毛 東 唐秋明 高 強(qiáng)
(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇蘇州 215021)
近年來,隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn),高壓和特高壓等電網(wǎng)的安全運(yùn)行已成為國民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)保障[1-2].由于工業(yè)化的發(fā)展導(dǎo)致了一系列環(huán)境問題,其中包括沙塵及霧霾等天氣頻繁出現(xiàn).當(dāng)這些極端天氣出現(xiàn)時(shí),空氣中的污穢顆粒在高壓絕緣子表面沉積后形成積污層,導(dǎo)致其絕緣性能降低,易發(fā)生污閃事故[3-5],導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓,嚴(yán)重影響工業(yè)的生產(chǎn)和民眾的生活[6-9].通過對(duì)絕緣子的積污形成機(jī)理以及積污層在高壓電場下的電位及電場分布的分析,研究絕緣子污閃發(fā)生的機(jī)理,有望為超、特高壓輸電事業(yè)的順利發(fā)展和國家電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供有效的保障和設(shè)計(jì)依據(jù),具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值.
大量的人工模擬實(shí)驗(yàn)表明非均勻積污絕緣子電場對(duì)于閃絡(luò)的產(chǎn)生至關(guān)重要[10-14],然而這類實(shí)驗(yàn)只能通過鹽密和灰密等方法定性地分析積污程度導(dǎo)致污閃的原因,不但無法量化積污層的具體分布,更無法測(cè)量電場的分布情況.因此運(yùn)用數(shù)值方法進(jìn)行研究是個(gè)較好的選項(xiàng).Ilhan 等[15-17]假設(shè)了單一厚度的均勻積污層模擬絕緣子的4 種不同的積污電場; 蘇蔚等[18]人為地假設(shè)了兩個(gè)不同的積污層厚度的絕緣子積污區(qū)域,分析了積污絕緣子電場,沒有通過計(jì)算獲得非均勻積污層.國內(nèi)外對(duì)于絕緣子的非均勻積污絕緣子電場的數(shù)值研究鮮見.
對(duì)于絕緣子積污過程,國內(nèi)外學(xué)者通過自然積污實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等方法,進(jìn)行了大量的研究.清華大學(xué)的梁曦東等[19-20]利用自然積污試驗(yàn)站,對(duì)不同類型的絕緣子的積污分布情況與污穢顆粒的沉積量進(jìn)行了分析研究.Sun 等[21]建立風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)高速氣流環(huán)境中動(dòng)車組車頂絕緣子表面積污特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和仿真計(jì)算.蔣興良等[22]使用計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 方法,采用離散相模型計(jì)算了污穢顆粒在流場中的運(yùn)動(dòng),并研究了絕緣子表面的積污過程,對(duì)污穢顆粒與絕緣子表面的碰撞系數(shù)進(jìn)行了模擬分析.
綜上,未見有從絕緣子的非均勻積污層的形成到其非均勻電場分析的這兩大導(dǎo)致污閃發(fā)生的主要過程進(jìn)行耦合研究的文獻(xiàn)報(bào)道.因?yàn)槭紫葻o論是從人工模擬還是野外觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)的角度等均難以實(shí)現(xiàn)積污層的量化和相應(yīng)電場的測(cè)試,其次在進(jìn)行CFD模擬動(dòng)態(tài)積污時(shí),通常采用的是歐拉?拉格朗日方程,由于顆粒為離散相,無法獲得有效的積污層空間分布.本研究采用歐拉?歐拉方程,運(yùn)用有限體積法,有效地獲取污穢顆粒在絕緣子表面形成的非均勻積污層; 運(yùn)用表面導(dǎo)電層單元法創(chuàng)建積污層單元并作為邊界條件,在此基礎(chǔ)上建立積污絕緣子的電場的有限元模型,求解污穢絕緣子表面的電準(zhǔn)靜態(tài)場,對(duì)非均勻積污層分布情況下的絕緣子表面電位及電場分布進(jìn)行研究,探討污閃發(fā)生的機(jī)理.
