帶電水沖洗水柱打擊力特性

李顯強 王建國 樊亞東 黃松波 廖一帆 詹清華,

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430072 2.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局 佛山 528300 3.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院 廣州 510080)

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帶電水沖洗水柱打擊力特性

李顯強1王建國1樊亞東1黃松波2廖一帆3詹清華1,2

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430072 2.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局 佛山 528300 3.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院 廣州 510080)

帶電水沖洗采用高電阻率水清洗絕緣子表面污穢，水柱打擊力過大不利于絕緣子安全，水柱打擊力過小又不利于污穢的徹底清除。建立了帶電水沖洗水柱沖洗打擊力實驗系統(tǒng)，測試了中、大水沖洗三種典型噴嘴在不同沖洗角度、不同出口壓強以及不同水柱長度下的水柱打擊力，得到了水柱打擊力與出口壓強、水柱長度間的定量關(guān)系及三種噴嘴在典型帶電水沖洗工況下打擊力的變化范圍，對進(jìn)一步認(rèn)識帶電水沖洗水柱壓力特性、帶電水沖洗污穢清洗機理以及安全高效地開展帶電水沖洗作業(yè)控制具有重要的理論和實踐意義。

帶電水沖洗 水柱 噴嘴 沖洗壓力 打擊力

0 引言

帶電水沖洗采用高電阻率水清洗絕緣子表面污穢，具有污穢清洗徹底、清洗效率高、安全性好、對電力系統(tǒng)影響小、不需要停電倒閘操作等一系列優(yōu)點[1-3]。如何在較短的時間內(nèi)安全高效地將污穢鹽密和灰密減少到規(guī)定值以下[4-7]，是帶電水沖洗的關(guān)鍵問題。合適的沖洗打擊力可有效提高沖洗效率，打擊力過大可能會影響絕緣子的機械強度，打擊力過小又不易將絕緣子表面的污穢沖洗干凈。

國內(nèi)外帶電水沖洗作業(yè)文獻(xiàn)對于水柱電阻率及水柱絕緣長度、絕緣子沖洗安全性能較為關(guān)注[8-11]，對沖洗方法和清洗效率也進(jìn)行了一些探索[12，13]，對帶電水沖洗水柱打擊力研究基本處于空白狀態(tài)。GB13395《電氣設(shè)備帶電水沖洗導(dǎo)則》[14]及IEEE STD 957-2005《IEEE GUIDE FOR CLEANING INSULATORS》[15]均未涉及水柱打擊力問題。由于帶電水沖洗是一種特種作業(yè)，沖洗壓力、水泵參數(shù)、噴嘴直徑等沖洗參數(shù)差異較大，目前研究人員及作業(yè)者對于帶電水沖洗打擊力變化范圍、影響因素及與清洗效率和絕緣子安全關(guān)系的認(rèn)識不清晰。研究帶電水沖洗水柱打擊力對確定合理的帶電水沖洗作業(yè)工藝參數(shù)、提高沖洗效率、推動帶電水沖洗技術(shù)發(fā)展具有非常重要的意義。

在武漢大學(xué)戶外帶電水沖洗實驗場建立了打擊力實驗系統(tǒng)，研究了3種典型噴嘴在不同的沖洗角度、出口壓強以及水柱長度下的水柱打擊力，得到不同噴嘴在帶電水沖洗典型工況下打擊力的變化范圍以及水柱打擊力與出口壓強、水柱長度間的定量關(guān)系。

1 水柱打擊力實驗系統(tǒng)

帶電水沖洗所用的高壓水射流在清洗作業(yè)中屬于低壓水射流范圍[16]，射流分為緊密段、起松段、破裂段和水滴段。500 kV變電設(shè)備帶電水沖洗主要對象為瓷支柱，帶電水沖洗中常運用破裂段，屬于空氣混入兩相射流。打擊力實驗布置如圖1所示。

