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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:绝缘子在保证电力安全运行的过程中发挥着非常重要的作用，他不仅作为导线与铁路机器的绝缘部件，而且是电力安全运作的重要保障之一。因此是输电线路上不可缺少的一部分。但是现在输电线路的电压等级越来越高，所以要求绝缘子相对应的性能也要不断地提高，才能充分地发挥它的作用。现在电力系统面临
4、的威胁有很多种，例如最为重要的是大气污染，这也是导致绝缘子作用被阻断的原因之一，从而致使大面积的停电。我们主要讨论是交流电和直流电对绝缘子的影响。在直流电路中，由于绝缘子周围拥有电场，所以它的周围会有很多不同的颗粒带上电荷。由于同性相斥异性相吸的原理，会使绝缘子的表面吸满大量的污染物。根据研究得出了绝缘子下表面灰密的增加最大 ，原因之一是由于带电的盐密值比不带电的盐密值要大。原因之二是，带电的灰密值比不带电的灰密值要大很多。在交流电路当中根据实验结果的分析，带电的绝缘子形状相对系数比不带电的要大很多。这些系数的增大应该考虑到电压等级增大带来的影响。结果对输电线路的外绝缘配置具有一定的指导意义。
5、关键词：绝缘子；交直流；输电线路；积污特性Study on fouling Characteristics 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
6、the transmission line. As the mechanical support parts and insulation parts of conductor and tower, it playsanimportantroleinthesafeoperationofpowersystem.Withthedevelopment of power network technology, the voltage grade of transmission line is higher and higher, and the performance requirements for
7、 insulators are also higher and 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
8、 product of insulator pollution 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, charg
9、ed insulator salt density value 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 insulat
10、ors will increase in the case of 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 ex
11、ternal insulation of transmission lines.Keywords: insulator, AC/DC, transmission line, pollution characteristics1绪论1.1 研究背景及意义绝缘子作为和导线相关机械支撑的部件与灰密的电气绝缘设备，是不可缺少的电力外绝缘。他是电路系统安全运行的重要保障之一。随着社会的进步电网系统不断地发展提升，对应所使用的电压也在不断的升高。电力设备因绝缘出现故障，从而发生安全事故的情况经常发生。这给电力系统能够有一个安全稳定的运行结果，带来了非常大的影响。不仅影响着国民经济发展，还给居民生活带来了一
