覆冰复合绝缘子的流体力学特性分析

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　　摘  要：以三大二小伞裙结构的复合绝缘子为仿真模型，研究复合绝缘子覆冰情况下的流体力学特性。结果表明，气流在绕过覆冰复合绝缘子芯棒和伞裙的过程中，绝缘子芯棒后面的流速很低，绝缘子背风面有轻微涡流产生，水滴随气流存在回流现象，芯棒处回流现象也更加明显，随着覆冰的发展，覆冰速度先增大后减小，覆冰厚度10mm时覆冰速度达到最小。
　　关键词：复合绝缘子  覆冰  流体力学
　　中图分类号：TM216    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0098-02
　　1  绝缘子仿真模型与分析方法
　　1.1 模型选择
　　建立三大二小伞裙结构的复合绝缘子模型，覆冰厚度的增加在伞裙上部分和芯棒上加厚，分别加2、5、10mm作为不同覆冰情况的模型。对于覆冰2、5、10mm的模型，分别在上伞裙还有芯棒上增加相应的尺寸，形成新的覆冰模型。
　　1.2 分析方法
　　利用fluent软件进行仿真分析，将绝缘子置于风洞内，风洞中的气流可看作是低速不可压缩的流体，因此求解器选择压力基隐式算法，选取k-ε模型，标准k-ε模型的湍流动能k和湍流耗散率ε的半经验公式为：
　　 （1）
　　 （2）
　　 （3）
　　其中，k、ξ分别为湍流动能和湍流耗散率;Pt为湍动能生成项;?t为湍流粘性系数。
　　风洞出口为出流边界条件，绝缘子表面为无滑移壁面边界，采用标准壁面函数法处理。
　　2  气流发展状况
　　由静压云图可判断气流与绝缘子表面碰撞的激烈程度，即绝缘子受力情况[1]，由仿真发现复合绝缘子的上伞裙迎风面压力大，由于下伞裙有7°的倾角，其迎风面边缘压力最小，背风面压力比上伞裙背风面大，即下伞裙背风面回流现象比上伞裙背风面回流现象明显一点。因此总体上上伞裙捕获的水滴比下伞裙多得多，水滴在下伞裙更易跟随气流脱离绝缘子。绝缘子串背风面的芯棒、伞边缘、伞上表面、芯棒两侧面的静压值较小，这些区域除了伞下表面芯棒根部因自由来流方向被伞边缘及上表面所阻挡导致液滴在到达伞下表面芯棒根部之前已被伞边缘及上表面所捕获，其余区域可认为是水滴颗粒碰撞的高发区域。
　　不同覆冰情况的复合绝缘子，覆冰越严重，总体受到的压力越大[2]，伞裙的各部位的压力情况基本相同，但是芯棒有区别，2mm覆冰时芯棒较细，压力由水滴来流方向逐渐减小，背风面没有明显的回流，10mm覆冰时芯棒变粗，背风面有较明显的回流，压力变大。因此覆冰越严重，芯棒的背风面会有越来越多的水滴撞击在上面形成覆冰，覆冰越严重时，芯棒侧面的覆冰增长速度会稍微变慢。
　　3  水滴运动状况
　　由速度矢量图可推测水滴颗粒的运动情况，由仿真发现，绝缘子迎风面芯棒处的气流出现减速绕流的现象，气流到达芯棒的迎风面时受阻，使芯棒周围静压急剧增大而气流速度减小，受到运动方向强阻力作用的气流将沿着芯棒两侧面绕流，当气流经过芯棒两侧时，出现明显的减压加速现象，可看出芯棒两侧的气流速度要比伞裙两边气流速度快，后以低速继续向前流动。
　　气流在绕過绝缘子芯棒和伞裙的过程中，绝缘子芯棒后面的流速很低，由于逆压强梯度作用和绝缘子表面粘性滞止效应，绝缘子背风面有轻微涡流产生，水滴随气流存在回流现象，在伞的上下表面的背风面处存在气流回流的现象，主要集中在芯棒根部的位置，由于复合绝缘子伞裙间距和伞裙倾角较小，回流现象不明显，所以碰撞到绝缘子背风面的水滴极少，随着覆冰越严重，背风面的回流较明显，当覆冰只有2mm时芯棒直径较小，芯棒处回流现象不是很明显，当覆冰10mm时芯棒直径增大很多，芯棒处回流现象也变得较明显，回过头看静压云图，覆冰不严重时，芯棒处背风面是低压区，压力由迎风面到侧面再到背风面逐减小，当严重覆冰时的绝缘子芯棒处压力不是由迎风面向背风面逐渐减小，而是侧面稍微<背风面，这也显示了背风面有比较明显的回流，使得压力变大。
