主要原因。

绝缘子在遭遇降雨时，由于有雨水的不断补充，悬垂水滴的体积、长度将不断增大(图9(d))，其表面张力和重力同时增大(如图12所示)；水滴重力的初始值可能大于表面张力，但表面张力的增长速率高于重力的增长速率，水滴拉伸至最长时其表面张力与重力相等(图9(e))。随后，表面张力将大于重力，致使水滴沿方向III移动；同时，由于雨水的不断补充，水滴根部直径不断增大(图9(f))，使得水滴靠近绝缘子杆径的一端具有速度v₁，且其厚度不断减小并且在表面张力的作用下沿着I方向运动(图9(g))。

雨滴在染污绝缘子表面流动时具有较大的雷诺数，符合流体的边界层理论，可列写二维的忽略重力的纳维一斯托克斯方程：

边界条件为：

y＝0，u＝v＝0

y＝∞，u＝U(x) (7)

其中，u：流体质点在x方向的速度(m/s)；v：流体质点在y方向速度(m/s)；U(x)：流速度(m/s)；ρ：流体密度(kg/m³)。

流体黏性应力T如式(9)，其方向为方向III。

其中，μ为动力学粘性系数；z为法线方向；u为沿运动平面法线方向的速度(m/s)；A为平面与流体接触的面积(m²)。

在G和T的作用下，液滴沿下表面向上做减速运动，直至其速度为零，这时T消失，在F和G的作用下，雨滴再次静止(图9(h))，这时由于雨水的不断补充，水滴的体积以及增大到一定程度，G也达到了最大值并超过F，最终雨滴滴落(图9(i))，进入D段轨迹。

S404、D段轨迹：由于下倾角的存在，水滴在脱离后其运动发生脱离，做抛物运动。

S5、结论分析：

通过仿真计算与分析，以特高压支柱绝缘子为对象，研究了绝缘子在遭遇降雨时，伞裙边沿水滴的动态特性以及不同因素对水滴形态的影响，取得的主要结论如下：

绝缘子伞裙微参数主要指伞裙边缘的倒角曲率以及伞倾角，在绝缘子淋雨过程中，伞裙微参数将影响雨滴在绝缘子表面的形态及运动特性；

液体纯度、初始直径d、伞裙上下表面倾角α、伞裙边缘曲率c、表面雨水流量P等因素均会影响绝缘子在淋雨时伞裙表面的雨滴形态，尤其是边缘悬垂水滴的形态；雨水纯度越低，水滴的表面张力越大，形成的悬垂水滴稳定性越强，越不容易滴落；α也会影响水滴的稳定性，α越大，相同体积条件下的水滴稳定性越低，水滴越易受重力作用而滴落；c会影响水滴的稳定性和形态，c越小，雨滴越不容易滴落，c越大，伞沿表面与水滴接触的面积就越大，这将影响伞裙边缘附近的电场分布；

伞裙边缘的悬垂水滴是引发伞间空气间隙击穿放电的主要诱因，受表面张力和流体粘性应力的共同作用，绝缘子在淋雨时伞沿水滴的运动轨迹可分为4个部分；其中，最易引起水滴电晕放电的轨迹为C段轨迹，此时，水滴形态相对稳定，且位于伞裙下表面，水滴的存在导致沿面电场的局部集中，电晕易在悬垂水滴处发生，随着悬垂水滴体积的增大，受重力作用其长度不断增加，伞间空气间隙被缩短，放电将由电晕转为桥接伞间间隙的电弧放电，并成为整支绝缘子闪络的重要组成部分。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、实验布置：在进行绝缘子淋雨试验时选择的人工模拟雨水，为开展绝缘子污雨闪试验；

S2、仿真模型与方法；

S3、不同因素对绝缘子伞沿水滴形态的影响；

S4、绝缘子淋雨时表面水滴运动全过程分析：将整个过程划分为A、B、C、D4个阶段；A段轨迹：水流在伞裙上表面沿方向Ⅰ运动到边缘倒角处；B段轨迹：水滴沿方向Ⅱ绕伞裙边缘倒角作近似圆周运动；C段轨迹：悬垂在伞裙下表面的水滴自边缘倒角处沿着方向Ⅲ运动；D段轨迹：雨滴体积增加到一定程度后自下表面滴落做抛物运动；

