盐雾环境下瓷及复合绝缘子积污特性模拟研究

盐雾环境下的污秽物具有较高的可溶盐含量,可造成绝缘子绝缘性能下降,进而危及电力系统的安全运行.以XWP2-160型瓷双伞绝缘子和FXBW-110/120-2型复合绝缘子为研究对象,基于场致荷电机理,利用多物理场耦合软件COMSOL对其积污特性进行数值模拟,探索了盐密ESDD的计算方法,并验证了其合理性.利用该方法研究了盐雾环境下风速、雾滴粒径、电压类型对瓷及复合绝缘子积污特性的影响,分析了污秽沿绝缘子伞裙的分布规律.结果表明:复合绝缘子的积污量大于同条件下瓷双伞绝缘子积污量,盐雾环境频发地区可优先考虑瓷双伞绝缘子;直流电压下,瓷及复合绝缘子的积污量增长趋势均与风速、粒径呈正相关;复合绝缘子积污量沿伞裙近似呈U型分布,瓷双伞绝缘子积污量沿伞裙近似呈M型分布,且风速越大分布趋势越明显.     

典型伞型瓷及复合绝缘子积污特性模拟研究

研究典型伞型瓷及复合绝缘子的积污特性,可为绝缘子的选择提供参考。以瓷钟罩、瓷三伞和复合绝缘子为研究对象,利用多物理场耦合软件对风洞条件下绝缘子积污特性进行数值模拟研究,并将其模拟结果与本校风洞试验结果进行对比,结果表明两者积污量在数量级及随直流电压的变化趋势上一致,验证了该模拟方法的可行性。利用该方法研究了自然条件下各绝缘子的积污特性,分析了风速、粒径、电压类型对三种绝缘子积污的影响。结果表明,复合绝缘子的积污量大于同条件下瓷钟罩和瓷三伞积污量;直流电压作用下,复合绝缘子积污量的增长率大于另外两种绝缘子,且随粒径的增大先降低后升高;同一风速下,电压类型对绝缘子积污量的影响随颗粒粒径的增大而增大;交流电和不带电情况对各绝缘子积污量的影响较直流电压作用时的小。     

复合绝缘子积污特性的数值模拟研究

为研究棒形悬式复合绝缘子的积污特性,利用COMSOL对其在笔者所在学校风洞条件下的积污特性进行了数值模拟,并将模拟结果与华北电力大学风洞试验结果进行了对比分析。结果表明:两者积污量数量级相同,整体上随直流电压的变化趋势一致且呈"V"形分布,验证了该模拟方法的合理性。藉此,对复合绝缘子自然积污特性进行了模拟研究,分析了污秽质量分数和电压类型对其自然积污特性的影响。结果表明:绝缘子表面积污量随污秽质量分数的增大而增大;污秽质量分数较小时,积污量的增加速度较大,质量分数较大时,反之。在相同条件下,绝缘子表面积污量无论是整体上还是沿各伞裙分布均在施加直流电压时最大,交流电压与无电压情况相似;直流电与无电压情况下各伞裙积污量的差值近似呈"W"形分布。     

35 kV复合绝缘子积污特性影响因素分析*

为探究复合绝缘子在不同运行环境下的积污特性,基于电磁学、流体力学等理论,采用有限元法对绝缘子的积污过程进行了仿真,分析了荷电污秽颗粒粒径、电场强度、电压类型等对绝缘子积污特性的影响。研究结果表明,当污秽颗粒粒径小于30 μm时,绝缘子表面积污量随着粒径的增大而增多,随着风速的增大而减少;在不同的正极性直流电压作用下,积污量在粒径30 μm时达到峰值;荷电颗粒受力与电压相关,导致不同电压类型下积污量有差异。     

动车组支柱绝缘子伞裙不同部位积污特性的仿真研究

为研究动车组支柱绝缘子伞裙不同部位积污特性,将动车组支柱绝缘子伞裙分为迎风面、背风面和侧风面,建立了积污特性的流场计算模型,以质量沉积率为表征积污特性的参数,分析了不同部位质量沉积率与污秽颗粒粒径、气流速度之间的关系,比较了不同部位质量沉积率的差异性。仿真结果表明:迎风面和侧风面质量沉积率随污秽颗粒粒径的增大而增大,背风面质量沉积率随污秽颗粒粒径的增大而减小;不同部位质量沉积率与气流速度的关系受污秽颗粒粒径的影响,当污秽颗粒的粒径大于10μm时,随着气流速度增大,迎风面和侧风面质量沉积率增大,背风面质量沉积率保持为0,在相同污秽颗粒粒径和气流速度条件下,迎风面质量沉积率大于侧风面,而当污秽颗粒的粒径小于10μm时无上述规律。     

