过冷水滴撞击复合绝缘子表面的数值模拟

为合理设计和选择适用于覆冰地区复合绝缘子伞型结构,建立了求解覆冰气象下复合绝缘子外部三维两相粘性不可压缩湍流流场的基本控制方程组,得到覆冰过程中复合绝缘子外的水滴运动轨迹,分析了复合绝缘子的水滴碰撞系数等撞击特性和气体来流速度v、水滴平均有效直径MVD、绝缘子伞裙倾角和伞裙直径等对水滴撞击复合绝缘子特性的影响。结果表明:伞裙的水滴碰撞系数E随v或MVD的增大而增大,上倾角α=7～9°、下倾角β=0的伞裙和伞径为130～145mm的伞裙水滴E最小。根据计算结果,提出了应用于覆冰地区的复合绝缘子伞裙结构:大中小伞交错排列,大中伞间由两个小伞排列组成,α取5～9°,β取0,中伞伞径取130mm。     

复合绝缘子表面水滴撞击特性的数值模拟与伞裙结构分析

现有复合绝缘子伞型结构易被冰凌桥接,且其冰闪特性并不优于瓷和玻璃绝缘子,为合理设计适用于覆冰地区的复合绝缘子伞型结构,该文根据流体力学的基本原理,建立了复合绝缘子外部三维流场数学模型和基于拉格朗日原理的水滴运动轨迹,分析了覆冰过程中复合绝缘子的水滴碰撞系数及其影响因素。结果表明：伞裙的水滴碰撞系数(E)随气流速度或水滴平均直径、下伞裙倾角和伞裙间距的增大而增大,随上伞裙倾角、伞裙直径及伞裙直径比的增大而减小,且伞径比的影响最明显,而伞裙间距的影响则可以忽略。根据计算结果并经试验验证,提出了优化应用于覆冰地区复合绝缘子伞裙结构的建议,即伞裙上倾角为15°、下倾角为0°,采用不等伞径的伞裙组合,相邻大伞之间可间插3个以上小伞,增大伞裙间的伞径比,相邻伞裙间距应大于30 mm。     

输电线路悬式复合绝缘子雨凇与轻雾凇覆冰形态和覆冰过程对比研究

覆冰形态是影响输电线路绝缘子闪络的重要因素之一。目前未见各类型覆冰形态差异及其原因的相关研究,绝缘子覆冰形态形成的微观物理过程研究较少。覆冰过程包括水滴撞击,捕获和冻结三个过程。对比研究了南方电网电线路灾害(覆冰)预警系统监测的悬式复合绝缘子雨凇、轻雾凇覆冰形态,通过Fluent仿真研究了两类覆冰形态的水滴与绝缘子撞击过程,计算了绝缘子伞裙上表面、伞裙边缘和杆径的水滴撞击数和撞击密度,通过微气象数据分析研究水滴冻结过程,从水滴撞击和冻结两个过程理论解释了雨凇和轻雾凇两类覆冰形态差异的原因。     

空气动力型绝缘子表面不同区域的水滴撞击特性

绝缘子严重覆冰会引发闪络进而导致电网停电事故,研究水滴撞击绝缘子表面的流场和运动特性对了解绝缘子的覆冰形成过程具有重要意义。以空气动力型绝缘子为研究对象,基于Lagrange法,通过数值求解覆冰过程中绝缘子外部连续气流场和水滴运动轨迹,提出一种以区域分割方式数值计算绝缘子表面不同区域水滴碰撞系数的方法;分析了风速和水滴中值体积直径(MVD)对水滴碰撞系数的影响,并进行了试验验证。研究结果表明:对于空气动力型绝缘子,其钢帽和绝缘子伞边缘碰撞系数差别不大(3%),2个区域的碰撞系数都远大于迎风侧绝缘子伞表面碰撞系数(高60%~190%);迎风侧绝缘子伞表面的碰撞系数也几乎是背风侧绝缘子整体碰撞系数的2倍;水滴碰撞系数随风速和MVD的增大而增大,且MVD对水滴碰撞系数的影响程度比风速更大;采用区域分割方式分析得到的绝缘子覆冰特性与试验结果更相符。     