圖1 帶電水沖洗水柱打擊力實驗布置Fig.1 Layout of hitting force of hot washing test

打擊力測量采用基于應(yīng)變片原理的荷重傳感器，當(dāng)電阻應(yīng)變片受力發(fā)生形變時，通過電阻變化來測量形變，進(jìn)而計算出打擊力大小，量程為294 N(30 kg)，響應(yīng)時間40 ms，輸出電壓在0～10 V。荷重傳感器共有5個，每個傳感器接13cm×2.6 cm的長方形受力板，共同形成13 cm×13 cm的總受力面積，而絕緣子串兩傘群的間距是13 cm，受力板受力能模擬水柱在兩傘群間形成的打擊力。荷重傳感器布置如圖2所示。

采用PCI-6221采集卡配合LabVIEW軟件及計算機搭建多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對荷重傳感器上的電壓信號進(jìn)行監(jiān)測、采集和存儲。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。調(diào)節(jié)噴嘴與荷重傳感器測力板的水平距離和垂直距離得到不同角度、不同水柱長度打擊力。

圖2 荷重傳感器Fig.2 Loading sensor

圖3 水柱打擊力信號采集系統(tǒng)Fig.3 Signal collecting system of hitting force

實驗時噴槍離地1 m高，噴槍處裝有壓力傳感器，實驗中當(dāng)噴嘴出口壓力穩(wěn)定時對準(zhǔn)傳感器表面，同步采集噴嘴出口壓力和打擊力信號，采樣率為3 kHz，每種工況反復(fù)做兩次，每次采集10 s的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時取5個傳感器打擊力之和在一個完整周期內(nèi)的平均值，即綜合平均打擊力，代表該水柱對被沖洗設(shè)備法向方向產(chǎn)生的平均作用力。

選取了220 kV、500 kV電壓等級線路及變電站帶電水沖洗現(xiàn)場中水沖(4～7 mm噴嘴)和大水沖(8 mm以上噴嘴)常用噴嘴(包括6 mm、8 mm和10 mm三種噴嘴)進(jìn)行了不同水柱長度、出口壓強下水柱打擊力實驗。噴嘴如圖4所示。

圖4 不同直徑噴嘴Fig.4 Nozzle with different diameter

2 水柱打擊力與出口壓強

從小到大調(diào)節(jié)噴嘴出口水的壓強，以水平方向進(jìn)行打擊力測量，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 打擊力與噴嘴出口壓強的關(guān)系Fig.5 Relationship between hitting force and outlet water pressure of nozzle

由圖5可知：

1)當(dāng)水柱以水平方向正面沖洗豎直放置的荷重傳感器時，水柱的作用范圍是一個圓形區(qū)域，水射流在噴槍里的靜壓轉(zhuǎn)換為沖擊傳感器的動壓，打擊力與出口壓強呈線性變化關(guān)系，隨著噴嘴處水壓提高，水柱打擊力顯著提高。

2)打擊力隨出口壓強增長線性增加，噴嘴處水壓提高，水柱打擊力顯著提高。對于6 mm噴嘴、出口壓強從0.8 MPa增加到2.2 MPa時，6.2 m水柱打擊力從45 N增加到123 N，11.4 m水柱打擊力從9 N增加59 N。8 mm噴嘴、出口壓強從0.8 MPa增加到1.8 MPa時，6.2 m水柱打擊力從91 N增加到200 N，11.4 m水柱打擊力從43 N增加到98 N。對于10 mm噴嘴、出口壓強從0.6 MPa增加到1.4 MPa時，6.2 m水柱打擊力從218 N增加到287 N，11.4 m水柱打擊力從168 N增加到213 N。

3 水柱打擊力與水柱長度

帶電水沖洗作業(yè)中，特別是沖洗500 kV等級變電設(shè)備，絕緣子連同支柱高度較高，對水柱長度提出了更高的要求，水柱不僅需要射到被沖洗設(shè)備高壓端，更須保證在最大高度時有足夠的打擊力，從而保證沖洗有效性和安全性。

三種直徑噴嘴在不同水柱長度下水柱打擊力與水柱長度間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 水柱打擊力與水柱長度的關(guān)系Fig.6 Relationship between hitting force and length of water column

