绝缘子湿增长动态覆冰模型研究

绝缘子覆冰是一种复杂的自然现象,涉及流体力学、热力学、气象学等多方面的问题。为了实现绝缘子湿增长覆冰的数值计算和模拟,该文采用软件仿真、理论分析和试验研究相结合的方法分析了不同环境条件下的绝缘子表面水滴碰撞捕获、水膜的流动和冻结等物理过程。综合考虑冰棱长度对绝缘子外部流场及水滴运动轨迹的影响及冰棱壁面水膜"断流"对冰棱生长的影响,基于质量守恒定律和能量守恒定律,建立了绝缘子表面覆冰厚度和冰棱增长的计算模型。在重庆大学人工气候室内通过控制环境参数,对FXBW-110/100绝缘子进行湿增长覆冰试验,记录不同环境温度、不同风速下复合绝缘子伞裙表面覆冰厚度、冰棱长度随着时间的变化规律。将试验值和模型计算值进行对比,得到绝缘子表面覆冰厚度平均误差15%,冰棱长度平均误差10%,验证了模型的有效性。     

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。     

500 kV复合绝缘子横向覆冰现象有限元分析

雨凇覆冰严重影响输电线路的安全,绝缘子上的冰棱会导致其电场与电位分布的恶化。为探究绝缘子覆冰横向增长现象对绝缘子沿面电场电位的影响,利用ANSYS仿真软件,建立500 kV复合绝缘子覆冰有限元模型。根据输电线路现场与实验室中绝缘子覆冰出现的冰棱横向增长现象,在仿真模型中改变冰棱长度、角度、位置以及横向竖直冰棱同时出现等情况,对比分析不同工况下各覆冰形态对复合绝缘子电场电位分布的影响。仿真分析表明：雨凇条件下,覆冰横向增长冰棱长度、位置的改变对复合绝缘子沿面电位电场分布的影响较小;随着冰棱铅垂角度减小,复合绝缘子沿面电场电位分布畸变增大,竖直覆冰对复合绝缘子沿面电场电位分布起主要影响。     

覆冰复合绝缘子电位分布有限元仿真

国内外对覆冰复合绝缘子电位电场分布研究甚少,研究覆冰复合绝缘子电位分布与选择合理均压环参数,对覆冰地区复合绝缘子设计运行维护具有重要的参考价值。本文利用Ansys12.0软件,采用准静态场有限元法开展了覆冰形态对220kV复合绝缘子电位畸变影响研究。建立220kV复合绝缘子二维轴对称模型,研究了大伞桥接前后冰棱长度,覆冰厚度对复合绝缘子电位影响,对比分析了干冰湿冰情况下沿面电位分布,同时,探讨了均压环几何参数对覆冰复合绝缘子电位分布影响规律。结果表明:桥接前,随冰棱长度增加,冰棱间等电位分布线愈密集;桥接后,全部大伞被冰棱桥接时电位分布畸变最严重;复合绝缘子湿冰电位分布比干冰更不均匀,干冰受冰厚影响比湿冰更明显;最后提出改善覆冰复合绝缘子电位分布的均压环几何参数。     

绝缘子表面三维覆冰特性的影响因素

覆冰可极大程度降低绝缘子绝缘性能,严重威胁输电线路的稳定运行.开展绝缘子覆冰特性研究并建立绝缘子覆冰增长数值计算模型是解决绝缘子覆冰闪络问题的基础.为研究自然条件下绝缘子覆冰增长的发展规律和其影响因素,该文从环境参数出发分析绝缘子表面水滴碰撞、冻结、水膜流动等过程,对比不同覆冰类型增长过程的差异性,并基于流体力学和热力学基本理论建立绝缘子三维覆冰数值计算模型.在此基础上,以绝缘子LXY?120为例,对不同环境条件下绝缘子覆冰类型及增长特性进行仿真计算,并在雪峰山对两种不同类型的绝缘子进行了自然覆冰试验,将测量得到的绝缘子覆冰质量、最大覆冰厚度和仿真结果进行了对比,结果表明,不同环境条件下,绝缘子表面覆冰类型、发展过程、覆冰面积、速率等均有差异.此外,绝缘子伞裙结构会影响覆冰增长.复合绝缘子FXBW?220因为伞裙直径更小、厚度更薄,且具有多伞裙结构,其覆冰增长速率大于普通玻璃绝缘子LXY?300.自然条件下,覆冰可很快连通复合绝缘子伞裙间隙.     