12、定的困扰。虽然，我国经济和社会水平在不断地发展提升，已达到了世界上许多国家达不到的地步。但为此也付出了很大的牺牲，由于在新中国成立初期，为了提高中国经济的发展。不断地有煤矿厂，发电厂，化工厂等等也相继建立起来了，与之相对应的是造成了严重污染。由于排放的废气处理不恰当导致大气污染严重。这也是使电力设备绝缘体被废污染的主要原因。在电力系统安全隐患中。经常会出现一种绝缘子表面污秽，由于空气中的湿度大和雨水比较多出现了放电的情况。甚至产生电洛，这是一件极其危险的事情。绝缘子在自然情况下运动比较复杂，他的运动同时受到多种因素的影响。最主要的是交流直流电对她的影响。在直流电场中，根据同性相吸异性相斥的原理
13、，正负电子分别向反方向运动。但在交流的电场中却做往复运动，出现这一情况的原因是由于电场在不断地变化产生的斥力也在不断变化。时间越长堆积物就会越多，当污秽达到一定量之后甚至会引起污闪，发生严重的安全事故。我们所研究的问题是在不同电场对绝缘子产生的影响，并且进一步深度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 国内外研究状况监测绝缘子污秽状况，及时做出调整和处理，是有效防止污闪的一项重要工作
14、。国内外采用不同的电子绝缘体数据来分析相映的污秽情况，目的是为了能够自动全面的连续监督，减少安全事故的发生。从古至今还没有一个确定的说法，关于交流电和直流电对污秽是否有相同的影响，他们的差距在哪里。在国内外都有许多的学者对绝缘子带电和不带电，是否在交流电和直流电中，分别开展了很多的探究。他们测试在各种条件下对绝缘子的影响，例如气候、地理、环境不同而有所不同。差别最大的还是风雨产生的影响。我国输电线路电压等级不断提高，为了避免线路污闪事故，运用更换复合绝缘子与RTV涂料等手段分别对线路进行不同的修改，这一方法大大降低了污闪事故的发生。由于各种材料都存在一定的局限性，比如说容易老化，易受到鸟害，使
15、用的寿命短暂，维修的成本比较高等等。所以现阶段我们所面临的问题是如何合理地配置瓷绝缘子，中分发挥出他们最大的用处，提高它们的使用寿命，这将有利于降低电线路运 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
16、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直流污秽等级划分依据电力系统污区分级与外绝缘选择标准将不同的直流电路被污染的程度划分为四个阶层。A级表示污染很轻，通常情况下出现在人类出行少的地方，包括自然保护区，高耗能企业区，沙漠等等。B级表示污染较轻，这里的人口密度大约在500人到1000人每千米所对应的农业耕种地区，距离大城市大约有5km，离重要交通干线1km左右。C级表示污染一般，如在农业耕作区中相对人口较多或者是村庄。D级表示严重污染，重要聚集在
17、交通发达，靠近海岸或者是沙漠地区，拥有化工和燃油工业的发展地区，或者是在重盐碱地地区一带。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：所有玻璃绝缘子在取样的时候均用取样试纸，擦拭进行取样。但是对于取样的时候有一定的要求，在110kv电压电路上，只取上，中，下个一片玻璃绝缘子采用擦拭进行取样。在靠近高压或低压端均不取样。将被取样的三片玻璃绝缘子上的平均等密值与灰密度作为这条线路的参考。要求对220kv以上的线路,在上，中，下各取两片，同理在高压端或低压端均不取样。将这六片玻璃绝缘子的平均等密值和灰密作为该线路的参考值。这是根据电力系统污染区分级与外绝缘选择标准而做出的
18、规定，所有的玻璃玻璃绝缘子均采用这样的方式进行预测。2.2.1等值盐密的确定在用取样纸擦拭玻璃绝缘子表面的时候，会有一定的污秽没有被完全擦拭到从而造成了损失，为了提高准确度，降低污秽的损失量，所以在搬运和拆卸的时候尽可能的少触碰玻璃绝缘子的表面。但是如果不能当场检测盐密值和灰蜜值，这就需要工作人员将取样纸装入自封袋存放好，并且要求对于不同表面的擦拭纸，需要分开存放。在存放袋上必须标明取样时的电压，电路名称，当时玻璃绝缘子的型号等等各种信息。但对于当场能够测试的玻璃绝缘子的试纸。要求将擦拭完的试纸直接放入装有蒸馏水的烧杯中将其溶解，并且容解这一过程要求水的电阻率必须很低，一般小于1us/cm。即