自然環(huán)境中絕緣子周圍的流場為典型的氣固兩相流,污穢顆粒在空氣中呈分散型運(yùn)動(dòng),污穢顆粒間的相互作用對(duì)其運(yùn)動(dòng)無明顯影響[23-24],因此選用歐拉雙流體模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,用體積分?jǐn)?shù)來描述每一相的存在.其中空氣相的體積分?jǐn)?shù)αg指的是控制體中空氣所占的體積比率,即
式中,Vc是控制體單元的體積,Vs是污穢顆粒相的體積,Vg是空氣相的體積,αs是指污穢顆粒相的體積分?jǐn)?shù).
空氣相和污穢顆粒相均需滿足的質(zhì)量守恒方程如下
式中,vg和vs分別是空氣相和污穢顆粒相的速度,ρg和ρs分別是空氣相和污穢顆粒相的密度.
空氣相和污穢顆粒相同時(shí)需滿足動(dòng)量守恒方程
式中,Kgs=Ksg是空氣相與污穢顆粒相的動(dòng)量交換系數(shù),ps為污穢顆粒相固體壓力,τs和τg分別是污穢顆粒相與空氣相的應(yīng)力張量,p為相間的共享壓力,Fqs是作用在污穢顆粒上的外力(例如電場力等),g為重力加速度.
以線路常用的XP13-160 絕緣子作為具體研究對(duì)象,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示,建立幾何實(shí)體模型,對(duì)絕緣子串進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞建模.計(jì)算域的選擇需保證計(jì)算結(jié)果(流場發(fā)展和積污分布) 的準(zhǔn)確性,同時(shí)也要考慮計(jì)算的效率和速度.因此建立了如圖1 所示的數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算域.
在得到數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算域后還需對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,使計(jì)算區(qū)域離散化.考慮絕緣子幾何模型比較復(fù)雜,難以建立結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,因此采用混合網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散,即將數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算域劃分為15 個(gè)子區(qū)域如圖2(a),絕緣子數(shù)值風(fēng)洞網(wǎng)格劃分如圖2(b)和圖2(c)所示.
表1 XP13-160 型絕緣子基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of XP13-160
圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical calculation model
圖2 計(jì)算域分塊及網(wǎng)格劃分Fig.2 Calculation domain block and meshes
積污計(jì)算中將數(shù)值風(fēng)洞的入口邊界條件設(shè)為速度進(jìn)口,出口邊界條件設(shè)為充分發(fā)展出流,絕緣子表面為無滑移壁面邊界,污穢顆粒一旦與絕緣子表面發(fā)生碰撞就認(rèn)為污穢顆粒將直接吸附在壁面上.為減少數(shù)值風(fēng)洞壁面對(duì)內(nèi)部流場的影響,將數(shù)值風(fēng)洞外壁面設(shè)為對(duì)稱邊界.相關(guān)研究表明絕緣子表面的污穢顆粒的粒徑多集中在0 ~50 μm[24],大氣污染物的質(zhì)量主要集中在PM10[25-26],因此計(jì)算中將污穢顆粒近似地等效為球體,粒徑設(shè)為10 μm,密度為2200 kg/m3.因空氣中污穢顆粒的體積分?jǐn)?shù)較小,設(shè)為稀相,建立Syamlal-Obrien 方程描述污穢顆粒間的顆粒黏度.采用Wen-Yu 曳力模型來描述稀疏污穢顆粒相與空氣相間的動(dòng)量交換系數(shù).
