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1、毕业设计（论文） 题 目：强电场下玻璃绝缘材料积污特性研究学生姓名：学 号：所在学院：专业班级：届 别：2021届指导教师：皖西学院本科毕业设计（论文）创作诚信承诺书1.本人郑重承诺：所提交的毕业设计（论文），题目强电场下玻璃绝缘材料积污特性研究是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容； 2.毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已标注说明来源； 3. 毕业设计（论文）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况； 4.本人已被告知并清楚：学校对毕业设计（论文）中的抄袭
2、、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果； 5.若在省教育厅、学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学校按有关规定给予的处理，并承担相应责任。 学生（签名）： 日期： 年 月 目 录1绪论31.1 研究背景及意义31.2 国内外研究状况31.3 本文研究内容42直流线路中玻璃绝缘子积分特性分析42.1直流污秽等级划分42.2实验步骤42.3数据分析82.4本章小结83交流线路中玻璃绝缘子积分特性分析83.
3、1交流污秽等级划分83.2交流积污实验数据分析94玻璃绝缘子外流场数值仿真114.1Fluent 软件简介114.2 玻璃绝缘子多相流114.3 玻璃绝缘子积污模型的建立124.4 仿真结果分析154.5 本章小结195 小结19参考文献：21皖西学院2017届本科毕业论文强电场下玻璃绝缘材料积污特性研究学生：（指导老师：）（电气与光电工程学院）摘 要：绝缘子是输电线路上重要的电力设备之一，作为导线与铁塔的机械支撑部件及绝缘部件，在电力系统安全运行中发挥着重要的作用。随着电网技术的发展，输电线路电压等级越来越高，对于绝缘子的性能要求也越来越高。目前，环境问题不容乐观，大气污染及自然灾害等问题严
4、重威胁电力设备的安全运行，而绝缘子的污闪是造成大面积停电的原因之一。本文研究了交流和直流线路上绝缘子的积污特性，直流线路中，带电情况下绝缘子受周围电场的作用，会使周围污秽颗粒带上电荷，从而吸附在绝缘子表面，而使绝缘子的积污增加，带电绝缘子的盐密值和灰密值比不带电绝缘子的盐密值和灰密值要大，其中绝缘子下表面灰密增加最大；交流线路中，带电情况下绝缘子的形状积污系数和污秽不均匀系数会比不带电情况下增大，根据分析结果，标准中对于形状积污系数的标定应考虑添加电压等级等因素。结果对输电线路的外绝缘配置具有一定的指导意义。关键词：绝缘子；交直流；输电线路；积污特性Study on fouling Chara
5、cteristics of Glass Insulating Materials under Strong Electric FieldStudent: Tang Mengqiang (Instructor: Hu Changbao)(School of electrical and photoelectrical engineering, West Anhui University)Abstract: Insulator is one of the important power equipment on the transmission line. As the mechanical su
6、pport parts and insulation parts of conductor and tower, it plays an important role in the safe operation of power system.With the development of power network technology, the voltage grade of transmission line is higher and higher, and the performance requirements for insulators are also higher and