由圖6可知：

1)打擊力與水柱長度之間關(guān)系密切。隨著噴嘴處水壓提高，水柱的打擊力急劇衰減。

2)出口壓強為0.8 MPa、水柱長度從6.2 m增加到11.4 m，對于6 mm噴嘴，水柱打擊力從45 N下降到9 N；對于8 mm噴嘴，水柱打擊力從90 N下降到43 N；對于10 mm噴嘴，水柱打擊力從237 N下降到186 N。出口壓強為1.0 MPa，水柱長度從6.2 m增加到11.4 m，6 mm噴嘴水柱打擊力從55 N下降到12 N；8 mm噴嘴，水柱打擊力從106 N下降到52 N；10 mm噴嘴，水柱打擊力從248 N下降到189 N。

3)從水柱基本結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)水從水槍噴嘴以較高的速度噴出后，水柱射流與空氣發(fā)生摩擦，并卷吸其周圍一部分空氣以小氣泡的形式隨水柱一起向前流動。水柱自身的一部分動能傳遞給這些小氣泡而使水柱動能減少。水柱在向前運動的過程中，不斷與空氣摩擦和撞擊，同時吸入空氣，其結(jié)果是使高壓水柱逐漸疏松，形成散花。水柱橫截面不斷擴大，受到空氣的阻力也不斷增加，導(dǎo)致水柱動能喪失、流速迅速降低，因此水柱的沖洗打擊力也減弱。

4 水柱打擊力與沖洗角度

帶電水沖洗過程中存在兩個沖洗角度——垂直與水平。垂直沖洗角度是指水柱與地面的夾角，而水平?jīng)_洗角度是被沖洗的絕緣子和臨近的絕緣子的連線與水柱之間的銳角。本文沖洗角度為水柱與地面的夾角，即垂直沖洗角度。

噴嘴在不同沖洗角度、出口壓強、水柱長度下對絕緣子的打擊力對帶電水沖洗作業(yè)中選擇合適的沖洗參數(shù)、提高清洗效率有重要作用。GB13395-2008《電力設(shè)備帶電水沖洗導(dǎo)則》規(guī)定帶電水沖洗角度一般不超過45°。對于500 kV變電站，設(shè)備高度更高，開展帶電水沖洗作業(yè)后沖洗角度有可能大于45°，故有必要對各種噴嘴在不同沖洗角度的打擊力進(jìn)行測量和研究。

在變電站的帶電水沖洗中，6 mm噴嘴常用于110 kV、220 kV大中型直徑變電設(shè)備。8 mm噴嘴常用于220 kV及500 kV大直徑變電設(shè)備。10 mm噴嘴由于射程遠(yuǎn)，常用于500 kV大直徑變電設(shè)備沖洗或220 kV、500 kV變電站支柱較高、水柱長度10 m以上絕緣子的沖洗。

采用6 mm、8 mm、10mm三種噴嘴、在10°、20°、30°、40°、50°五個角度下進(jìn)行水柱沖洗打擊力測量。測量結(jié)果分別見表1～表3。繪制打擊力與3個因素關(guān)系如圖7～圖9所示。

水柱打擊力F與出口壓強P、水柱長度D都有明顯的相關(guān)性，因此進(jìn)行多項式擬合，得到擬合式見表4～表6。

由圖7～圖9以及表1～表6可知：

1)三種噴嘴不同角度水柱打擊力隨沖洗角度的增加而減少。因此，在允許的范圍內(nèi)降低沖洗角度可提高帶電水沖洗水柱打擊力及清洗效率。

2)水柱打擊力F取決于出口水壓強P和水柱長度D。擬合式P的二次方前面系數(shù)為正數(shù)，說明打擊力F隨P的增加而增加，D的二次方前面系數(shù)為負(fù)數(shù)，說明打擊力F隨D的增加而減少。在滿足水柱絕緣性能的前提下，縮短水柱長度是提高帶電水沖洗水柱打擊力及清洗效率的有效方法。

表1 6 mm噴嘴水柱打擊力Tab.1 Hitting force of 6 mm nozzle (單位：N)