湿润复合绝缘子表面的电场分析

为了研究不同湿润条件下复合绝缘子周围的电场分布特性,笔者根据复合绝缘子上下表面不同憎水性等级时的湿润状态,建立了简化的三维计算模型,应用电场有限元计算软件ElecNet计算,比较了不同憎水性等级(水滴的形状参数不同以及分布状态不同)对复合绝缘子表面电场特性的影响,得出:复合绝缘子表面的电场与表面憎水性以及水滴分布状态有关;表面受潮形成的水滴或水带使水滴周围的电场急剧增大;伞裙下表面水滴周围的最大电场强度高于上表面;护套表面水滴对电场的增强程度远高于伞裙表面水滴对电场的增强程度。     

复合绝缘子雾凇覆冰厚度预测模型

基于拉格朗日法,通过数值求解覆冰过程中复合绝缘子外部连续气流场和水滴运动轨迹,提出一种以区域分割方式数值计算绝缘子表面水滴碰撞系数的方法,并分析了风速和水滴中值体积直径(MVD)对水滴碰撞系数的影响;通过求解覆冰热平衡方程建立绝缘子雾凇覆冰厚度预测模型,并通过人工覆冰增长试验,对模型进行了验证。数值计算和试验结果表明:复合绝缘子迎风侧杆径和伞裙边缘的水滴碰撞系数比迎风侧伞裙表面的碰撞系数大很多,迎风侧伞裙表面的水滴碰撞系数几乎是背风侧水滴碰撞系数的两倍;水滴碰撞系数随风速和MVD的增大而增大,且MVD的影响程度比风速更大;绝缘子伞裙表面覆冰厚度小于8mm时,模型能很好地预测绝缘子表面雾凇覆冰厚度,模型计算厚度与试验实测厚度相对误差在8%以内;绝缘子伞裙表面覆冰厚度在10~14mm之间时,模型的预测准确性稍差,其相对误差为12%~15%。     

复合绝缘子表面湿润积污过程的数值模拟方法

为深入了解绝缘子外部在湿润条件下的积污机理,基于计算流体力学原理CFD建立了求解湿润气象条件下复合绝缘子外部三维两相粘性不可压缩湍流流场的基本控制方程组和尘埃颗粒对流扩散的基本方程,提出应用CFD软件Fluent可对复合绝缘子表面固体尘埃颗粒湿沉降过程进行动态模拟的一般方法。结果表明:不同伞裙结构的复合绝缘子水滴撞击特性和尘埃颗粒对流扩散特性不同;绝缘子外流场尘埃颗粒的湿沉降过程可以简化为气液两相湍流和尘埃颗粒对流扩散的耦合问题;水滴的碰撞系数E,伞裙和杆径区域的烟灰(粒子)浓度c,一定程度上反映复合绝缘子是否容易积污以及覆冰和发生冰棱桥接。     

基于等效直径的复合绝缘子覆冰特性与结构参数分析

复合绝缘子伞型结构是影响其覆冰的重要因素,优化其结构参数可以减少覆冰量。对复合绝缘子外部流场数学模型进行简化,利用Fluent软件仿真计算其沿绝缘距离方向上各部位的水滴碰撞率,并在此基础上提出复合绝缘子覆冰等效直径D_(eq)的概念。理论分析和自然覆冰试验均表明:在同等覆冰条件下,D_(eq)越大的复合绝缘子,覆冰量也越大。因此,将D_(eq)作为表征复合绝缘子覆冰特性的特征参数,研究了杆径、伞间距、伞倾角和伞径对D_(eq)的影响,结果表明D_(eq)随杆径和伞间距的增大而增大,随伞倾角和伞径的增大而减小。最后结合分析结果与覆冰试验,给出覆冰地区复合绝缘子结构参数优化设计建议。     