19、使达不到这样高的要求，也必须将水的电阻率控制在 10us/cm以内。这就要求必须从测试的等盐密度结果中减去水的等盐密值。在测试的时候对烧杯中水的量和玻璃绝缘子的表面积有一定的要求。例如单片普通型盘型玻璃绝缘子所使用的蒸馏水为300ml。其他的可以根据表面积按照一定的比例来增加或减少水的用量。相对面积比较大的时候，就需要按照如下进行选择，在小于等于1500c这时需要选用300ml,大约15002000平方厘米选用400ml，约在20002500c选用500ml，约在25003000方厘米选用600ml，30004000cm2为600ml。在使用的时候必须先用蒸馏水将绝缘子表面润湿，首先将绝缘子存
20、放好，之后一只手拿着洒水器，另一只手将细毛巾刷沿着绝缘子顺时针方向擦拭其表面。再擦拭一遍后，将污水倒入容器中。再用清干净的流水撒在绝缘子上，用相同的方法洗刷。直到将绝缘子表面的污秽全部洗干净。这种洗刷方法对于绝缘子上下表面都试用。在玻璃瓶中用蒸馏水溶解取样的毛巾，并用玻璃棒不断的充分搅拌，溶解的时间大约是在3040分钟。接着用修正导电器测量蒸馏水，在修正之后将绝缘子的表面积和烧杯中所盛水的体积分别输入所得盐密测量值，之后将仪器探头放入到所测量的烧杯中。必须多求几组数据求出平均值，有利于减少误差。在测试完之后，利用以下的公式进行计算。 (2-1)式中: -溶液温度，;一在温度下的体积电导率，S/
21、m;在温度为20下，所对应的体积导电率单位为s/mb-表示温度的参数值，可利用以下公式进行计算，所对应的关系如图所示。(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要是温度在20以下的体积导电率，单位S/m;ESDD-表示等值盐密，单位mg/cm2;V-表示蒸馏水的体积，单位cm3;A- 玻璃绝缘子的绝缘体表面面积，单位cm2。图 1 b值曲线 图 2 和Sa的关系曲线所对应的玻璃绝缘子的都可以用下列公式进行计算：（2-5）其中:ESDD-表示所对应玻璃绝缘子上表面的ESDD，对应的单位mg/cm2;ESDD-
22、表示玻璃绝缘子下表面的ESDD，对应的单位mg/cm2;At-表示玻璃绝缘子上表面的面积，对应的单位cm2;Ab-表示玻璃绝缘子下表面的面积，对应的单位cm2;玻璃绝缘子上下表面总表面积所对应的单位cm2。2.2.2灰密的确定测完后的水还需要过滤，用润湿的滤纸将布氏漏斗底部铺满，并且将抽滤瓶和真空泵连接起来，有利于加快过滤。但有的时候由于误差太多，会导致过滤孔发生堵塞，使抽滤瓶中内压增大。由于抽滤瓶能够承受的最大内压在60MPa以内。为了防止抽滤瓶被撑破，保证能够在安全的条件下进行实验，这就需要更换滤纸。在过滤之后将取样纸和滤纸一起放入烘干机中烘干，然后进行称重，用下列公式计算:(2-6)上面
23、式子中NSDD一表示非溶性沉积物的密度，mg/cm2;Wp-表示在干燥条件下的滤纸和取样巾的重量，这是在过滤之后的重量，g;一在干燥条件下滤纸与取样巾自身的重量(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（1）把所测量的玻璃绝缘子的带电盐密植和不带电盐密值进行相比，求出最大值和最小值，分别为1.548和0.327。将所得的比值数据按照组距为0.1221，分为十个组。针对各个组的上下限值和频数进行对比分析，得出了以下的结果:不带电和带电玻璃绝缘子他们的污秽比值一般都呈现出正态分布，并且所对应的数学期望值一般在0.8293左右。(2)根据实验数据可以发