±800 kV楚穗特高压直流线路复合绝缘子自然积污特性

为研究特高压直流线路复合绝缘子积污特性以指导线路外绝缘配置,于2013—2014年采集了±800 k V楚穗特高压直流线路复合绝缘子表面污秽,分析其污秽等值盐密等级分布,研究线路整体积污程度,以及直流极性、沿串部位分布等造成的积污差异。数据表明:832个污秽样本中,等值盐密最大值为0.192 9 mg/cm2,最小值为0.000 7 mg/cm~2,76%样本等值盐密0.025 mg/cm~2;相同积污条件下,直流极性不影响复合绝缘子整体积污程度;大部分复合绝缘子表面污秽呈两端重、中间轻的分布规律;大小伞裙交叉布置时,小伞裙等值盐密明显大于大伞裙;54.8%的伞裙上表面污秽盐密值大于或等于下表面,与玻璃或陶瓷绝缘子规律不同。±800 k V楚穗特高压直流线路整体污秽较轻,现有的复合绝缘子配置合理。     

基于带电颗粒动态积污的绝缘子电场分布研究

为了研究带电污秽颗粒对绝缘子表面积污、电场分布的影响及空气域电晕放电现象,以FXBW-35/70绝缘子为研究对象,采用多物理场耦合有限元软件Comsol Multiphysics搭建了AC-DC、湍流、带电颗粒相互作用及颗粒运动的耦合风洞模型,进行了带电颗粒对绝缘子表面积污、电场和空气域电晕放电分布研究。结果表明：风速越大,迎风区积污速度快于其他区面;粒径增大时,迎风面积污严重,背风区积污很小,侧风区基本无变化;染污中迎风区伞裙表面的电位和电场畸变最为严重,背风区次之,染污后伞裙表面电位、电场有所缓和,迎风区较背风区严重;染污中,靠近高压端和低压端的一大一小伞裙周围空气域存在电晕放电风险,且在靠近高、低压端第一片大伞裙会发生电晕放电;染污后,靠近低压端的大伞裙根部1 mm范围、靠近高压端的整个大伞裙周围和小伞裙根部存在电晕放电风险。     

流场与电场耦合作用下特高压复合绝缘子串的积污特性研究

利用流体力学的相关理论与方法,建立了流场和电场耦合条件下复合绝缘子串的积污仿真数值模型,研究了污秽颗粒粒径、风速、风倾角对复合绝缘子表面积污特性的影响。结果表明:复合绝缘子串表面对污秽颗粒的吸附能力随场强的增加而提高,随风速的提高而降低;一定范围内污秽颗粒粒径增大会增加绝缘子对污秽颗粒的吸附量;风倾角向上时增加了下表面对污秽粒子的吸附,风倾角向下时增加了上表面对污秽粒子的吸附。     

基于XP-160污秽体积分数的绝缘子积污表征

运行绝缘子的电气特性受到其表面积污量的影响。在线路运行中,需要弄清线路绝缘子的积污状态,常采用悬挂并测量不带电XP-160绝缘子来反映线路运行绝缘子的积污状态。对于绝缘子在相同环境下的积污程度受其外形的影响,因此XP-160不能真实反映线路运行绝缘子的积污状态。为体现其结构差异对积污程度的影响和用XP-160绝缘子反映运行绝缘子真实积污状态,以绝缘子XP-160、XWP2-160、LXY-160、复合大–小伞为研究对象,提出以XP-160为参照绝缘子,基于参照绝缘子表面污秽体积分数的绝缘子积污程度表征方法,建立不同型式绝缘子和参照绝缘子表面污秽体积分数数值计算模型,分析不同风速和不同粒径下不同型式绝缘子和参照绝缘子污秽体积分数等效性关系并进行试验验证。研究结果表明:由Fluent仿真软件可得随风速和粒径变大,绝缘子LXY-160、XWP2-160的污秽体积分数均随之增大,其形状积污系数也随之增大。复合大小伞绝缘子的形状积污系数随风速和粒径增大而减小。利用污秽体积分数数值仿真可体现绝缘子的积污情况,根据仿真得到形状积污系数和XP-160绝缘子的积污量可得其他型式绝缘子理论积污量,试验验证表明误差小于20%,在工程实际的允许误差范围之内。研究结果可为绝缘子积污程度的表征提供参考。     