复合绝缘子憎水性表面水滴的电场特性分析

基于复合绝缘子的污闪理论,通过两种简化的硅橡胶平板模型,应用电场有限元计算软件ElecNet分别模拟了复合绝缘子护套表面和伞裙表面水滴的电场特性,着重研究比较了水滴的体积、接触角、形状等参数对水滴表面电场的影响,分析了两种模型中影响水滴表面电场强度的主要因素,并计算了复合绝缘子表面附着水滴时的电场,得出复合绝缘子伞裙上下表面以及护套表面附着的分离水滴使电场大大增强的结论。     

复合绝缘子直流电场下的水滴运动及覆冰特性

输电线路绝缘子覆冰威胁着电力系统运行稳定,而绝缘子覆冰形态及速率是预测其闪络发展的关键参数。为准确模拟绝缘子覆冰,该文从水滴运动及捕获角度探究了直流电场对绝缘子覆冰的影响。以复合绝缘子为样品,基于流体力学及电磁场原理建立水滴运动数学模型,计算了水滴在绝缘子表面因为电场力作用发生的轨迹偏移率,以此为基础,计算了有、无电场下绝缘子伞裙边缘及芯棒处的水滴局部碰撞系数β_1分布,结果显示:小风速小水滴半径下,电场作用下的水滴轨迹偏移最大,且对绝缘子芯棒处的β_1值提高百分比超过15%。在人工气候室内对复合绝缘子进行了带电和不带电覆冰试验。结果表明:小水滴半径下的干增长覆冰时,电场对覆冰速率的提高百分比达30%,同时可造成更加粗糙的覆冰表面,但对于大水滴半径下的湿增长覆冰速率影响较小,主要造成弯曲生长的冰棱形态。     

强风沙尘环境下车顶复合绝缘子风压分布和形变特性研究

高速列车在运行过程中,车顶硅橡胶复合绝缘子伞裙在长期强风沙尘环境下存在撕裂问题。为研究车顶绝缘子在强风沙尘条件下的撕裂原因,伞裙的受力和形变特性,采用流固耦合仿真的方法,计算车顶绝缘子表面的风压分布、探讨风速和来流角度对绝缘子受力和形变特性的影响。结果表明:伞裙上下表面的风压差,形成较大合力作用于伞裙,引起伞裙形变,伞裙表面的风压差越大,伞裙形变越大。伞裙根部会出现应力集中现象。在反复外加力的作用下,伞裙根部的材料寿命明显低于伞裙的其他部位。不同来流角度下,绝缘子伞裙边缘的形变量和伞裙根部的受力明显不同。随着风速从60 m/s到100 m/s的增加,伞裙边缘最大形变量从6.442 8 mm增大到18.561 mm,伞裙根部最大应力从0.180 56 MPa增大到0.496 98 MPa。同时伞裙的结构、直径和倾角显著影响绝缘子的抗风性能。该研究成果为车顶硅橡胶复合绝缘子结构设计与优化提供参考价值。     

高压直流绝缘子积污特性数值模拟与预测

为探讨高压直流线路复合绝缘子在不同环境下的积污特性,建立了基于流体力学原理的高压直流绝缘子积污仿真模型。通过自然积污试验验证了仿真模型的可行性,根据仿真数据建立了基于神经网络算法的粒子撞击率预测模型,使模型更具有实用性。结果表明:雾霾环境下,风速低时电场力作用明显,风速大于1 m/s时电场力影响较小;大风环境下,粒径小于80μm时风速对上表面积污影响不大,粒径大于80μm时上表面粒子撞击率随风速的增大而减小,下表面粒子撞击率几乎为0,粒径对整体粒子撞击率的影响比风速大;风向不水平时,气流向上使下表面粒子撞击率增加,气流向下使上表面粒子撞击率增加。研究成果可用于高压直流绝缘子积污机理研究,并为外绝缘设计及线路运行维护提供依据。     