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%。     

覆冰复合绝缘子电场分布的研究

为研究覆冰复合绝缘子的电气特性,基于ANSYS有限元法建立了330 k V覆冰复合绝缘子模型,分别模拟仿真了干、湿覆冰情况下,不同空气间隙位置及冰棱长度对覆冰复合绝缘子的沿面电场、电位分布的影响,并与清洁复合绝缘子进行比较分析。结果表明:与清洁复合绝缘子相比,覆冰明显畸变了复合绝缘子的沿面电场和电位分布;当覆冰未完全桥接大伞裙间时,随着冰棱长度的增长,对沿面电位和电场分布的畸变程度越严重。当融冰过程中形成水膜时,覆冰复合绝缘子的沿面电场和电位分布进一步畸变,此时更容易发生局部放电。     

500kV瓷支柱绝缘子加装复合增爬裙后的覆冰闪络特性

为了研究500kV超高压瓷支柱绝缘子加装复合增爬裙(CAS)后的覆冰闪络电压特性,在特高压交流试验基地的大型环境气候实验室开展了500kV瓷支柱绝缘子加装CAS和未装CAS的覆冰闪络试验。研究并分析了2种工况下支柱绝缘子覆冰状态、闪络电压、泄漏电流发展以及放电路径。研究结果表明,加装CAS的瓷支柱绝缘子可有效阻止冰棱的形成,并且增爬裙之间不会被冰棱桥接,其放电主要沿冰棱和气隙发展。在绝缘子表面有污秽的覆冰状态下,带有CAS的500kV瓷支柱绝缘子覆冰闪络电压大于最大运行相电压,较未装CAS的支柱绝缘子提高约58%。     

不同伞形结构复合绝缘子覆冰增长特性研究

复合绝缘子伞形结构对其周围流场特性有明显的影响,从而导致其覆冰特性存在差异。为此,分别在人工气候室和自然覆冰试验站对多种伞形结构220 k V复合绝缘子进行了人工模拟和自然现场覆冰试验研究,分析了伞形结构对其覆冰增长特性的影响规律,结果表明:随着覆冰程度的增大,冰棱根数逐渐减少,冰棱长度和直径、伞面冰厚和覆冰重量均逐渐增大但增速变慢;伞裙直径增大时,覆冰增长较快,而伞间距增大时,冰棱长度、伞面冰厚和覆冰重量均逐渐变大但冰棱直径变小;在重度覆冰条件下,伞形结构的影响已不明显;自然覆冰条件下,伞形结构对绝缘子覆冰增长的影响规律与人工模拟试验结果基本一致。     

环境参数对绝缘子表面覆冰增长的影响

覆冰严重威胁电力系统的安全运行,国内外对输电线路覆冰机理、增长过程和覆冰闪络特性开展了大量研究,但对绝缘子覆冰增长预测模型及相关试验研究甚少,因此开展了LXP-160玻璃绝缘子在不同覆冰环境参数下其表面覆冰增长的试验研究,分析了温度、水滴颗粒直径(MVD)、风速等对绝缘子表面覆冰增长的影响,得到了采用旋转监测导体覆冰厚度d1、绝缘子表面覆冰厚度d或绝缘子覆冰质量m来表征绝缘子的覆冰程度之间的等价性关系。结果表明:水滴颗粒直径、风速越大或温度越低,绝缘子表面覆冰增长越快,其冰棱越长且越粗;温度对绝缘子覆冰类型有影响,当风速小于0.5m/s、液态水质量浓度110g/m3,MVD为130μm,温度小于-8°C时,绝缘子表面覆冰类型为雨凇,温度为-11°C时,绝缘子表面覆冰类型为硬雾凇;d1、d和m之间关系为d=0.684d11.09和m=0.828lnd1-1.186。研究结果可为揭示绝缘子覆冰机理提供参考。     