7、 higher.At present, environmental problems are not optimistic. Air pollution and natural disasters pose a serious threat to the safe operation of power equipment, and insulator pollution flashover is one of the causes of large-scale power failure.This paper studies the product of insulator pollution
8、 characteristics of the ac and dc lines, dc lines, insulator by the effect of electric field around the charged case, will make the impurity particles carry electric charge, and adsorption on the insulator surface, and increase the product of insulator pollution, charged insulator salt density value
9、 and ash dense than not charged insulator salt density value and gray value is larger,Among them, the ash density on the lower surface of the insulator increases the most;In AC lines, the shape fouling coefficient and the pollution non-uniformity coefficient of insulators will increase in the case o
10、f charged than in the case of uncharged. According to the analysis results, the calibration of shape fouling coefficient in the standard should consider the factors such as adding voltage grade.The results have a certain guiding significance for the configuration of external insulation of transmissi
11、on lines.Keywords: insulator, AC/DC, transmission line, pollution characteristics1绪论1.1 研究背景及意义绝缘子是重要的电力外绝缘设备之一，作为导线的机械支撑部件以及电气绝缘设备，是电力系统安全稳定运行的重要保障。随着电网技术的发展，运行电压等级的提高，电力设备外绝缘污闪事故仍时常发生，给电力系统安全稳定运行带来了极大的隐患，影响国民经济的发展以及居民的生活。我国经济和社会生活水平发展快速，大气污染日益严重，煤矿、发电厂、冶炼厂、化工厂等严重的煤烟污秽，建筑、道路等沙尘污秽，沿海高盐密污秽是电力设备外绝缘的主要
12、污染源。绝缘子表面污秽在空气湿度大或雨水的浸湿下发生表面放电，甚至完全贯穿发生闪络，这也是电力系统运行的安全隐患之一。绝缘子的自然积污是一个复杂的动态过程，会受到很多因素的影响，如交流直流的影响，污秽颗粒在直流场中会朝着一个方向运动，带负电的粒子朝着正极运动，带正电的粒子朝着负极运动，而在交流场中，由于电场极性交替变换，粒子在场中会受到方向连续变换的电场力，而往复运动。随着时间的增加，积污达到一定条件后会引起污闪，造成线路安全事故。本课题通过研究电场对绝缘子的积污特性的影响，深入分析电场强度对玻璃绝缘材料表面积污特性的影响，研究交流电场和直流电场对积污有何影响，对实验结果进行对比分析，进行两者