24、现，对应的带电污秽系数，带电与不带电等玻璃绝缘子表面的盐密度都相对较小，一般在0.01到0.02mg每平方米。但由于特殊的将基杆搭带电运行在玻璃绝缘子上，他的盐密值平均超过了0.04mg每平方厘米。但从总体上来说，带电运行对于玻璃绝缘子上表面的严盐只值影响不是很大，但对于下表面的盐密值却有着增大趋势，所对应的灰密值一般集中在0.20.3mg/cm2。2.3.2污秽不均匀系数污秽不均匀系数，一般表现现为密值不均匀和灰密值不均匀。从实验的数据中可以得出在带电情况下和不带电情况下不均匀系数有所差异。根据盐密分值析得到了，与不带电的情况下相比较，污秽不均匀系数增加到了1.09倍左右。但是根据灰密值分析
25、，在带电情况下污秽不均匀系数增加到了1.35倍左右。得出了结论是，上下表面积差距变大的原因在于，带电情况和不带电情况对玻璃绝缘子污秽积累并不相同。证明出了，污秽更容易积累在带电时的绝缘子下表面。2.4本章小结我们的课题研究直流电路下污秽区域的划分和实验电路划分的情况，得出了盐密值和灰密值相映的测定条件。并且通过玻璃绝缘子的数据分析得到了，直流电路下玻璃绝缘子污秽积累的特点。3交流线路中玻璃绝缘子积分特性分析3.1交流污秽等级划分直流线路和交流线路所对应的污区等级划分不同在于，交流线路划分为由轻到重五个等级。一般都是按照人口密度和环境来作为分级的标准。这是电力系统污区分级和外绝缘选择标准的分类。
26、A级表示很轻，并且植被覆盖较好，几乎没有人类出现的活动地方，在距离其他污染地方大约在50km以上，或者在国家的自然保护区内。B级表示较轻，一般人口的密度在5001000人每平方千米一般是在农业耕作的地方，或者是距离，海岸，沙漠，或者其他污染地方距离大于300010000米。距离大的城市中心一般在15km20km以上，林一些重要的交通主道在0.5km以上。C级表示为中度，一般是人口相对密度在10001万人每平方千米的农业耕作地方，或者是里重要的交通路线距离在0.5km以上。d级表示为重度污染，人口密度一般都是在大约1万人每平方千米以上，并且距离交通中心和沙漠及开阔的干地在3km以内，并且距离燃油
27、等化工厂源比较近。e级表示为重度污染，一般是在沿海1km左右或者是沙漠地区，含盐量大于1%的盐土地上，再者就是距离工业场源比较近的工厂附近。3.2交流积污实验数据分析3.2.1等值盐密在220KV的线路中取了12个塔，通过用XP70玻璃绝缘子作为参照的标准。其他的五种玻璃绝缘子的等盐密度值和灰密值与其比值按照污秽比来进行处理。并且用相映的格拉布斯准则来除去数据中的异常数值。然后用比较相映的平均数和中位数以及看一下上四分数和下四分数来获得相对玻璃绝缘子的污秽数值特点。四分位数作为一种常用的统计方法，它的原理是将数据从小到大依照顺序进行排列出来。位置处于25%地方的称为上四分数，位置在中间的称为中
28、位数，位置处于在75%地方的称为下四分数，这是一种比较全面的分析。让实验的结果更加可靠，必须对这四次自然污秽实验的数据进行下一步的准确分析。第一次测量出的被称之为污秽趋于饱和值。之后在每两个月之后进行取值测量分析出这五种玻璃绝缘子的相对特点。图 3 盐密四分位数对比图由图可以得出，相映的折线按照从上到下的顺序被分为FC70D，CA160，FC160PH，FC70P和，WP2-70,。有第一次实验 FC70P和XWP2-70这两种数据得出，对应的玻璃绝缘子的盐平均密度和四分位数值非常相近，通常在0.1mg每平方厘米。体现了高度相似的污秽特点，并且对应的污秽度要比其他三种低的多。FC160PH 它
29、所对应的四分位数的折线位于这五种玻璃绝缘子的中间，并且它所对应的盐密值也在0.150.2mg每立平方厘米并且所对应的折现图比较平稳这，也体现出了它所对应的平均值和四分位数值没有很大的变化。CA160 和FC70D这两种相对来说污染最为严重。CA160 它所对应的盐密值和四分位值一般都在0.160.47mg每平方厘米左右。FC70D所对应的盐密值和四分位值在0.290.46毫克每平方厘米左右。这两种等密值波动相对来说比较大。根据第一次盐密值的测量结果分析得到了，在这五种玻璃绝缘子当中伞型XWP2-70和钟罩型FC70P最不容易被污染。3.2.2灰密针对于灰密值异常数据剔除分析发现，剔除异常的灰密