清潔絕緣子在運(yùn)行電壓下,表面沒有積污層作為導(dǎo)電介質(zhì),所以絕緣子表面電場為靜電場.由于污穢顆粒在絕緣子表面產(chǎn)生的積污層具有一定的導(dǎo)電性,所以絕緣子的電場不再是簡單的純靜電場或恒流電場,可以視為工頻電壓作用下的時(shí)諧電磁場.在高壓絕緣設(shè)備中,由于感應(yīng)電場遠(yuǎn)小于庫倫電場,電場強(qiáng)度呈現(xiàn)無旋性,可以忽略磁場變化對(duì)電場的作用,即電準(zhǔn)靜態(tài)場[27-28].在麥克斯韋方程組基礎(chǔ)上進(jìn)行近似處理,得到電準(zhǔn)靜態(tài)場方程
式中,E為電場強(qiáng)度,H為磁場強(qiáng)度,D為電位移矢量或電通密度,J為電流密度,ρe為電荷密度,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度.
電網(wǎng)運(yùn)行電壓下絕緣子的電位分布應(yīng)滿足泊松方程
式中,φ 為電勢(shì),ρc為自由電荷的空間密度,εc為介電常數(shù).當(dāng)ρc=0 時(shí),泊松方程變?yōu)殛P(guān)于電位的拉普拉斯方程
則電場強(qiáng)度E與電勢(shì)φ 的關(guān)系為
假定絕緣子表面的導(dǎo)電積污層為各向同性介質(zhì),則在諧波狀態(tài)下導(dǎo)電積污層的控制方程可表示為
式中,JV為積污層中的體電流密度,ω 為運(yùn)行電壓的角頻率.
非均勻積污層的任一區(qū)域? 的厚度d(?) 的面電導(dǎo)率σS可以用相應(yīng)的體積電導(dǎo)率σ(即通稱的電導(dǎo)率)折算得到
積污層電導(dǎo)率σ 與濕度等因素密切相關(guān),通常由實(shí)驗(yàn)獲得[29-30].因積污層的厚度相對(duì)于絕緣子的尺寸非常小,如果直接對(duì)積污層進(jìn)行實(shí)體建模劃分網(wǎng)格計(jì)算電場,不僅會(huì)大大增加網(wǎng)格數(shù)量,而且也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格畸變.因此采用表面導(dǎo)電層單元法建模,即當(dāng)積污層很薄時(shí),認(rèn)為傳導(dǎo)電流密度和位移電流密度在流經(jīng)積污層截面時(shí)其分布是均勻的,因此可將三維的導(dǎo)電積污薄層簡化處理成一維導(dǎo)電平面,不同厚度的積污層有相應(yīng)的電導(dǎo)率表示,并作為邊界條件,將控制方程(10)式中的D和JV對(duì)該導(dǎo)電平面投射可以得到下式
式中,Ds=d(?)D為面電通密度,JS=d(?)JV為面電流密度.ρS=ρed(?)為面電荷密度,其中ρe為體電荷密度.用電位φ 可將式(12)表示為
式中,ε 為介電常數(shù),εS=d(?)ε 為面介電常數(shù),將σ和ε 代入式(12)中可以得到下式
計(jì)算積污層覆蓋下的絕緣子表面電位及電場分布時(shí),結(jié)合有限元方法,采用電準(zhǔn)靜態(tài)場模型,清潔絕緣子則采用靜電場模型分析.數(shù)值計(jì)算模型中混凝土與瓷體(表1)的介電常數(shù)分別為15 和4.2.瓷體和混凝土的電導(dǎo)率分別為10?14S/m 和10?4S/m[11-12].絕緣子串的高壓端鋼腳處施加的電位為35 kV,低壓端鋼帽處接地.