13、间的比较。如果能通过合理配置瓷绝缘子以避免污闪事故,充分发挥玻璃、瓷绝缘子的寿命优势，将大大降低输电线路运维的人力成本及经济成本。1.2 国内外研究状况绝缘子的污闪问题会对电力系统的安全运行造成严重威胁，因而监测绝缘子的积污状况是防污闪工作的一项重要内容。为对绝缘子的积污状况进行自动连续监测，国内外有关部门利用不带电绝缘子的积污数据来评价绝缘子的积污状况。众所周知，带电、不带电绝缘子的积污状况是有差别的，但是电场力对绝缘子积污究竟有多大影响，交流电压和直流电压对积污影响是否有差别，有多大差别，直流电压的极性是否对积污有影响，这些问题至今没有明确说法。国内外学者对交直流绝缘子带电、不带电时的积污
14、差别进行了大量的研究，由于试验环境、气候条件、地理条件的差异，特别是风、雨自清洗效果的明显不同，导致研究结果的差别很大。我国输电线路电压等级不断提高，为了避免线路污闪事故，对污闪频发的部分输电线路采用 了更换复合绝缘子或涂 RTV涂料等手段，污闪事故的威胁大幅度降低。但复合材料存在老化、鸟害 等问题，其运行寿命有限，运维成本高，如果能通过合理配置瓷绝缘子以避免污闪事故,充分发挥玻 璃、瓷绝缘子的寿命优势，将大大降低输电线路运 维的人力成本及经济成本。绝缘材料表面的污秽积累是污闪事故的前提之一，研究绝缘子表面的积污特性能为外绝缘配置和运维提供重要参考。1.3 本文研究内容本文研究了交流和直流线路
15、上绝缘子的积污特性，直流线路中，带电情况下绝缘子受周围电场的作用，会使周围污秽颗粒带上电荷，从而吸附在绝缘子表面，而使绝缘子的积污增加，带电绝缘子的盐密值和灰密值比不带电绝缘子的盐密值和灰密值要大，其中绝缘子下表面灰密增加最大；交流线路中，带电情况下绝缘子的形状积污系数和污秽不均匀系数会比不带电情况下增大，根据分析结果，标准中对于形状积污系数的标定应考虑添加电压等级等因素。结果对输电线路的外绝缘配置具有一定的指导意义。2直流线路中玻璃绝缘子积分特性分析2.1直流污秽等级划分根据电力系统污区分级与外绝缘选择标准将直流线路所在现场污秽度从非常轻到重分为4个等级，A级为非常轻，一般为人类很少活动及自
16、然保护区，距海岸、沙漠、高耗能企业群、山区或开阔干地50km；B级为轻,在人口密度为5001000人/km2的农业耕作区或距离大中城市15km以外，重要交通干线沿线(含航道)1km内；C级为中，在人口密度100010000人/km2的农业耕作区或者紧邻村庄的地区；D为重，在重要的交通枢纽附近，距海、沙漠或开阔干地5km内;距独立化工及燃煤工业源1km内；地方工业密集区及重要交通干线0.2km重盐碱地区。2.2实验步骤玻璃绝缘子积污数据的采集有着严格的步骤，具体的测量步骤为：所有玻璃绝缘子均采用取样巾擦拭擦拭，对于110kV电压等级的线路，上、中、下各取一片玻璃绝缘子进行擦拭，靠近高压端以及低压
17、端的第一片玻璃绝缘子不取，将3片玻璃绝缘子的平均等值盐密和灰密作为该串玻璃绝缘子的等值盐密和灰密。对于220kV及以上电压等级的线路，上、 中、下部各取两片玻璃绝缘子进行擦拭，靠近高压端以及低压端的第一片玻璃绝缘子不取，将6片玻璃绝缘子的平均等值盐密和灰密作为该串的等值盐密和灰密。根据电力系统污区分级与外绝缘选择标准规定，所有玻璃绝缘子均采用取样擦拭，对于110kV电压等级的线路，上、中、下各取一片玻璃绝缘子进行擦拭，靠近高压端以及低压端的第一片玻璃绝缘子不取，将3片玻璃绝缘子的平均等值盐密和灰密作为该串玻璃绝缘子的等值盐密和灰密。对于220kV及以上电压等级的线路，上、中、下部各取两片玻璃绝
18、缘子进行擦拭，靠近高压端以及低压端的第一片玻璃绝缘子不取， 将6片玻璃绝缘子的平均等值盐密和灰密作为该串的等值盐密和灰密。2.2.1等值盐密的确定擦拭玻璃绝缘子表面时，不可避免有污秽的损失，为了减少污秽的损失，在搬运和拆卸玻璃绝缘子时尽量少碰触玻璃绝缘子表面，对于擦拭完不能够当场测量盐密和灰密的试样，待擦拭完毕后，将取样巾装入密封袋中，上 下表面区别封装，并在封装袋上写明电压等级、线路名称、玻璃绝缘子型号、第几片玻璃绝缘子、上下表面等重要信息。对于可以现场测量盐密和灰密时，将擦拭完的取样巾直接放入盛有蒸馏水(去离子水)的烧杯中溶解，水的电导率要足够低，一般都要求小于1 uS/cm。对于蒸馏水(