计算流体力学在绝缘子积污特性分析中的应用

以XP-160线路绝缘子的积污特性为研究对象,利用计算流体力学方法,建立了求解线路绝缘子外部3维两相粘性不可压缩湍流流场的基本控制方程组,在得到了绝缘子外部流场的基础上分析了绝缘子的污秽颗粒碰撞系数(E)等撞击特性和空气来流速度(v)、污秽颗粒直径(dp)、气流风向倾角等对污秽撞击绝缘子特性的影响。结果表明:水平风向下,绝缘子上表面污秽颗粒碰撞系数随颗粒粒径或者风速的增大而增大,相对于绝缘子上表面,绝缘子下表面碰撞系数很小;非水平风向下,绝缘子上表面碰撞系数随自然风倾角的增大而减小,而绝缘子下表面则相反,且在易产生非水平气流的丘陵地区,XP-160绝缘子下表面污秽碰撞系数远远大于平原地区绝缘子。     

绝缘子表面水滴局部碰撞特性的仿真计算

绝缘子覆冰是电力系统不可忽视的灾害之一。为满足当前绝缘子覆冰数值模拟的需求,高效准确地获得绝缘子表面水滴局部碰撞特性是必要的。本文分别采用欧拉-拉格朗日法和欧拉-欧拉法计算了绝缘子表面水滴局部碰撞率β分布,对比分析了两种方法在仿真三维结构水滴碰撞问题上的优劣差异。以普通玻璃绝缘子LXY-120为仿真样品,采用剖切方式,计算分析了不同风速、不同水滴中值直径条件下,绝缘子表面不同位置(绝缘子表面、钢帽、绝缘子伞裙边缘)的水滴局部碰撞率分布特性。结果表明:欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日计算水滴局部碰撞率的准确度相近,但前者相对于后者在计算三维结构问题时效率更高;绝缘子迎风面β值从两侧向中心逐渐增大,不同剖切面的水滴碰撞范围和最大β值不同;绝缘子钢帽和边缘的β值远大于绝缘子表面,并随风速和MVD的增大而逐渐趋于饱和。     

高寒区交流复合绝缘子积污特性

为了探索运行年限及伞型结构对高寒区复合绝缘子伞套表面积污状况的影响,文中采用等值盐密、灰密法对黑龙江地区24支复合绝缘子的积污特性展开测试,测试对象包括绝缘子大、小伞的上下表面和护套表面。结果表明,该地区绝缘子经过3年运行后,积污已经达到饱和状态。对比不同伞型结构绝缘子发现,一大两小结构的绝缘子积污最轻,一大一小结构次之,等径结构绝缘子积污最为严重。通过对每支绝缘子伞套表面不同部位盐密、灰密值进行分析发现,绝缘子伞面积污存在不均匀性,表现为:绝缘子伞裙上伞面的积污状况小于下表面;而在大伞小伞和护套之间,护套表面积污最重,小伞其次,大伞表面的积污最轻。     

基于不同倾角下水珠形态量化特征的V串复合绝缘子憎水性判定方法

憎水性是表征复合绝缘子老化状况的重要指标,由于V串复合绝缘子伞裙与水平面呈不同的倾角,常规的检测方法无法对其憎水性进行有效的现场检测与判定。首先采用pH值为14、温度为100℃的Na OH溶液对复合绝缘子样片进行老化,在与水平面呈25°夹角的条件下采用喷水分级法测试获得了各老化后样片的憎水性等级,提出了采用微量进样器在样片表面滴加体积为20μL水珠的方法,排除了喷水分级法中水雾喷射角度、速度以及喷水量等因素对水珠形态特征的影响。针对不同倾角下水珠在不同憎水性等级样片表面的形态特征,研究了7个水珠形态特征参数与倾角和憎水性等级之间的关系,发现内上角、内顶角相关性较强;结合与倾角和憎水性密切相关的最大稳态水珠体积参数,提出了V串复合绝缘子憎水性等级的综合判定方法。通过对不同倾角下的伞裙开展水珠形态测试,验证了本文提出方法的有效性和准确性,实现了V串复合绝缘子的憎水性检测与判定。     