圖7 6 mm噴嘴水柱打擊力Fig.7 Hitting force of 6 mm nozzle

表2 8 mm噴嘴水柱打擊力Tab.2 Hitting force of 8 mm nozzle (單位：N)

圖8 8 mm噴嘴水柱打擊力Fig.8 Hitting force of 8 mm nozzle

表3 10 mm噴嘴水柱打擊力Tab.3 Hitting force of 10 mm nozzle (單位：N)

圖9 10 mm噴嘴水柱打擊力Fig.9 Hitting force of 10 mm nozzle

表4 6 mm噴嘴水柱打擊力與水柱壓強、水柱長度擬合Tab.4 Fitting of pressure and length for hitting force of 6 mm nozzle

表5 8 mm噴嘴水柱打擊力與水柱壓強、水柱長度擬合Tab.5 Fitting of pressure and length for hitting force of 8 mm nozzle

表6 10 mm噴嘴水柱打擊力與水柱壓強、水柱長度擬合Tab.6 Fitting of pressure and length for hitting force of 10 mm nozzle

3)沖洗角度增加，水柱能量不僅要克服空氣阻力，更要克服自身重力，不斷卷入的空氣使水柱形態(tài)更加復(fù)雜。故在沖洗角度大于40°時，3個噴嘴打擊力F與P、D的擬合確定系數(shù)呈降低趨勢。

5 結(jié)論

本文開展了帶電水沖洗水柱打擊力系統(tǒng)實驗，研究了三種典型噴嘴在不同出口壓強、不同沖洗角度、不同水柱長度下的水柱打擊力，得到了水柱打擊力與出口壓強、水柱長度間的定量關(guān)系。

1)水柱打擊力和出口壓強基本呈線性關(guān)系，隨著噴嘴處壓強的提高，水柱的打擊力顯著提高。在一定范圍內(nèi)增加出口壓強是提高帶電水沖洗水柱打擊力和清洗效率的有效方式。

2)隨著水柱長度的增加，水柱的打擊力急劇衰減。在滿足水柱絕緣性能的前提下，縮短水柱長度，是提高帶電水沖洗水柱打擊力和沖洗效率的有效方法之一。

3)沖洗角度增加的同時，水柱打擊力隨之減少。因此，在允許范圍內(nèi)減少沖洗角度是提高帶電水沖洗水柱打擊力和清洗效率的有效方法之一。

4)220 kV及500 kV支柱絕緣子彎曲機械破壞負(fù)荷一般不小于6 kN和8 kN。實驗表明，對于6.2 m～11.4 m@1.2 MPa及10°～50°帶電水沖洗，6 mm噴嘴打擊力在13.5～62.24 N，8 mm噴嘴打擊力在39.6～130.21 N，10 mm噴嘴打擊力在110.85～278.47 N，帶電水沖洗打擊力是可控的，遠(yuǎn)小于絕緣子彎曲機械破壞負(fù)荷，可保障絕緣子沖洗安全。

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Experimental Research on Hitting Force Characteristics of Water Column in Hot Washing

LiXianqiang1WangJianguo1FanYadong1HuangSongbo2LiaoYifan3ZhanQinghua1，2

(1.School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China 2.Foshan Power Supply Breau Guangdong Power Grid Corp Foshan 528300 China 3.Electric Power Research Institute CSG Guangzhou 510080 China)

The hot washing of insulators uses high resistivity water to remove pollution away.Stronger washing hitting force may impede the safety of the insulator，while weaker hitting force cannot wash the pollution away completely.The washing hitting force of the water column in hot washing is studied with experiments in this paper.The quantitative relationship between the hitting force and the nozzle pressure and water column length is studied through the measurement of the hitting power with three typical nozzles under various typical working conditions，i.e.washing angles，nozzle pressures，and water column lengths.The work of this paper has important theoretical and practical significance for further understanding the hot washing water pressure characteristics，washing mechanism，and safety efficiently operation control method.

Hot washing，water column，nozzle，washing pressure，washing hitting force

2014-11-26 改稿日期2015-02-11

TM84

李顯強 男，1973年生，博士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。

王建國 男，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為雷電防護與接地技術(shù)、高電壓絕緣與測試技術(shù)。