19、去离子水)的电导率达不到1 uS/cm的要求时，也要小于10 uS/cm，但要从测试结果中的等值盐密中减去水的等值盐密。烧杯中的水量和玻璃绝缘子的表面积有关系:对于单片普通型盘形玻璃绝缘子所用蒸馏水为300ml。其它玻璃绝缘子与普通盘形玻璃绝缘子表面积不同时，可依其表面积按比例适当增减用水量。面积增大时，用水量按如下标准选择:1500cm2 为300ml， 15002000cm2为400ml， 2000 2500cm2为500ml, 25003000cm2为600ml, 30004000cm2为600ml。用蒸馏水将绝缘子上表面撒湿润。把绝缘子放置好，一手拿撒水器，一手拿细毛刷依顺时针方向擦拭
20、绝缘子下表面。上的污秽。擦拭一遍后，将污秽水倒入容器内。再用清洁的蒸馏水撒在绝缘子上表面上，依同样的方法进行擦拭。直至，将绝缘子上表面上的污秽擦拭干净。相同的方法将绝缘子下表面上的污秽擦拭干净将取样巾溶于装有蒸馏水的烧杯后，用玻璃棒充分搅拌，一般 3040min 即可，然后测量蒸馏水以修正电导率，修正后在直读式盐密测量仪上将玻璃绝缘子的表面积和烧杯中水的体积输入，将仪器的测量探头放入烧杯中，多测量几个数值求取平均值，同一取样巾测量误差过大的话需要重新搅拌一下溶液，等可溶物完全溶解再测量，最后记录数据，计算过程如下：按照公式（2-1）修正电导率 (2-1)式中: -溶液温度，;一在温度下的体积电
21、导率，S/m;-在温度20下的体积电导率，S/m;b- 取决于温度的因数，可按公式(2-2) 计算，其关系曲线见图1。(2-2)玻璃绝缘子表面等值盐密按公式 （2-3） 和 （2-4） 计算，和 Sa 的关系见图 2。（2-3）（2-4）式中: Sa一在温度20C下的体积电导率，S/m;ESDD-等值盐密，mg/cm2;V-蒸馏水的体积，cm3;A- 玻璃绝缘子的绝缘体表面面积，cm2。图 1 b值曲线 图 2 和 Sa 的关系曲线整片玻璃绝缘子的盐密均值可通过下式计算得到：（2-5）式中: ESDD-玻璃绝缘子.上表面的ESDD，mg/cm2;ESDD。-玻璃绝缘子下表面的ESDD，mg/c
22、m2;At-玻璃绝缘子上表面的面积，cm2;Ab-玻璃绝缘子下表面的面积，cm2;玻璃绝缘子.上下表面总表面积，cm2。2.2.2灰密的确定将测完盐密后的水进行过滤，用湿润的滤纸铺满布氏漏斗的底端，抽滤瓶与真空泵进行连接，加速污秽的过滤。当污秽过多时，滤纸的滤孔会发生堵塞，从而使抽滤瓶内压强急剧增大，抽滤瓶可承受的最大压强为60MPa,这时需要更换滤纸，继续过滤，过滤后将取样巾与滤纸- -同放入烘箱烘干，然后用天平称重，根据公式(2-6)进行计算:(2-6)式中: NSDD一非溶性沉积物密度，mg/cm2;Wp-在干燥条件下滤纸与取样巾的重量(过滤后)，g;一在干燥条件下滤纸与取样巾自身的重量
23、(过滤前)，g;一 玻璃绝缘子上(下)表面面积，cm2。2.3数据分析2.3.1正态性检测将所测玻璃绝缘子的不带电盐密值与带电盐密值的数值做比值，求得最大值为1.548，最小值为0.327，将比值数据等距分为10组，组距为0.1221，将各组的分布频率。各组的上下限值以及频数进行对比，得出结论为：不带电与带电玻璃绝缘子的积污比值的分布函数呈正要分布，比值的数学期望值为0.8293。2)带电积污系数。从实验数据中可以发现带电与不带电XP-70玻璃绝缘子上表面盐密都比较小，基本都在0.01002mg/cm2之间，有一基杆塔的带电运行玻璃绝缘子上表面盐密均值超过了0.04mg/cm2；总体来看，带电
24、运行对玻璃绝缘子的上表面盐密影响不大，但带电运行使玻璃绝缘子的下表面盐密和灰密呈增大趋势,灰密值集中在0.2 0.3mg/cm2。2.3.2污秽不均匀系数污秽不均匀系数分为盐密不均匀系数与灰密不均匀系数，是表征玻璃绝缘子上下表面积污不均匀的参数。从实验数据可看出带电情况下玻璃绝缘子的污秽不均匀系数较不带电有所不同，对盐密分析得到，污秽不均匀系数较不带电情况下增加了1.09倍，对灰密分析得到，带电运行玻璃绝缘子的污秽不均匀系数增加了1.35倍，即带电情况下玻璃绝缘子下表面灰密和盐密的积累速度超过上表面灰密和盐密的积累速度，使上下表面积污差距变大，说明带电情况下污秽更容易沉积在玻璃绝缘子的下表面。