环境参数对110kV复合绝缘子覆冰增长过程的影响

绝缘子覆冰严重影响着电力系统的安全稳定运行,国内外对输电线路覆冰增长过程进行了大量的研究,但对绝缘子覆冰过程的研究较少,因此研究环境参数对绝缘子覆冰的影响在防冰抗冰工作中显得尤为重要。为此,通过在人工气候室的模拟试验来研究环境参数(水滴中值体积直径(MVD)、液态水含量(LWC)、温度、风速)对不同伞型结构的110kV复合绝缘子覆冰过程的影响。研究结果表明:绝缘子覆冰质量、伞裙表面覆冰厚度、冰凌长度及冰凌直径随时间的增长成非线性增长,而随着时间的延长,覆冰质量的增长程度变缓;绝缘子覆冰质量随着环境温度的降低成非线性增加;绝缘子覆冰质量随风速的增加而增加;水滴中值体积直径、液态水含量对绝缘子覆冰质量、冰凌增长有着重要的影响,随着MVD、LWC的增大,覆冰质量、冰凌长度增长迅速;在同等覆冰条件下,D型绝缘子的覆冰质量最轻,冰凌桥接速度最慢,所以D型绝缘子更适合在覆冰严重地区使用。     

接触网覆冰绝缘子的多物理场分析及伞裙结构优化

青藏高原干燥寒冷的环境易使铁路接触网绝缘子覆冰,造成严重的冰闪事故。为研究接触网覆冰绝缘子的运行状态,根据青藏线格尔木站冬季的环境特点,建立接触网腕臂绝缘子二维覆冰模型,并以瓷绝缘子XP-160和复合绝缘子FXBW-110/100为对照,通过静电场和焦耳热场仿真分析了不同类型覆冰绝缘子空间电场分布及表面温度分布特点,最后对绝缘子伞裙结构进行优化。结果表明：随着冰层厚度增加、冰棱长度增长,各绝缘子场强逐渐增大,表面温度不断上升。当绝缘子被冰棱桥接时,场强减小,略低于洁净绝缘子场强。腕臂绝缘子倾斜布置时倾角增加会导致电场增加,但对温度影响较小,在安装时可以减小斜腕臂倾角。使用一大两小伞裙结构绝缘子能有效降低场强增加,抑制温度上升。     

基于区域分割方法的绝缘子覆冰质量预测模型

绝缘子覆冰会引起闪络进而导致电网停电事故,覆冰质量是表征绝缘子覆冰程度的重要参数。由于绝缘子覆冰环境下迎背风面覆冰程度有较大差异,基于流体力学Lagrange法提出一种以区域分割方式数值计算绝缘子表面碰撞系数的方法;对绝缘子表面不同区域的冻结系数进行计算,通过覆冰圆柱体表面覆冰质量计算公式等效计算建立绝缘子表面覆冰质量预测模型,并通过人工覆冰试验对试验结果进行验证。研究结果表明:XP–70绝缘子不同区域表面水滴碰撞系数存在较大差异,迎风面伞裙表面水滴碰撞系数比迎风面钢帽及伞裙边缘小得多,但是为背风面伞裙表面碰撞系数的2～3倍;0～60 min中,覆冰质量预测模型计算所得覆冰质量值与试验值的相对误差20%。     

涂覆不同疏水性涂层玻璃绝缘子串覆冰与闪络特性

疏水性涂层能降低水滴在表面的粘接率,或可有效降低绝缘子覆冰程度。为此在多功能人工气候实验室内对4种涂覆不同疏水性涂层的LXP-70玻璃绝缘子串(3片)进行了不带电覆冰和交流闪络试验,并与无涂层绝缘子串进行了对比,研究了不同疏水性涂层对玻璃绝缘子串表面的覆冰形貌、冰棱长度、覆冰重量增长及融冰期闪络电压的影响。试验结果表明:疏水性涂层对绝缘子串的覆冰和融冰期闪络电压影响明显,各绝缘子串的覆冰重量随表面疏水性增强而下降;融冰期闪络电压则基本随疏水性增强而提高,各绝缘子串闪络电压随时间变化的趋势符合U型曲线;疏水性最好的涂层绝缘子其覆冰重量相比于无涂层绝缘子降低26.07%,最低闪络电压提高45.33%,而接触角为110°的涂层绝缘子串其防覆冰和冰闪表现不如无涂层绝缘子串。     