强风环境下腕臂绝缘子雪晶沉积特性仿真分析

中国铁路线大量分布在风区雪区,研究接触网腕臂绝缘子表面雪晶沉积特性,对预防冬季"雪闪"和提高供电可靠性有重要意义。利用有限元仿真软件模拟风速环境下QBG-25型铁路用绝缘子雪晶沉积量,计算绝缘子表面流场速度和静压分布,分析雪晶类型和风速风向对绝缘子表面雪晶沉积的影响。仿真结果表明,在相同风速风向下,雪晶类型对绝缘子表面雪晶沉积量影响较小,其中实心枝状雪晶沉积量最大;绝缘子表面雪晶沉积量在平安装方式下随风速的增大而增大,斜安装方式下随风速的增大呈现先增大后逐渐减小的趋势;当风速为10 m/s、风向在±45°范围内,绝缘子表面雪晶沉积量与风向关系呈现"V"型分布,风向倾角为负角度时,安装方式对雪晶沉积量影响严重;伞裙表面雪晶沉积量随风向倾角的增大而增大,伞裙迎风面雪晶沉积量大于伞裙背风面沉积量。     

人工模拟自然横风条件下绝缘子快速积污特性

为研究风对绝缘子积污特性的影响,该文利用直流风洞研究了风速和风向对瓷钟罩绝缘子和瓷双伞绝缘子积污特性的影响,并利用Fluent软件建立了绝缘子三维CFD仿真模型,对其周围的空气流场特性进行了分析。结果表明:空气流场对绝缘子积污状况的影响主要表现在风速和风向两个方面,风速和风向对绝缘子上下表面积污量和积污分布均有影响,风速在2.2~4.5 m/s之间时,绝缘子的上下表面污秽度是逐渐增大的,在风速4.5m/s附近的时候达到峰值。随着风速的继续增大,绝缘子表面的污秽度呈下降趋势,当风速大于6.0m/s左右时,绝缘子上下表面污秽度下降趋于平缓;不同风向对下表面有环形伞棱的绝缘子影响较小,对下表面无伞棱结构的绝缘子影响较大。该文研究成果可为污秽外绝缘的设计优化提供理论依据和数据支持。     

空气动力型防污绝缘子设计与流体力学仿真分析

为了克服大风沙运行环境中钟罩型绝缘子伞棱部位积污较严重的缺点,文中提出了一种利用空气动力结构使绝缘子伞裙附近保持较高空气流速,使表面不易附着沙尘的防污悬式绝缘子,其具有大、小两层伞裙,上层大伞裙边沿设计有小伞棱,下层小伞裙下倾角度大于上层大伞裙,爬电距离与相同机械载荷等级钟罩型绝缘子近似相等。并且,利用计算流体力学仿真软件对绝缘子附近空气流场进行仿真计算,设置3个空间截面,利用截面流速云图中伞裙附近低风速区占比数值,对比了此空气动力型结构与传统钟罩型和双伞型结构的差异。结果表明,新结构伞裙低风速区范围明显小于传统结构,且低风速区集中在瓷柱背风侧小范围内,有利于风向变换时依靠风力清除已附着的沙尘、污秽,验证了新结构伞裙的防污优势。     

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。     

500kV交流岭深线路复合绝缘子的积污特性

绝缘子表面积污状况与污区划分及外绝缘的选择密切相关,是外绝缘的基础性工作之一。为此,文中选取10支深圳地区岭深线路交流500 k V复合绝缘子并对其积污特性展开研究。对测试结果进行方差分析发现,岭深线不同地形条件绝缘子整体积污状况接近,而同一支绝缘子不同部位表面积污状况存在差异,表现为:靠近绝缘子串两端的伞裙单元盐密值较大;绝缘子伞裙上表面积污重于下表面。上述测试结果表明复合绝缘子表面积污存在不均匀性,在进行复合绝缘子人工污秽试验时,应充分考虑复合绝缘子的积污特点。     

特高压线路瓷绝缘子污秽分布特性研究

绝缘问题是特高压输电建设中需要解决的首要问题,研究不同气候不同电压类型条件下输电线路绝缘子积污分布对指导输电线路外绝缘设计具有重要意义。以特高压输电线路广泛使用的陶瓷绝缘子为研究对象,建立电场等效模型,通过调整3片绝缘子伞裙两端电压模拟实际特高压输电线路绝缘子串周围电场情况,并基于实验室搭建的人工雾室模拟南北方典型气候,在不同电压类型下开展了陶瓷绝缘子积污试验。研究结果表明:在南方沿海气候下,由于空气湿度较大,两种电压类型下的陶瓷绝缘子表面积污量均高于北方地区;绝缘子串的积污量随电压等级的升高而增大;在两种气候下,陶瓷绝缘子串在直流电压作用下积污量呈现两端高、中间低的现象,而交流电压下积污量变化不大,且直流电压较同等级交流电压作用下绝缘子片上下伞面的积污量更大;南方和北方气候下陶瓷绝缘子直流和交流电压下积污比分别约为1.37和1.51。     