25、2.4本章小结本章介绍了直流线路的污区等级划分和实验线路概况，给出了盐密和灰密的测量流程，通过对 XP-70 玻璃绝缘子数据的分析，总结了直流线路玻璃绝缘子的积污特性。3交流线路中玻璃绝缘子积分特性分析3.1交流污秽等级划分根据电力系统污区分级与外绝缘选择标准，与直流线路有所不同的是交流线路的污区等级为非常轻到非常重5个等级，主要分级标准为人口密度及周围环境。a级为非常轻，几乎无人类活动，植被覆盖好，且:距海岸、沙漠以及其它污染源50km或国家级自然保护区; b级为轻，人口密度500-1000人km2的农业耕作区，且距海、沙漠或开阔干地 10km50km，距大中城市15km50km，重要交通干
26、线沿线1km内; c级为中，人口密度1000-10000人/km2的农业耕作区，且距海、 沙漠或开阔干地 3km 10km;距大中城市15km20km;重要交通干线沿线0.5km及-一般交通线0.1km内; d级为重，人口密度大于10000人/kms 的居民区和交通枢纽，距海、沙漠或开阔干地3km内，距独立化工及燃煤工业源0.5-2km内，距地方工业密集区及重要交通干线0.2km; e 级为非常重，沿海1km和含盐量大于1.0%的盐土、沙漠地区，在化工、燃煤工业源区内及距此类独立工业源0.5km。3.2交流积污实验数据分析3.2.1等值盐密在220kV的某线选取了12基杆塔，将XP-70玻璃绝
27、缘子作为参照玻璃绝缘子，用其它5种玻璃绝缘子的等值盐密、灰密与XP-70玻璃绝缘子的等值盐密、灰密的比值作为积污比来进行归一化处理。用格拉布斯准则剔除数据中的异常值后，通过对比平均数、中位数、上四分数和下四分数来获得玻璃绝缘子的积污特性。四分位数作为一种统计方法，将所有数据进行从小到大的顺序排列，处于 25%处的称为上四分数，处于中间位置的为中位数，处于 75%位置的称为下四分数，可较为全面的分析数据。为使实验的结果更为准确，对 4 次自然积污实验的数据进行了分析，第一次测量时玻璃绝缘子积污趋于饱和，后面每隔两个月各取一次积污数据进行测量来全面分析 5 种玻璃绝缘子的积污特性。图 3 盐密四分
28、位数对比图从上图可以看出，折线从上往下依次为FC70D、CA160、 FC160PH、FC70P和XWP2-70,在第一 次实验中FC70P和XWP2-70这两种玻璃绝缘子盐密的平均值以及四分位数相差不大，稳定在0.1mg/cm2以下，表现出了相似的积污特性，且积污程度要轻于另外3种玻璃绝缘子: FC160PH 的四分位数折线处于5种玻璃绝缘子的中间，盐密值在0.150.2mg/cm2之间，折线较为平滑，平均值和四分位数无较大变化；CA160 和FC70D这两种玻璃绝缘子表面积污最严重，CA160 盐密的平均值和四分位数在0.160.47mg/cm2之间，FC70D盐密的平均值和四分位数在0.
29、290.46mg/cm2之间，两种玻璃绝缘子等值盐密波动较大。从第一次盐密的测量结果分析得知:这5种玻璃绝缘子双伞型XWP2-70玻璃绝缘子和钟罩型FC70P最不容易积污。3.2.2灰密对灰密进行异常数据剔除的过程中发现集合中各有一个数值为异常值，将剔除过异常值后的 NSDD 比值集合重新定义为新的集合。同时求得集合的平均值、中位数、上四分数以及下四分数进行比较。图 4 灰密四分位数对比图从图 4 中看出 FC70D 与 CA160 的四分位数折线图要高于其它 3 种玻璃绝缘子，CA160 的灰密在 0.0262.76mg/cm2 之间，FC70D 的灰密在 0.0393.77mg/cm2 之
30、间，且波动范围明显大于另外 3 种玻璃绝缘子，FC70P、FC160PH、XWP2-70 这三种型号的玻璃绝缘子积污特性较为接近，灰密在 0.010.53mg/cm2 之间，平均值和四分位数较为接近。根据 NSDD 数值对比分析后得出，FC70D 和 CA160 两种玻璃绝缘子比较容易积污，FC70P 的积污程度比 FC70D 和 CA160 小，比其余两种积污程度要大，FC160PH 和XWP2-70 玻璃绝缘子最不容易积污。4玻璃绝缘子外流场数值仿真4.1Fluent 软件简介Fluent 软件是目前国内外比较流行的软件之一，可用来模拟玻璃绝缘子的气固两相流及更为复杂的流动。由于采用了多种