為分析絕緣子表面污穢顆粒的沉積分布情況,利用歐拉雙流體模型進(jìn)行積污計(jì)算.設(shè)置顆粒相入口處體積分?jǐn)?shù)為0.04[25],風(fēng)速以6 m/s 水平吹向絕緣子,污穢顆粒的粒徑設(shè)為10μm.氣流攜帶體積分?jǐn)?shù)為αin=0.04 的污穢顆粒流向絕緣子,在與絕緣子發(fā)生碰撞,污穢顆粒因增加附作用沉積形成積污層.由于污穢顆粒在絕緣子表面沉積導(dǎo)致壁面相鄰單元的體積分?jǐn)?shù)高于來流體積分?jǐn)?shù).因此假設(shè)當(dāng)絕緣子表面的體積分?jǐn)?shù)大于來流體積分?jǐn)?shù)時(shí),形成積污層,體積分?jǐn)?shù)小于來流體積分?jǐn)?shù)時(shí),絕緣子表面不會(huì)形成積污層.即污穢顆粒的體積分?jǐn)?shù)可直接表征絕緣子表面污穢顆粒的沉積分布狀況.在風(fēng)速為6 m/s 的情況下,污穢顆粒的體積分?jǐn)?shù)在絕緣子串表面上的分布情況如圖3 所示.絕緣子串中各個(gè)絕緣子下傘面污穢顆粒體積分?jǐn)?shù)如圖4 所示,絕緣子串中絕緣子從上到下依次編號(hào)為1,2 和3.
圖3 絕緣子串表面顆粒相體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Particle volume fraction on insulators surface
圖4 各片絕緣子下表面顆粒相體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Particle volume fraction on lower surface of each insulator
從圖3 中可以看出,在迎風(fēng)面上傘面的邊緣區(qū)域和被絕緣子鋼帽遮擋形成的背風(fēng)區(qū)域,污穢顆粒的體積分?jǐn)?shù)較大,積污較為嚴(yán)重.在絕緣子下表面的背風(fēng)面污穢顆粒的體積分?jǐn)?shù)也較大.第1 片絕緣子上表面的體積分?jǐn)?shù)小于其余2 片絕緣子上表面的體積分?jǐn)?shù).但其下表面的體積分?jǐn)?shù)與第2 片絕緣子的體積分?jǐn)?shù)并無較大差異,與第3 片絕緣子下表面的體積分?jǐn)?shù)差異最大.第1 片絕緣子上表面背風(fēng)區(qū)只受到其自身鋼帽的遮擋,該區(qū)域較難形成強(qiáng)烈的渦流,并無明顯的顆粒沉積.而第2 片和第3 片絕緣子上表面背風(fēng)區(qū)因自身鋼帽及上一片絕緣子下表面的共同影響,在該區(qū)域形成了強(qiáng)烈的渦流,污穢顆粒沉積明顯,造成第2 片與第3 片絕緣子的上表面積污大于第1 片絕緣子.同樣第3 片絕緣子下表面的體積分?jǐn)?shù)與第1 片和第2 片絕緣子下表面也有較大差異,這是因?yàn)樵诘? 片絕緣子下表面由于存在第3 片絕緣子鋼帽的遮擋,下表面背風(fēng)區(qū)棱與棱間形成了渦流,增加了積污.而第3 片絕緣子下表面僅在棱邊緣上有部分積污,其積污量相對(duì)較少.綜上,在絕緣子上表面迎風(fēng)區(qū)域和下表面正對(duì)著來流方向的區(qū)域,污穢顆粒的碰撞對(duì)積污起主要作用,即污穢顆粒與傘裙表面發(fā)生碰撞或與已沉積的污穢顆粒發(fā)生碰撞.其余部位的積污主要是由于渦流攜帶著污穢顆粒以較小的速度撞擊絕緣子表面從而形成污穢顆粒沉積.
通過污穢顆粒的體積分?jǐn)?shù),在FLUENT 15.0 中使用UDM 自定義積污層厚度變量,并使用C 語言編寫UDF 函數(shù),實(shí)現(xiàn)絕緣子表面積污層厚度d(?)的計(jì)算
式中,ρSL為積污層的密度,ρSL=(1?εV)ρS,積污層中污穢顆粒的堆積密度εV=0.45[20],ρs為污穢顆粒的材料密度,SL為? 的積污面積.ms為沉積顆粒的質(zhì)量,ms=(αc?αin)Vcρs,SL為絕緣子表面微元的面積,αc是絕緣子表面污穢顆粒的體積分?jǐn)?shù).當(dāng)αc< αin時(shí),d(?)=0.計(jì)算得到的積污層厚度分布如圖5所示.