30、值之后，NSDD 比值集合被重新定义为新的集合。然后再将所对应的平均值，上四分数值，下四分数值，中位数值进行计算然后对比分析。图 4灰密四分位数对比图由上图可以得出FC70D 与 CA160 所对应的四分位数的折线图都比其它的三种折线图高得多FC70D 灰密值在0.0393.77毫克每平方厘米左右。CA160 相映的灰密值在0.0262.76mg每平方厘米左右。他们的变化范围明显比另外三种玻璃绝缘子变化大的多。FC70P、FC160PH、XWP2-70 三种玻璃绝缘子污染特点比较相似，甚至灰密值都在0.010.53mg每平方厘米左右。平均值和四分位值都比较相似。由NSDD 数据分析得出了，FC
31、70D 和 CA160 这两种是非常容易被污染的。但是，FC70P 的积污程度比 FC70D 和，CA160 要小的多，但比其他剩下的两种污染程度要大的多。FC160PH 和XWP2-70 这两种是最不容易被污染的玻璃绝缘子。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加复杂的流动性。为了使Fluent能够达最好的收敛速度和最好的求解精度，因此运用了多种求解方法和多重网络加速收敛数的方法。到目前来看 ，Fluent软件能够和三维建模软件进行完美的连接，针对于比较复杂的模型可以利用特殊的软件建模。比如
32、CAD 或 Pro/E 建模软件。然后将对应的模型输入到 mesh 网格中。 然后利用Fluent自身所带有的处理数据模型的图表进行处理。4.2 玻璃绝缘子多相流4.2.1 多相流模型简介我们文中所用的气固两相流中。需要把气体当做连续的介质，将固体小颗粒视为唔连续的介质，然后用各自的体积分数来进行相映的描述。推导出各自对应的 守恒方程式，然后将所研究的数据代入方程式进行计算，得出方程组封闭式。我这种方法得出的结论被称之为双流体模型。它所用的连续介质数学描述和处理方法通常用的是欧拉方法。所以又被称之为欧拉欧拉型模型。欧拉欧拉型模型将不同数学模型当成互相穿插的一体连续型。要求对应的体积不能被其他物
33、体所代替。所以在此我们引入了相体积分数的概念。半相体积分数要求在空间和时间上是连续的函数。并且需要在同一空间和同一时间所对应的相体积分数和等于一。 4.2.2 湍流模型流体流动的时候，如果相对流体质点所对应的相对轨迹，是一个光滑的曲线。就把他定义成为层流。相反，如果没有这种对应的流动性规律进行的流动又被称之为湍流。相对流行会随着Re增大而减小。所以对流就占据了主要的位置。当流速过小的时候，流体就会分层进行流动，分为不同的层状，并不会相互混合。当流动的速度加快的时候，所对应的流体所产生的流线开始呈现波浪状的流动。并且流动的频率和振幅也会随着流动速度的增加而加快。这被称之为过度流。当流动的速度继续
34、加快的时候，相映的流线就会交叉在一起。在流场中形成一个很小的漩涡，这会破坏流线原来所拥有的流动规律。将导致不同流动层之间会有混合滑动的现象。这将导致流动体进行不规律运动，垂直流管轴的流动就会产生，这被称之为变态的湍流或者是紊乱流。因为玻璃绝缘子拥有复杂的外形，当空气吹到他的时候，就会产生空气流漩涡或者回流。这将使他从之前的流程变为湍流，从图中也可以得出，玻璃绝缘子上面因为形状的变化，会造成空气混合在一起，产生回流及漩涡，不像其上面有规律的变化。图 5 速度矢量图 图 6 局部放大图在对应的雷诺平均中，瞬态方程N-S要求将变量分成常量和君常量两种形态。如下所示：(4-1)式中：和分别作为时均速度和波动分量。将这种表达式代入道连续性方程和动量方程中，并取出一段时间的平均值，可以改写成以下这种形式(4-2)(4-3)上面这两个方程，被称作为雷诺平均方程。他与瞬态雷诺方程拥有相同的表达方式，但是对于速度和其他需求解的量中被定为平均值额外多出的为雷诺应力，表示湍流的影响。