31、求解方法和多重网格加速收敛技术，因而 Fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度。目前，Fluent 软件可与三维建模软件完美对接，对于形状复杂的模型可使用 CAD 或 Pro/E 等专业建模软件建模，然后将模型导入 mesh 中划分网格，在 Fluent 软件中设置边界条件，选择合适的求解器对模型进行求解，最后在 Fluent 自带的后处理模块中进行图表的处理。4.2 玻璃绝缘子多相流4.2.1 多相流模型简介在本节所用到的气固两相流中，把气体看成连续介质，把固体颗粒看为非连续介质，用各自的体积分数进行分布描述，导出各相的守恒方程并引入本构关系使方程组封闭，称为双流体模型。其中对连续介质的数
32、学描述及处理方法采用欧拉方法，因此属于欧拉-欧拉型模型。欧拉-欧拉模型中，不同相在数学上被看作互相穿插的连续统一体，一相的体积不能被其它相占据,因此引入相体积分数(phase volume fraction)的概念。相体积分数是空间和时间的连续函数，且在同一空间位置同一时间各相体积分数之和为 1。 4.2.2 湍流模型流体流动时，若流体质点的轨迹是有规则的光滑曲线，将之定义为层流，反之，没有这种流动规律的流动将之称为湍流。Re大的时候，粘性项相对于对流项就会小，即对流相占据主导地位。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，为层流状态；随着流速的增加，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振
33、幅随流速的增加而增加，此时流况为过渡流；当流速继续增加，流线摆动交叉在一起，在流场中形成小漩涡，破坏了流线有规律的流动，相邻流层间有滑动，有混合，这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，此时流体的状态变为湍流或称为紊流。当空气流吹向玻璃绝缘子时，由于玻璃绝缘子形状复杂，棱槽明显，造成空气流形成漩涡及回流，从之前的层流变为湍流，从图 5 和 6 中也可看出在玻璃绝缘子周围的流动为有规则的层流，在靠近玻璃绝缘子处以及玻璃绝缘子伞裙的下方，由于形状突变，造成空气流混合在一起，形成了回流及漩涡。图 5 速度矢量图 图 6 局部放大图在雷诺平均中，在瞬态 N-S 方程中要求的变量已经分
34、解位时均常量和变量。以速度为例：(4-1)式中：和为时均速度和波动分量。用这种形式的表达式把流动的变量放入连续性方程和动量方程并且取一段一段时间的平均，这样可以写成一下的形式(4-2)(4-3)以上两个方程称为雷诺平均 Navier-Stokes方程。它和瞬态雷诺方程有着相同的形式，只是速度或其它需要求解的量成为了时间平均量。额外多出的为雷诺应力，表示湍流的影响。4.3 玻璃绝缘子积污模型的建立4.3.1 模型建立玻璃绝缘子流体仿真结果与模型的精确性及网格的划分质量密切相连，因玻璃绝缘子结构较为复杂，在伞裙的边缘存在大变形，为了准确的建立典型玻璃绝缘子的三维模型，本文选择在建模能力更强的 Pr
35、o/E 中完成玻璃绝缘子的建模，然后将模型导入 mesh 模块进行网格划分，最后利用 Fluent 完成玻璃绝缘子的流体仿真分析。下图为 XWP2-100/160玻璃绝缘子的三维模型图。玻璃绝缘子参数如表 1 所示，三维模型结构图如图 7 所示。表 1 玻璃绝缘子参数表型号公称直径公称高度表面积/cm2爬电距离/mmXWP2-100/1603001602496450图 7 玻璃绝缘子三维图在进行风洞仿真实验时，因为计算机的处理能力有限，所以风洞的计算域要设置边界，不能够完全真实的模拟玻璃绝缘子安装在线路上的周围气流情况，综合计算量以及风洞边界效应的影响，将计算域取为长 3 米，宽 2 米，高
