基于流体力学原理的悬垂绝缘子串积污特性研究

污闪是电力系统安全运行的主要危险。研究绝缘子的积污特性,能使我们确定绝缘子在各种严酷气象条件下的积污状况,并采取措施,从而有效减少污闪的发生。积污过程是污秽颗粒碰撞绝缘子表面的流体力学过程,国内外曾用各种人工方法分析绝缘子积污特性,但都并未运用计算流体力学的原理对绝缘子的积污特性进行分析。本文采用CFD技术实现悬式绝缘子积污过程中外部流场的数值模拟,并计算不同型式悬式绝缘子的污秽颗粒撞击特性,实现根据气候条件、污秽类型以及污秽程度等各种影响因素对悬式绝缘子选择的影响。 本文首先分析绝缘子的积污过程,以及边界层分离和气流倾角对绝缘子积污的影响,并根据计算流体力学方法,利用仿真软件Fluent,利用合适的数值模拟方法,考虑旋流流动采用RNG k-ε湍流模型对空气流场进行数值计算;通过分析绝缘子表面污秽颗粒的力学特性,采用拉格朗日坐标系下的颗粒轨道模型跟踪污秽颗粒运动轨迹,并考虑湍流脉动对颗粒扩散的影响,从而得到绝缘子表面的污秽颗粒碰撞特性,在得到了绝缘子外部流场的基础上分析了空气来流速度(v)、污秽颗粒直径(dP)、气流倾角等对绝缘子积污特性的影响。最后,本文利用国内外对绝缘子积污的试验研究验证分析计算结果,并根据计算结果得出线路设计的绝缘子选择规律。 论文研究表明,绝缘子表面积污过程与布朗运动、气流曳力、湍流扩散、重力自沉降有关。其中弱风环境下,表面积污主要与布朗运动和湍流扩散相关,强风环境下主要与气流曳力相关。总体来说,绝缘子表面积污主要与污秽颗粒粒径和气流风向倾角相关,污秽颗粒粒径越大,绝缘子上表面碰撞系数越大,气流风向倾角越大,绝缘子下表面碰撞系数越大。风速的增大虽然能导致绝缘子表面碰撞系数的增大,但影响不是很大,碰撞系数增长较缓慢。三种型式绝缘子相比较,虽然双伞型绝缘子XWP-160流线性较好,在水平气流下表面碰撞系数较小,但在非水平气流下钟罩型绝缘子由于其大盘径且绝缘子之间比较紧凑,整体表面碰撞系数最小。 由于雨水的冲刷作用,绝缘子下表面的污秽情况往往比绝缘子上表面严重几倍,因此在电网线路设计的时候考虑绝缘子下表面积污,尽量避开产生非水平气流的地域,如海拔高度变化剧烈的山脉、海岸地带,或者选择结构简单的复合绝缘子。 本文的研究结果对进一步分析悬式绝缘子的积污特性和设计绝缘子具有重要的参考价值。