典型瓷绝缘子积污特性模拟研究

摘要

典型瓷绝缘子因其自清洁性好、耐污电压高且相同条件下积污量少的优势在输电线路上得到了广泛应用。近年来频发的雾霾天气所带来的颗粒湿沉降问题，不仅增加了绝缘子表面的积污量，其湿度较大的特点也为污闪事故的发生创造了条件。因此，作为污闪事故发生的前提，研究雾霾环境下典型瓷绝缘子的积污特性显得十分必要。 本文分析了污秽颗粒运动及碰撞粘附过程的受力，探讨了湿度环境下空气参数、粘附力和摩擦力的计算方法以及表面能的计算方法；简述了本校典型瓷绝缘子的风洞积污试验，并基于此建立了对应的风洞积污物理模型；依次从湿度和表面能角度对基于能量的原污秽颗粒沉积模型进行了递进式优化，并与试验结果进行了对比，以期减小风洞积污模拟结果与试验结果间的误差，验证并获得颗粒沉积优化模型。籍此，利用最终获得的优化模型，模拟研究了非雾霾和雾霾环境下瓷双伞绝缘子积污特性的差异，分析了110kV输电线路直、交流电压作用下和不带电情况时电压类型、风速、粒径、湿度和污秽浓度等单、复因素对绝缘子积污特性的影响。 结果表明：1)基于湿度和表面能模型的模拟结果，其与对应的风洞试验结果间的平均相对误差，分别在上一步模拟的基础上可依次递减 41.83%、15.46%，且最终模拟结果与试验结果的误差可减小至12.18%，优化后的模拟结果随直流电压的变化趋势与试验结果更相似，验证了优化模型的合理性。2)基于该优化模型的瓷双伞绝缘子，在非雾霾环境下，其它条件相同时，直流电压作用下积污量最大，且较小风速(≤2m/s)时，不带电次之，交流电压作用下积污量最小；而较大风速(>2m/s)时，不带电时的积污量最小。3)不同风速条件下，随颗粒粒径的增加，积污直交比逐渐增大；而不同粒径条件下，随风速的增大，积污直交比呈减小的趋势，即风速增大时，直、交流电压作用下积污量的差异减小。4)非雾霾环境下，粒径较大(≥5?m)时，直流电压作用下绝缘子的积污量在 2m/s 风速下达到最小，交流电压作用下的积污量变化与风速呈正相关，即随风速增大而增加；而不带电时其积污量在1.5m/s风速下取得极值。5)相同条件下，雾霾环境下的积污量大于非雾霾环境下的，且污染环境对交流输电线路的影响大于直流输电线路。6)雾霾环境下，随着粒径的增大，直流电压作用下绝缘子上、下表面的积污量达到相等时的交点风速逐渐减小甚至消失。7)相同条件下，在轻度(即污秽浓度 0.15mg/m3)和重度污染(即污秽浓度0.45mg/m3)环境下风速对积污直交比的影响程度相似，几乎一致。8)当湿度为20%~50%且其它条件相同时，直流电压作用下其积污量的增长量和增长率均大于湿度为50%~80%范围内的，而交流电压作用下则与之相反。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 雾霾形成机理及其影响

1.2.2 绝缘子积污影响因素

1.2.3 沉积条件研究现状

1.3 本课题的主要研究内容

第2章 数学模型及受力分析

2.1 多物理场数学模型

2.1.1 流场数学模型及其控制方程

2.1.2 电场数学模型及其控制方程

2.1.3 颗粒场数学模型及其控制方程

2.2 湿度对颗粒沉积各因素的影响分析及其计算方法

2.2.1 湿度对空气参数的影响分析

2.2.2 湿度对粘附力的影响分析

2.2.3 湿度对摩擦力的影响分析

2.3 表面能对颗粒沉积影响分析及其计算方法

2.3.1 表面能对颗粒沉积的影响分析

2.3.2 表面能的计算方法

2.4 污秽颗粒受力分析

2.5 原污秽颗粒沉积模型

2.6 本章小结

第3章 风洞试验及绝缘子仿真模型优化研究

3.1 风洞试验简介及其数值模拟

3.1.1 风洞试验及方法简介

3.1.2 仿真模型建立及网格划分

3.1.3 单值性条件设置

3.1.4 原模型模拟结果与其试验结果分析

3.2 基于湿度的污秽颗粒沉积模型及模拟结果分析

3.2.1 单值性条件设置

3.2.2 湿度模型模拟结果及其与试验结果对比分析

3.3 基于表面能的污秽颗粒沉积模型及模拟结果分析

3.3.1 表面能大小的确定

3.3.2 表面能模型模拟结果及其与试验结果对比分析

3.4 本章小结

第4章 非雾霾环境下瓷双伞绝缘子积污特性模拟研究

4.1 仿真模型建立及网格划分

4.2 单值性条件设置

4.2.1 流场边界条件设置

4.2.2 电场边界条件设置

4.2.3 颗粒场边界条件设置

4.3 多物理场模拟结果分析

4.3.1 流场模拟结果

4.3.2 电场模拟结果

4.3.3 场力模拟结果

4.3.4 颗粒速度响应时间模拟结果

4.4 瓷双伞绝缘子积污特性模拟结果分析

4.4.1 风速对积污特性的影响分析

4.4.2 颗粒粒径对积污特性的影响分析

4.4.3 电压类型对积污特性的影响分析

4.4.4 沿绝缘子伞裙积污分布特性研究

4.4.5 绝缘子上下表面积污分布特性研究

4.5 本章小结

第5章 雾霾环境下瓷双伞绝缘子积污特性模拟研究

5.1 多物理场模拟结果分析

5.1.1 场力模拟结果

5.1.2 颗粒速度响应时间模拟结果

5.2 瓷双伞绝缘子积污特性模拟结果分析

5.2.1 风速对积污特性的影响分析

5.2.2 电压类型对积污特性的影响分析

5.2.3 湿度对积污特性的影响分析

5.2.4 污秽浓度对积污特性的影响分析

5.2.5 沿绝缘子伞裙积污分布特性研究

5.2.6 绝缘子上下表面积污分布特性研究

5.3 雾霾环境与非雾霾环境下积污特性对比

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