36、2 米的计算域，在计算过程中发现，这样既减少了计算量又使得边界效应的影响大大减少。4.3.2 网格划分划分网格的过程就是对计算域离散的过程，将计算域离散为数个无限小的区域，网格划分质量的好坏直接决定了仿真结果的准确性。而对于玻璃绝缘子这种形状复杂的结构，网格划分尤为重要，非常容易造成在形状突变处网格划分失败，达不到预期的效果，而过于密集的网格又会在计算时过于消耗计算机的内存，导致计算过慢，在内存、准确性、时间成本的衡量下，选择合适的网格数量则显得尤为重要。本文在上述约束条件的基础上，对网格的最大尺寸和最小尺寸进行了约束，从尺寸上对网格数量进行了控制。为减少出口处尾流效应对于玻璃绝缘子的影响，将
37、玻璃绝缘子放在靠近风洞的入口处，这样更加接近大气中流体的状态。在划分网格时选择了从远到近由疏变密的方式，也就是在风洞中远离玻璃绝缘子的地方网格稀疏，接近玻璃绝缘子处的网格密集，这样得到的玻璃绝缘子的面压强以及体积分数也就会越准确。最终玻璃绝缘子的网格划分数量为 100 万左右，网格局部图如图 8 所示图 8 XWP2-100/160 近壁区域网格图4.3.3 边界条件和初始条件的确定将网格划分完之后生成的 mesh 文件导入 Fluent 软件中进行边界条件的设定，对计算域设置速度入口、壁面、自由出口等参数。本文将计算域的左面设置为速度入口，右面设置为自由出口，其余四个面设置为壁面，对应的边界
38、类型分别为：velocityinlet、out flow、wall，选取计算模型为欧拉-欧拉模型，选择双方程 RNG模型模拟连续相，在选择颗粒物时，定义 propane 为颗粒物，对于颗粒物直径的设置则是参照大气中颗粒物直径分析结果，一般将颗粒直径在 1um 以下的定义为细颗粒，直径在 1100 um之间定义为粗颗粒，而其中细颗粒主要为少量的金属元素和大量的硫酸与硝酸的盐类物质，粗颗粒的来源主要为工厂排放物和扬尘等，成分主要为Ca CO3、Na Cl 以及空气浮尘。将空气相设置为第一相，颗粒相设置为第二相，将污秽颗粒等效为球形，颗粒体积分数阈值设置为 0.63，颗粒与玻璃绝缘子表面的碰撞恢复系
39、数设置为 0.9，重力加速度沿着玻璃绝缘子的轴线向下为 9.81m/s2，控制方程为 PhaseCoupled SIMPLE 耦合方程，计算过程中对各相的速度以及残差进行监视，判定其是否收敛。图 9 风洞计算模型4.4 仿真结果分析风速会影响玻璃绝缘子周围的流场，流场对于颗粒的运动轨迹影响很大，而玻璃绝缘子伞裙边缘又属于形状变化极大的区域，周围流场会有较大的变化，为了探究玻璃绝缘子周围流场的特性，对不同风速下玻璃绝缘子表面的压强分布、湍流能量及玻璃绝缘子表面污秽体积分数进行了分析。4.4.1 压强分析空气携带颗粒吹向玻璃绝缘子时，风速越大，空气中颗粒物所携带的能量越大.当风速增大时，空气流对玻
40、璃绝缘子表面的静压强会增大，颗粒物与玻璃绝缘子碰撞的机率也会增加，若静压值低，颗粒物容易绕过玻璃绝缘子，而减少吸附在玻璃绝缘子表面的概率。所以研究玻璃绝缘子的静压分布规律对于玻璃绝缘子的积污是有一定意义的。图 10 为双伞型玻璃绝缘子静压分布图，左侧图片为玻璃绝缘子迎风面的静压图，右侧为玻璃绝缘子背风侧的静压图。从图中可以看出随着风速的增加，玻璃绝缘子迎风面由于对于空气流有阻滞作用，空气流在玻璃绝缘子表面产生的静压强呈现增大的趋势，在玻璃绝缘子的侧面出现了负压值，这是由于空气流对于玻璃绝缘子相对速度较大，产生了负压区；同时背风压也呈现增大的趋势，且迎风面处玻璃绝缘子杆径和下伞裙静压分布较为均匀
41、。从 ZX 平面静压图中可以看出，对于双伞型玻璃绝缘子，由于伞裙和杆径对风的遮挡，静压强在此处明显大于其它处，在一定范围内形成了湍流，空气流与玻璃绝缘子壁面的碰撞机率会增加。背风面处玻璃绝缘子杆径和下伞裙静压分布均匀性较迎风面要差一些，且杆径处静压略高于伞裙表面。在玻璃绝缘子的侧面，为静压最小的地方，污秽颗粒与玻璃绝缘子碰撞机率较小，所以积污也较少.(a) 1m/s (b) 3m/s(b) 5m/s (d) 7m/s （e）10m/s (f) ZX平面静压图图 10 玻璃绝缘子静压图4.4.2 湍流动能分析湍流动能是微气学中的一个变量，是湍流强度的度量，湍流动能决定了空气流维持湍流或者发展成湍
