扬尘条件下带电污秽颗粒对绝缘子电位和电场分布的影响研究

0引言

位于我国西北地区的甘肃省,春季干燥多风,荒漠化的干旱缺水,为扬尘天气的形成提供了条件^[1]。文献[2]研究表明空气中的污秽颗粒等离子体是一个由电子、正负离子、中性粒子和颗粒组成的复杂系统。文献[3]对颗粒运动下的静电效应与荷电特性进行相关研究,结果表明颗粒碰撞点的外电场大小和方向由电势分布决定。文献[4-5]指出干燥\洁净绝缘子的电位和电场分布主要取决于绝缘子形状。文献[6]以铁路用FQB-25/12型腕臂绝缘子为研究对象,计算分析了绝缘子表面污秽分布的影响。文献[7-8]研究结果表明大气中的雾霾颗粒不带电时基本不会改变绝缘子沿面电位和电场。

综合以上研究发现,关于空气中的带电颗粒在运动过程中对绝缘子表面电位和电场影响的研究较少,也未研究带电颗粒与绝缘子表面的碰撞、沉积。因此,研究扬尘中带电颗粒对带电运行绝缘子的多物理场耦合影响非常必要。

1 模型建立

1.1 绝缘子模型

以电力线路用XP-160绝缘子串为研究对象,单片XP-160绝缘子的相关尺寸如表1所示。

表中H表示试品结构高度,D表示XP-160绝缘子盘径,L表示单片XP-160绝缘子爬电距离。

单片XP-160绝缘子形状及剖面结构如图1所示。

以3片XP-160绝缘子实际悬挂串为研究对象,为了反映更实际的电场情况,根据绝缘子结构参数和悬挂方式进行1:1等比例建模,对模型不进行简化处

理,3D全尺寸模型及其剖面图分别如图2(a)和图2(b)所示。

1.2 多物理场风洞模型

由于要考虑扬尘中的带电污秽颗粒对绝缘子表面电场分布的影响,即要考虑多物理场耦合情况下的数值分析,建立风洞进行空间扬尘条件模拟,并考虑空间中气流速度的作用。模型绝缘子串安装后的结构长度约为465 mm,盘径为255 mm,模型绝缘子串为对称结构,为了更切合运行中的实际情况,建立风洞的长、宽、高分别为绝缘子串尺寸的7倍,即风洞的长、宽、高分别为3 255、1785、1785 mm,如此的风洞设计可以保证湍流计算模拟的准确性;进一步考虑到空间电场的分布,需在外围建立100 mm宽度的区域进行无限元域模拟。多物理场耦合风洞模型如图3所示。

2 电位和电场分布分析结果

采用新造、未染污的XP-160洁净绝缘子串进行电位和电场分布的研究。以甘肃陇东地区330 kv输电线路为研究背景,3片XP-160组成的绝缘子串为研究对象,模型高压端金具电位设置为330 kv,低压端金具电位设置为0 kv。材料具体参数如表2所示。

2.1洁净空气条件下的电位和电场分布

求解后得到电位和电场强度的分布云图如图4所示。

由图4可知,电位分布比较均匀;电场分布在绝缘子伞面比较均匀,且电场强度较小;在金具与电瓷接触处,电场强度最大,为3×10⁴kv/m;其余位置电场分布比较均匀。

2.2 带电颗粒对绝缘子电位分布的影响

模型需进行多物理场耦合,耦合场包括静电场模块、扬尘颗粒相互作用模块、流场模块和扬尘颗粒运动模块。风洞左侧面为流场入口,流场流速设置为20 m/s,风洞壁面不允许发生滑移现象。颗粒直径设定为20μm,10 000个粒子,释放时间2 s,其中25%为正电荷,30%为负电荷,45%不带电。对绝缘子表面的电场强度沿爬电路径进行提取,提取路径如图5所示。

分别沿图5所示路径对0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s六个时刻的绝缘子表面电场强度进行提取,提取结果如图6所示。

分析图6可知,随着扬尘中带电颗粒的来临,除了高压端和低压端电位由于钳制作用保持不变,绝缘子表面的电位分布有了明显的变化,对于爬电距离为1184.6mm位置处,在0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 s时刻其电位分别为2.17× 10⁵、2.21×10⁵、2.23×10⁵、2.26×10⁵、2.33×10⁵、2.47×10⁵v,后五个时刻相比0s电位分别增大了1.84%、2.76%、4.15%、7.37%、13.82%。

2.3 带电颗粒对绝缘子电场分布的影响

对多物理场耦合后的绝缘子串表面电场进行求解。沿图5所示路径进行绝缘子沿面电场提取,提取的时刻分别为0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80S,结果如图7所示。

分析图7可知,在扬尘条件下,空间中的带电颗粒作用使得绝缘子表面的电场明显增大,伞裙上电场的变化明显大于金具场强的变化,变化最大位置出现在靠近低压端伞裙根部;在电场最大处,0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80S时刻的电场强度分别为1.05 ×10⁷、1.22 ×10⁷、1.26 ×10⁷、1.30 ×10⁷、1.34 ×10⁷、1.44 ×10⁷ V/m,后五个时刻相比0S电场强度分别增大了16.19%、20%、23.81%、27.62%、37.14%。

3结论

本文以330 kV高压输电线路用XP一160绝缘子串为研究对象,通过建立风洞进行环境数值模拟,计算扬尘中带电颗粒在多物理场耦合下对绝缘子串电位和电场分布的影响。研究结果表明:

1)扬尘条件下,空气中的带电颗粒对带电运行绝缘子串的电位和电场分布有较大影响,在考虑环境对绝缘子的影响时,不可忽略。

2)在扬尘中带电颗粒靠近带电运行绝缘子串时,绝缘子伞裙的电位变化幅度明显,在绝缘子完全处于扬尘中时,伞裙表面电位达到最大值,其相较于洁净时的绝缘子电位增大了13.82%。

3)在扬尘条件下带电颗粒对绝缘子伞裙表面的电场影响大于对金具电场的影响,电场变化最大位置在靠近低压端伞裙根部,电场变化最大时刻为绝缘子完全处于扬尘中时,变化量为37.14%。

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2024年第23期第6篇