圖5 絕緣子表面污穢沉積厚度分布(單位:mm)Fig.5 Thickness of contamination layer on insulator surface(unit:mm)
人工風(fēng)洞積污試驗(yàn)[25]顯示積污在絕緣子表面迎風(fēng)面和背風(fēng)面分布較多,而側(cè)風(fēng)面幾乎沒有積污存在,計(jì)算的積污層的分布情況與其基本吻合,說明計(jì)算所得的絕緣子表面污層厚度分布趨勢(shì)比較正確地反映了試驗(yàn)中絕緣子表面的積污分布規(guī)律,驗(yàn)證了積污模型具有一定的合理性,計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果在積污分布區(qū)域的大小上的一些差異可以認(rèn)為是絕緣子和試驗(yàn)條件的略有不同導(dǎo)致的,特別是上傘裙傾角、下傘裙結(jié)構(gòu)形狀和顆粒的粒徑分布.
建立絕緣子表面非均勻積污層電場分布模型,對(duì)其電位及電場分布情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析.以積污層電導(dǎo)率σ=5.0×10?4為例[11],對(duì)積污后的電場分布等進(jìn)行闡述.
當(dāng)均勻積污層覆蓋絕緣子表面時(shí),其表面電位分布如圖6(a)所示.由于絕緣子表面迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面積污層的厚度各不相同,導(dǎo)致絕緣子表面不同周向位置處的電位降存在差異,但整體而言趨勢(shì)影響并不是很大,即周向位置的差異對(duì)其電位分布的影響不是很大.如圖6(b)所示,當(dāng)絕緣子表面積污層分布不均勻時(shí),不同周向位置處的沿面電場也發(fā)生了較大的畸變,電場分布變得極不均勻.迎風(fēng)面和背風(fēng)面沿面最大場強(qiáng)都出現(xiàn)在高壓側(cè),最大值分別為51.37 kV/cm 和24.56 kV/cm.絕緣子表面積污層的不均勻分布使得絕緣子串中每片絕緣子沿面電場強(qiáng)度的極值出現(xiàn)的位置與其周向位置有關(guān),側(cè)風(fēng)面相對(duì)于迎風(fēng)面與背風(fēng)面發(fā)生了明顯的偏移,據(jù)此可以推斷出絕緣子表面放電的位置也隨之偏移.
圖7(a)是非均勻積污層分布條件下絕緣子串表面場強(qiáng)分布云圖.由圖7(b)和圖7(c)可知,在清潔和均勻積污條件下,絕緣子串的沿面電場沿周向均勻一致分布.由圖8 可知,在清潔條件下,場強(qiáng)最大值發(fā)生在鋼腳處;在積污層均勻覆蓋條件下,場強(qiáng)值在一定范圍內(nèi)波動(dòng).而在非均勻分布條件下圖7(a) 所示,絕緣子串沿面電場分布極不均勻,背風(fēng)面及側(cè)風(fēng)面處的場強(qiáng)較大,而迎風(fēng)面的場強(qiáng)較小.同一絕緣子表面在背風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面積污層交界處場強(qiáng)較大,這是由于導(dǎo)電積污層的存在,使得兩側(cè)的電壓降相差較大,從而在該處具有較大的場強(qiáng).非均勻積污層分布條件下,絕緣子串中不同片絕緣子的電場強(qiáng)度分布也不相同.