车顶绝缘子表面水珠及降落水滴电场分布及其对闪络特性的影响

绝缘子表面水珠、水膜及降落水滴引起的电场畸变会使电场强度过大从而会引发放电,破坏憎水性,同时对其闪络特性有一定的影响。为此,分析了水滴参数在不同电场旋转角的作用下对水珠表面电场的影响,探究了降落水滴对空间电场及闪络特性的影响。研究结果表明:水珠表面电场畸变特征与原始电场强度方向有关,为优化电场分布可以考虑改变绝缘子空间电场方向,使水珠处于电场旋转角θ较小的电场环境中;染污水滴滴落时空间电场强度增强,高电场强度区域增多,电弧沿着间隙和导电水流发展,可能导致引起高压端直接对车顶击穿;水滴周围电场强度最大值随气流速度的增大而增大,但水滴偏转角会影响闪络路径,因此只有适当的低速气流才会加大绝缘子闪络概率。     

基于CFD的高速动车组车顶支柱绝缘子覆冰特性研究及防覆冰伞裙优化

高速动车组车顶支柱绝缘子在寒冷环境中高速运行,其表面容易产生覆冰现象,进而引发局部放电、闪络击穿等外绝缘事故,导致列车停运,造成巨大的经济损失.然而,现阶段对动车组车顶绝缘子覆冰特性的研究并不充分.该文采用基于计算流体动力学(CFD)的数值模拟方法,对FQJG2-30/16-400型硅橡胶车顶绝缘子在不同环境参数下的覆冰特性进行研究.结果 表明:在高速运行条件下,覆冰主要形成在车顶绝缘子迎风侧的伞裙边沿和棒径处,覆冰厚度在迎风侧棒径中心处达到最大值.动车组车顶绝缘子表面的覆冰量随着温度(θ)、风速(ν)、液态水含量(LWC)以及液滴中值体积直径(MVD)等环境参数的增大而增大.基于防覆冰结构优化研究结果,推荐的高速动车组车项支柱绝缘子的防覆冰结构参数为:伞裙下倾角为0°;大小伞裙直径比为1;在满足机械强度的条件下伞裙上倾角、绝缘子棒直径尽量小;在保证一定爬电距离的情况下绝缘子伞裙间隔尽量小.     

复合绝缘子雾凇覆冰特性与伞形结构优化研究

复合绝缘子覆冰特性受伞形结构影响较大。为研究复合绝缘子自然雾凇覆冰特性,揭示伞形结构差异对覆冰的影响规律,选取8种220 kV复合绝缘子在湖南雪峰山自然覆冰试验站进行试验。试验结果显示：复合绝缘子迎风面两侧边缘冰厚明显大于中部,增速先快后慢;迎风侧冰棱长度在覆冰初期一段时间后增长速度有所减缓,之后再次加快,后期再次变慢并有饱和趋势;背风面冰厚小于迎风面,增速随时间减缓,在试验后期趋于饱和。通过试验和分析,针对雾凇覆冰地区复合绝缘子伞形结构优化给出以下建议：在允许的范围内适当增大伞裙的倾斜角度;相邻伞裙的间距应大于40 mm,同时大伞之间可分布若干中小伞径伞裙,个数宜在3个以上;大中小伞伞下不宜有棱,伞径可分别取250 mm、150 mm和90 mm,排列方式以“大-小-中-小-中-小-大”为宜。     

运行复合绝缘子界面问题分析

为研究运行复合绝缘子界面问题,抽检了广东、广西和河北地区37、68和48支不同运行年限的复合绝缘子,检测其芯棒与护套界面、金具与芯棒及护套材料结合处界面及伞裙与护套界面的性能。采用统计分析法,发现大约有50%早期运行的复合绝缘子存在护套与芯棒间粘接不良;端部金具及密封胶出现不同形式的失效;广东地区83.8%的样品金具内腔和芯棒端头密封失效,河北及广西地区78%的样品劣化。采用挤包穿伞工艺的复合绝缘子伞裙与护套之间粘接均不牢靠,用手可轻易剥离,粘合胶没有弹性、较脆。针对目前标准中检测复合绝缘子界面性能方法不够灵敏的缺陷,根据实际检测需要,提出了测量水煮前后试品泄漏电流,通过泄漏电流变化来判断界面性能的方法。