S5、结论分析：通过仿真计算与分析，以特高压支柱绝缘子为对象，研究了绝缘子在遭遇降雨时，伞裙边沿水滴的动态特性以及不同因素对水滴形态的影响，取得的结论。

2.根据权利要求1所述的一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，其特征在于：所述步骤S1、实验布置中，人工模拟雨水电导率为157μs/cm、淋雨角度为45°、淋雨量为10mm/min，为开展绝缘子污雨闪试验。

3.根据权利要求1所述的一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，其特征在于：所述步骤S1、实验布置中，依照标准采用固体污层法处理试品，染污方式选用喷污法。

4.根据权利要求1所述的一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，其特征在于：所述试验时试品表面的盐密为0.1mg/cm²、灰密为：0.6mg/cm²。

5.根据权利要求1所述的一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，其特征在于，所述步骤S2、仿真模型与方法中：

S201、绝缘子伞裙结构的“微参数”：以云广±800kV特高压直流输电工程投运的复合支柱绝缘子为参考，采用COMSOLMultiphysics有限元分析软件建立了淋雨条件下绝缘子的模型；

S202、绝缘子“流-固耦合”仿真模型：为模拟绝缘子在淋雨过程中表面水滴的完整运动形态，使用了“流体”场中的“两相流，水平集—层流”与“流固耦合”接口以及“包含相初始化的瞬态”求解器进行计算；

S203、绝缘子表面水滴的动态仿真：绝缘子在淋雨时伞裙边缘悬垂水滴的形态参数主要有水滴长度l、直径d、体积V以及运动方向；在重力和表面张力的共同作用下，伞沿悬垂水滴的形态参数将不断改变。

6.根据权利要求1所述的一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，其特征在于，所述步骤S3、不同因素对绝缘子伞沿水滴形态的影响中：

S301、液体纯度的影响：当染污绝缘表面遭遇降雨时，表面盐密除了会影响伞沿悬垂水滴的导电率还会影响水滴的粘度，以及液体中的杂质越多，水滴的粘度越大，其表面张力也越大，表面张力对于水滴的形态有着直接影响；

S302、初始直径的影响：通过真型实验过对淋雨过程中绝缘子伞裙边缘水滴的形态进行了观测，并通过图像处理测量得到伞沿悬垂水滴的初始直径；

S303、伞裙下表面倾角的影响：伞裙下表面倾角α会影响水滴的稳定性；α越大，相同体积条件下的水滴稳定性越低，水滴越易受重力作用而滴落；

S304、伞裙边缘曲率的影响：使用伞裙边缘曲率c的大小来反映伞裙边缘的尖锐程度，c越大，边缘越尖锐；c的值不仅影响着悬垂水滴的形态，还会影响悬垂水滴的运动趋势，c越小，雨滴越不容易滴落，稳定性越强；

S305、水滴位于上表面的情况：流过边缘倒角并接着沿下表面向绝缘子杆径方向移动，移动一段距离后在下表面发生滴落；流过边缘倒角并接着沿下表面向绝缘子杆径方向移动，最终停留在下表面。

7.根据权利要求1所述的一种基于雨闪特性的支柱绝缘子伞裙微参数设计方法，其特征在于，所述步骤S4、绝缘子淋雨时表面水滴运动全过程分析中：

S401、A段轨迹：水滴位于伞裙上表面时，由于雨水的不断补充，水滴具有初速度，这使得水滴与空气之间产生流体黏性应力T1，该力作用在水滴上，方向与伞裙上表面切向平行，对水滴向伞沿运动具有阻碍作用；

S402、B段轨迹：在康达效应和毛细效应的共同作用下，当水滴从上表面受重力作用向下移动时，其运动有紧贴着绝缘子伞裙表面运动的趋势；

S403、C段轨迹：在毛细效应的作用下，下表面的毛细管对水滴形成一个垂直斜面的拉力F，该力也是使雨滴悬垂的主要原因；

S404、D段轨迹：由于下倾角的存在，水滴在脱离后其运动发生脱离，做抛物运动。

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