圖6 非均勻積污層分布下沿面電位和電場分布(σ=5.0×10?4 S/m)Fig.6 Electric field strength and potential distributions for non-uniform(σ=5.0×10?4 S/m)
當(dāng)積污層的濕潤狀態(tài)不同時(shí),其電導(dǎo)率也不相同.不同積污層電導(dǎo)率下絕緣子不同位置處的沿面電場分布情況如圖9 所示.從圖中可以看出,隨著積污層電導(dǎo)率的增大,迎風(fēng)面、背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的平均場強(qiáng)均大于清潔絕緣子表面的平均場強(qiáng),且背風(fēng)側(cè)的場強(qiáng)畸變幅度最大.同時(shí)可以看出隨著積污層電導(dǎo)率的變化,絕緣子表面場強(qiáng)畸變的位置也隨之遷移變化,其中背風(fēng)面,電場畸變位置遷移距離最大.當(dāng)積污層的電導(dǎo)率為5.0×10?3S/m 時(shí),背風(fēng)側(cè)的場強(qiáng)最大位置由鋼腳處偏移到上表面?zhèn)闳惯吘?且最大場強(qiáng)出現(xiàn)在高壓端處的絕緣子上表面?zhèn)闳惯吘?這是因?yàn)樵诒筹L(fēng)面?zhèn)闳惯吘壋练e的污穢較少,使得該區(qū)域積污層的電導(dǎo)率幾乎為0.
圖7 不同積污層分布條件下絕緣子串表面電場分布(單位:V/m)Fig.7 Electric field strength distributions for different condition(unit:V/m)
圖8 絕緣子串沿面場強(qiáng)分布(單位:V/m)Fig.8 Electric field strength distributions along an insulator string(unit:V/m)
通過對(duì)非均勻積污條件下絕緣子串沿面電位和電場分布的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)絕緣子串表面由于非均勻積污層分布使得其沿面電場電位分布發(fā)生了極大的變化,特別是背風(fēng)面的電場畸變幅度最大.根據(jù)以上研究,可以發(fā)現(xiàn)隨著積污層對(duì)絕緣子表面電位及電場的影響,使得絕緣子表面電場發(fā)生嚴(yán)重畸變,當(dāng)電場強(qiáng)度超過空氣的擊穿場強(qiáng)(33 Kv/cm)時(shí),絕緣子表面就會(huì)形成放電通道,從而引發(fā)絕緣子污閃.
圖9 不同積污層電導(dǎo)率下絕緣子串不同位置處的沿面電場分布Fig.9 Electric field strength distributions along the insulator string under different conductivity
將引起絕緣子污閃事故的兩大過程—–絕緣子積污和表面電場畸變,進(jìn)行耦合分析污閃發(fā)生的機(jī)理.通過建立歐拉?歐拉氣固兩相流數(shù)值模型,對(duì)絕緣子的積污過程進(jìn)行仿真模擬,得到非均勻積污層后,創(chuàng)建積污層的表面導(dǎo)電層單元,解決了積污層太薄而導(dǎo)致的網(wǎng)格畸變問題,從而建立了有效的積污絕緣子電場的有限元分析模型,對(duì)非均勻積污層分布的絕緣子串進(jìn)行電位及電場分析,探討了絕緣子表面積污層周向位置對(duì)電位及電場分布的影響以及電場畸變引發(fā)絕緣子污閃的情況.結(jié)論如下:
(1)在絕緣子上表面迎風(fēng)區(qū)域和下表面正對(duì)著氣流來流方向的區(qū)域,污穢顆粒的碰撞對(duì)積污起主要作用.其余部位的積污主要是由于渦流攜帶著污穢顆粒以較小的速度撞擊絕緣子表面從而形成污穢顆粒沉積.
(2)在積污層非均勻分布情況下,絕緣子表面積污層周向位置對(duì)其電位分布的趨勢(shì)影響較小,但對(duì)絕緣子表面電場畸變的發(fā)生位置影響較大.周向位置的不同,電場畸變位置的偏移也不同,且背風(fēng)面的電場畸變的偏移位置最大.
(3) 隨著積污層電導(dǎo)率的增大,迎風(fēng)面、背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的平均場強(qiáng)均大于清潔條件下絕緣子表面的平均場強(qiáng),且背風(fēng)側(cè)的場強(qiáng)畸變幅度最大.同時(shí)可以看出隨著積污層電導(dǎo)率的變化,絕緣子表面場強(qiáng)畸變的位置也隨之遷移變化,其中背風(fēng)面電場畸變位置遷移位移最大.