42、流的能力。图 11 为 ZX 平面湍流动能图，从图中可以看出，湍流动能呈现规律较为明显的分层现象，从远离玻璃绝缘子的地方与玻璃绝缘子表面之间形成了大致 5 种颜色变化，且湍流动能图沿 Y 平面表现出大致对称的形状，颜色越接近红色湍流动能越大，结合前面的速度矢量图和静压分布图发现，在空气流形成湍流以及静压强较大的地方湍流动能较大，湍流动能最大值出现在迎风面下伞裙与杆径之间的空隙以及玻璃绝缘子最下端的伞裙处。在图 11 中可以看出随着空气流速的增加，玻璃绝缘子各处湍流动能的值也随之增加，且在玻璃绝缘子的背风侧湍流区的范围逐渐扩大，说明空气流速的增加使得颗粒和空气在绕过玻璃绝缘子后，依然不能保持层流
43、的状态，且湍流区域进一步扩大。在湍流动能较大的区域同时污秽颗粒耗散的能量也大，使得最开始空气流所携带的能量耗散掉，污秽颗粒与玻璃绝缘子表面发生碰撞而沉积在玻璃绝缘子表面，形成表面污秽。而玻璃绝缘子下伞裙同样由于湍流与漩涡的存在，使得污秽颗粒沉积，且不易被雨水冲刷，所以玻璃绝缘子下表面积污较上表面严重。 （a）1m/s (b) 3m/s (c) 5m/s (d) 7m/s图 11 湍流动能图4.4.3 污秽体积分数分析通过上述静压强分析和湍流动能的分析，对玻璃绝缘子表面的压强大小和玻璃绝缘子周围湍流动能进行了分析，得到了污秽颗粒在空气流的携带下容易沉积的部位。现利用 Fluent 软件中气固两相
44、流做了空气携带污秽颗粒的数值模拟，将颗粒直径分别设置为 10um、30um 、50um 和 70um，颗粒相与空气相均匀混合，在恒定风速下水平吹向玻璃绝缘子表面。将玻璃绝缘子表面的污秽体积分数作为表征玻璃绝缘子积污特征量的标准，可以直观的反映污秽颗粒玻璃绝缘子表面的积污状况。(a) 10um (b) 30um (c) 50um (d) 70um图 12 玻璃绝缘子污秽体积分数在图 12 中可以看出随着污秽颗粒直径的增大，玻璃绝缘子表面的污秽体积分数也随之增大，在颗粒直径为 10um时，玻璃绝缘子表面污秽集中在迎风面的杆径、伞裙上表面的外边缘和伞裙下表面处，且玻璃绝缘子表面积污不均匀；在颗粒直径
45、逐渐增加的过程中，玻璃绝缘子表面的污秽体积分数增大的同时分布也逐渐均匀，当颗粒直径增加到70um时，玻璃绝缘子整体积污最为严重，迎风面的伞裙及杆径布满污秽，和自然积污实验中玻璃绝缘子的积污状况大致相同，随着积污时间的增加，最后玻璃绝缘子各部位（迎风面、背风面、杆径）都会布满污秽。4.5 本章小结本章首先在 Pro/E 中对双伞型玻璃绝缘子进行了三维建模，然后将模型导入 Fluent中进行了参数设定，最后对仿真结果进行了分析，内容如下：1、随着风速的增加，玻璃绝缘子迎风面由于对于空气流有阻滞作用，空气流在玻璃绝缘子表面产生的静压强呈现增大的趋势，在玻璃绝缘子的侧面出现了负压值，这是由于空气流对于
46、玻璃绝缘子相对速度较大，产生了负压区；同时背风压也呈现增大的趋势，且迎风面处玻璃绝缘子杆径和下伞裙静压分布较为均匀。2、湍流动能在 ZX 平面中呈现明显的分层现象，且沿 Y 轴几乎对称，在玻璃绝缘子的伞裙下表面及沟槽处湍流动能值为最大。玻璃绝缘子表面的污秽体积分数随粒径的变化而变化，污秽主要分布在玻璃绝缘子的迎风面，随着粒径的逐渐增大，玻璃绝缘子表面的污秽逐渐增加，且趋于均匀分布。5 小结绝缘作用，而玻璃绝缘子的积污特性又与其作用密切相关。本文采用现场实验与流体仿真相结合的方法，从不同的角度来研究玻璃绝缘子的积污特性。现场实验侧重于分析交直流和玻璃绝缘子种类对玻璃绝缘子积污的影响，仿真侧重于从
47、风速、压强、湍流动能和污秽体积分数来分析玻璃绝缘子积污的影响因素。结论如下：1、直流线路中，带电情况下玻璃绝缘子受周围电场的作用，会使周围污秽颗粒带上电荷，从而吸附在玻璃绝缘子表面，而使玻璃绝缘子的积污增加。带电情况下 XP-70 玻璃绝缘子上表面盐密增大 1.41 倍，下表面盐密增大 1.42 倍，玻璃绝缘子上表面灰密增大 1.13 倍，下表面灰密增大 1.35 倍。以 XP-70 玻璃绝缘子来计算，带电运行玻璃绝缘子的片均盐密增大1.42 倍，即带电积污系数可取值为 1.42，片均灰密要增大 1.24 倍左右。带电玻璃绝缘子的盐密值和灰密值比不带电玻璃绝缘子的盐密值和灰密值要大，其中玻璃绝缘子下表面灰密增加最大，分