　　4  覆冰发展情况
　　水滴与复合绝缘子存在一个碰撞过程，水滴碰撞复合绝缘子后存在反弹现象，留在复合绝缘子上的水滴会加速覆冰的发展[3]。以水滴撞击复合绝缘子的概率来判断覆冰发展，即水滴撞击系数小则复合绝缘子不易覆冰，系数大则越易覆冰。
　　覆冰发生时的水滴为过冷却水滴，过冷却水滴的碰撞系数与覆冰程度是正相关的关系，可以通过研究不同工况下的过冷却水滴碰撞系数得出复合绝缘子覆冰的发展过程。该文以2、5、10mm覆冰模拟覆冰发展过程中的不同工况。
　　建立不同覆冰厚度的复合绝缘子模型，仿真发现，当发生雾凇覆冰时，即滴径10μm时总体水滴撞击率较小，在0.2以下，当速度在5m/s以下时，水滴撞击率大概是20m/s时的一半，此时冰厚由无覆冰变化到2mm覆冰时，水滴撞击率稍有增加，在2mm变换到5mm覆冰时，速度5m/s的水滴继续平稳上升，而速度在2.5m/s时略有下降。当速度达到20m/s时与5m/s及以下有很大不同，冰厚2mm以下是先减小，由冰厚2mm变换到5mm时是略有增加，但从5mm到覆冰非常严重的10mm时，无论何种速度水滴撞击率都下降得非常明显，说明覆冰增长率在下降，到达稳定的覆冰情况就不再增加覆冰。
　　当发生混合淞覆冰时，即50μm滴径时，5mm冰厚之内的复合绝缘子覆冰的不同对于撞击率的影响并不是很明显，曲线趋于平稳，2.5m/s基本一样，5m/s的流速先稍微下降再稍微上升，同样流速20m/s时撞击率最高，5m/s时次之，2.5m/s时最小。
　　当发生雨凇覆冰时，即110μm滴径时，20m/s的流速的水滴撞击率跟前面两种情况不同，并不是最高，因为雨凇覆冰，水滴质量较大，速度对于水滴的影响没前两种情况明显，且20m/s时，冰厚由小到大，撞击率先增大后减小，2.5m/s和5m/s时的情况先平稳减小后减小特别明显。
　　3种情况都有相同的地方，即覆冰10mm时撞击率很小，说明此时覆冰增长率很小，覆冰增长将变慢。
　　5  结语
　　综上所述，得出以下结论。
　　（1）覆冰复合绝缘子下伞裙迎风面边缘压力最小，下伞裙背风面压力比上伞裙背风面大，即下伞裙背风面回流现象比上伞裙背风面回流现象更明显一点，总体上上伞裙捕获的水滴比下伞裙更多。
　　（2）气流在绕过覆冰复合绝缘子芯棒和伞裙过程中，绝缘子芯棒后面的流速很低，水滴随气流存在回流现象，随着覆冰的发展，芯棒处回流现象更加明显，即背风面更易覆冰。
　　（3）随着覆冰厚度的增加，覆冰增长速度先增大后减小，覆冰10mm时，水滴撞击率最小，说明此时覆冰增长率很小，覆冰增长将变慢。
　　参考文献
　　[1] 郝艳捧，薛艺为，阳林，等.复合绝缘子不同部位水滴撞击特性及其影响因素[J].电网技术，2014（5）：1366-1372.
　　[2] 张志劲，黄海舟，蒋兴良，等.基于流体力学的不同型式绝缘子覆冰增长过程分析[J].电工技术学报，2012（10）：35-43.
　　[3] 汪诗经，舒立春，蒋兴良，等.均压环安装位置对220kV复合绝缘子覆冰及其闪络特性的影响[J].电网技术，2013（6）：1619-1624.
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