基于流体力学的覆冰地区用复合绝缘子伞裙结构研究

现有伞型结构的复合绝缘子在覆冰地区易被冰凌桥接,且其冰闪特性并不明显优于瓷和玻璃绝缘子,覆冰及其冰凌桥接伞裙已成为制约复合绝缘子在覆冰地区应用的重要因素。覆冰是气流中过冷却水滴与绝缘子碰撞的流体力学过程,因此从覆冰过程中的流体力学特性角度来分析计算不同伞型结构复合绝缘子的水滴撞击特性,可实现合理设计和选择覆冰地区复合绝缘子伞型结构的目的。 由于复合绝缘子外部的三维空气绕流流场和水滴颗粒运动的复杂性,使用解析法对其进行求解十分困难,虽利用风洞人工模拟覆冰过程中复合绝缘子的水滴撞击特性较为直观和理想,但试验装置建设困难,且试验周期长、经费投入多,人力物力消耗大,而且受到测量精度等的限制。因此借助于计算机模拟技术来研究覆冰条件下复合绝缘子外部流场的流动规律,进而优化复合绝缘子的伞裙结构,可以大大缩短研发周期,具有重要的学术意义和工程应用价值。 本文根据流体力学的基本原理和覆冰气象下复合绝缘子外部气液两相流场的物理特征,建立了合适的数值模拟模型和方法,分别采用标准k-ε湍流模型和颗粒轨道模型对空气连续相和水滴离散相的流动进行数值计算。在此基础上运用CFD软件FLUENT实现了对空气流场和过冷水滴撞击复合绝缘子表面过程的数值模拟,并结合人工覆冰试验验证了数值模拟的可行性。本文分析了覆冰过程中复合绝缘子的水滴碰撞系数等水滴撞击特性和自由来流速度(V)、水滴平均有效直径(MVD)、绝缘子伞裙倾角、伞裙间距、伞裙直径和伞裙直径比等对水滴撞击复合绝缘子表面特性的影响,得到以下主要结论: ①气流中过冷却水滴与复合绝缘子碰撞时其碰撞系数与伞裙结构有关,因此优化伞裙结构可减缓绝缘子覆冰。 ②水滴平均有效直径(MVD)和自由来流速度(V)影响复合绝缘子的覆冰特性。水滴碰撞系数、伞裙表面水滴撞击范围和伞裙表面局部的水滴碰撞系数均随MVD和V的增大而增大,将造成复合绝缘子表面更为严重的覆冰。 ③水滴碰撞系数随伞裙上倾角的增大而减小,随伞裙下倾角的增大而增大。 ④水滴碰撞系数均随伞裙直径和相邻伞裙直径比的增大而减小,其中,增大伞径比是首选的要素。伞裙间距对水滴碰撞系数的影响相比于伞裙直径和伞裙直径比可以不被考虑。 根据计算结果,基于覆冰特性,并综合复合绝缘子的电气特性,提出了应用于覆冰地区复合绝缘子伞裙结构优化的几点建议: ①伞裙上倾角选取15°、下倾角选取0°; ②采用不等伞径的伞裙组合,相邻大伞之间可间插三个以上小伞,增大伞裙间的伞径比; ③相邻伞裙间距应大于30mm。 最后根据以上几点建议,设计了一种适用于覆冰地区的复合绝缘子伞型结构。 本文的研究结果对进一步分析复合绝缘子的覆冰特性和覆冰地区复合绝缘子伞裙结构的设计和应用具有重要的参考价值。