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。     

低风速环境下XSP-160型瓷三伞绝缘子积污特性数值模拟

瓷绝缘子广泛应用于输电线路中,研究其积污特性对预防污闪、提升输电线路安全运行具有重要意义。利用仿真软件COMSOL对风洞条件下XSP-160型瓷三伞绝缘子的积污特性进行数值模拟,与风洞试验结果比较,验证了模拟方法和所建物理模型的合理性。藉此,研究了低风速环境下基于110kV电压该绝缘子的积污特性,分析了风向倾角、风速和电压类型对其积污特性的影响。结果表明:风向倾角对绝缘子表面的积污有着显著影响;同一风向倾角时,绝缘子表面积污量均随风速近似呈线性增加;风向倾角和风速越大,直交流电压作用下的积污量相差越小;直流电压作用下,积污量随着风向倾角的增大而减小,交流电压则与之相反。     

复合绝缘子在强风下的形变及应力集中程度

输电线路上的复合绝缘子伞裙在强风下会出现形变,形变导致伞裙根部应力集中,长期存在的应力集中会引起伞裙根部疲劳断裂。为研究强风区复合绝缘子仿真计算模型的有效性、形变和应力集中程度随着风速的变化趋势,采用流固耦合的仿真方法,主要探讨了不同风速下形变和应力集中现象及其大小,并通过风洞实验验证。结果表明:复合绝缘子在20 m/s以上强风下存在25 mm以上形变问题,进一步导致伞裙根部出现月牙状应力集中区域,仿真结果与实验结果对应较好;复合绝缘子在20 m/s以上强风下的应力集中随着形变的变大而增加;风速从20 m/s到60 m/s区间不断提高,伞裙的形变从25 mm到83 mm不断变大,伞裙根部的应力从0.12 MPa到0.60MPa不断增大。为了防止伞裙根部应力集中过大而导致的撕裂,就要阻止伞裙产生大的形变。     

高海拔地区±800kV特高压直流输电系统绝缘子带电自然积污特性

为了研究特高压直流绝缘子的自然带电积污特性,进行了全电压全尺寸特高压直流绝缘子积污特性试验。测定了绝缘子的等值盐密(ESDD)、等值灰密(NSDD),分析了不同材质(复合硅橡胶、玻璃、瓷)的绝缘子串,不同串型(I悬垂,V悬垂,耐张)的绝缘子串,不同伞形结构(复合伞裙、钟罩、三伞、瓷长棒)的绝缘子串,以及绝缘子伞裙上下表面和沿绝缘子串不同位置(高压侧、地侧、中间)的积污状况。初步结果表明:不同材质绝缘子串中瓷绝缘子积污最轻;不同串型的绝缘子串中耐张串积污最轻;不同伞形结构绝缘子串中瓷长棒绝缘子是最小积污伞型;伞裙上下表面污秽状况差异巨大,绝缘子杆塔侧积污最重。研究结果可为我国高海拔地区(特别是昆明地区)特高压直流输电工程的外绝缘提供重要的参考。     

基于流固耦合腕臂复合绝缘子抗风性能研究

强风环境会引起复合绝缘子伞裙发生形变,导致伞裙根部出现严重的应力集中。在周期循环风载荷作用下,伞裙根部长期处于应力疲劳状态并最终导致伞裙撕裂问题。针对上述问题,文中以铁路系统腕臂复合绝缘子为对象,建立腕臂复合绝缘子流固耦合三维仿真计算模型,研究伞裙形变量与伞裙根部应力及不同风速、不同迎风角与绝缘子伞裙形变量的关系。研究结果表明:从整体来看,根部倒角半径对形变的影响是非常小的,非重要抗风结构参数;在同一风速下,迎风角为17°时伞裙形变量最大,迎风角为84°时伞裙形变量最小;随着下倾角的增加,绝缘子伞裙边沿产生最大形变的迎风角逐渐减小;伞裙下倾角增加到7°时,同时伞裙边沿形变从5 mm平稳下降到0.85 mm,伞裙下倾角的增加有效抑制了伞裙边缘形变量的上升,对绝缘子抗风性能具有极其重要的影响。文中根据以上研究结果,优化腕臂复合绝缘子的伞裙结构,提高了绝缘子的抗风性能。