交流电场对覆冰水冻结过程中导电离子迁移的影响

鉴于冰层电导率分布对于绝缘子闪络的重要性,文中着重从以下方面进行研究:电场对水滴冻结过程的影响、电场强度对导电离子迁移的影响。通过对带电覆冰绝缘子冰层融冰水电导率的测量,进而分析讨论绝缘子表面冰层和冰棱中电导率的空间分布。结果表明:水滴的平均冻结时间跟电场强度有关系。电场强度越大,覆冰水冻结过程中导电离子迁移程度越小。绝缘子表面冰层融冰水电导率与融冰时间成非线性递减关系。绝缘子在串中的悬挂位置对其冰层最大融冰水电导率有明显影响。带电覆冰条件下,冰层和冰棱的最大融冰水电导率要低于不带电覆冰条件下的对应值。综上所述,交流电场对覆冰水中导电离子迁移的影响较为明显。因此,该研究为进一步完善绝缘子覆冰闪络模型提供参考。     

均压环安装位置对220kV复合绝缘子覆冰及其闪络特性的影响

在人工气候室对不同位置安装均压环的220 kV复合绝缘子进行了人工带电覆冰试验,分析了均压环安装位置对绝缘子覆冰及电气特性的影响。结果表明:复合绝缘子本身电场分布极不均匀,使不同均压环安装位置对改善电场分布的效果不尽相同,从而对复合绝缘子覆冰有明显影响。高压端均压环使高压端伞裙覆冰比较均匀,冰棱生长较长,均压环冰棱呈向外弯曲生长,提高冰闪电压;低压端均压环使低压端伞裙相邻冰棱之间发生粘接,均压环冰棱基本呈垂直生长,降低冰闪电压;绝缘子和均压环表面覆冰密度大于冰棱冰密,安装均压环的高压端或低压端,其表面和冰棱冰密都大于不带均压环时;仅高压端带均压环时的绝缘子自身冰重大于仅低压端带均压环时。     

风速对复合绝缘子覆冰增长及其闪络特性的影响

风速和电场均是影响绝缘子覆冰的重要因素,在多功能人工气候室对不同风速下的复合绝缘子进行了人工雨凇带电和不带电覆冰试验研究,分析了风速和电场双重作用对冰棱生长、覆冰量、覆冰密度、厚度及闪络电压的影响。研究表明:随着覆冰期风速的增大,绝缘子的冰棱长度、倾角、伞面冰厚、覆冰密度和覆冰重量均逐渐增大,在覆冰时间相同的条件下,其闪络电压随着风速的增大而逐渐降低;电场在风速较低时对覆冰参数和闪络性能都有明显的影响,但随着风速的增大,此种影响逐渐变得不明显,在风速较大的条件下可以不考虑电场的影响。     

融冰期110kV覆冰复合绝缘子电场仿真研究

绝缘子的融冰闪络一直是影响电力系统安全运行的一个重要问题,目前国内外对于绝缘子的融冰闪络机理方面的研究还处在一个不断发展的阶段。笔者运用ANSYS12.0有限元仿真软件,建立110 kV覆冰复合绝缘子二维轴对称模型,对绝缘子融冰水膜电导率、水膜厚度以及水膜存在水滴3个因素对电场分布的影响进行仿真分析。结果表明:水膜电导率对于电场分布的影响会随着覆冰长度的增加而增大;水膜厚度的增加会进一步缩短空气间隙,导致冰棱尖端场强增大;水膜末端存在水滴对绝缘子沿面电场分布畸变的影响更大。     

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。     

覆冰程度对瓷、玻璃和复合绝缘子交流冰闪特性的影响

污秽覆冰环境下绝缘子电气性能是输电线路外绝缘选择的基础。国内外在该领域开展了大量研究,然而关于覆冰程度对不同材质绝缘子交流闪络特性影响的对比研究较少。因此,在大型多功能人工气候室对瓷、玻璃和复合绝缘子进行交流覆冰闪络试验研究,对比分析覆冰程度对3种绝缘子交流冰闪特性的影响,并讨论覆冰程度不同表征方式之间的等价性关系。结果表明：3种绝缘子50%冰闪电压均随冰厚、覆冰质量和污秽的增加而下降;复合绝缘子受冰厚、覆冰质量的影响比瓷和玻璃绝缘子明显,其冰厚、覆冰质量影响特征指数略大于瓷和玻璃绝缘子;复合绝缘子污秽特征影响指数略小于瓷和玻璃绝缘子;绝缘子覆冰质量和监测导体冰厚均可表征绝缘子覆冰程度,且根据覆冰绝缘子串冰闪电压一致原则推导出两种表征覆冰程度参量的等价性关系。