超大伞裙腕臂复合绝缘子积污分布的风洞模拟

doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.08.015

超大伞裙腕臂复合绝缘子积污分布的风洞模拟

董海燕^,, 张友鹏^,, 李少远, 董海龙

Wind tunnel simulation on contamination distribution of cantilever composite insulator with booster sheds

DONG Hai-yan^,, ZHANG You-peng^,, LI Shao-yuan, DONG Hai-long

通讯作者: 张友鹏，男，教授. orcid.org/0000-0001-6543-8458. E-mail： zhangyp@mail.lzjtu.cn

收稿日期: 2019-01-8

Received: 2019-01-8

作者简介 About authors

董海燕(1987—)，女，博士生，从事高电压绝缘研究.orcid.org/0000-0002-5523-6649.E-mail：donghaiyancool@126.com , E-mail：donghaiyancool@126.com

摘要

为了提高盐湖重污区接触网腕臂复合绝缘子的防污效果，降低污闪事故率，在清洁复合绝缘子的电场转折点处加装超大伞裙，以提高绝缘子防污能力和增大绝缘子的爬电距离，从源头改善绝缘子的外绝缘性能. 以工频电磁场理论和气固两相流理论为基础，采用COMSOL Multiphysics电场、流场及粒子追踪场等建立多场单相耦合的绝缘子风洞积污有限元模型. 将碰撞系数和分布系数作为绝缘子积污量的表征参数，利用数值模拟分析布置方式和环境因素对积污特性的影响. 结果表明, 在平、斜安装下，碰撞系数随风速的增大而增大，随粒径的增大呈现先增大后减小的趋势；当风向为0°时，碰撞系数最小；当风速越大或粒径越大或风向为[0°, ±30°]时，布置方式对碰撞系数的影响越明显；当风速为30 m/s、粒径为15 μm时，伞裙表面的分布系数与风向的关系符合“γ”型分布. 通过加装超大伞裙，两超大伞裙间的碰撞系数及与超大伞裙相邻的单个伞裙表面的碰撞质量大大减小.

关键词： 腕臂复合绝缘子 ; 超大伞裙 ; 布置方式 ; 积污特性 ; 数值分析

Abstract

The booster sheds were installed at the electric field turning point of the clean composite insulator to improve the anti-contamination ability of insulator and increase the creeping distance, thereby improving the external insulation property from the source. The purpose was to improve the anti-contamination effect of cantilever composite insulator for overhead contact system in the heavy contaminated area of the salt-lake, and further reduce pollution flashover accidents. A multi-field and single-phase coupling finite element model of contamination insulator in wind tunnel was established by using COMSOL Multiphysics electric field, flow field and particle tracking field, based on the theories of power frequency electromagnetic field and gas-particle two-phase flow. The effects of suspension mode and environmental factors on the contamination characteristics were analyzed numerically, taking the collision coefficient and the distribution coefficient as the characterization parameters of insulator contamination. Results showed that the collision coefficient increased with the increase of wind speed and increased first and then decreased with the increase of particle size, when the insulator was installed horizontally or obliquely. The collision coefficient reached minimum when the wind direction was 0°. The effect of suspension mode on the collision coefficient was greater when the wind speed or particle size was larger or the change range of wind direction was between negative thirty degree and thirty degree. The relationship between the distribution coefficient of the sheds and the wind direction was in line with the " γ” type when the wind speed was 30 m/s and the particle size was 15 μm. The collision coefficient between the two booster sheds and the collision quality of the single shed adjacent to the booster sheds greatly reduced with the installation of the booster sheds.

Keywords： cantilever composite insulator ; booster shed ; suspension mode ; contamination characteristics ; numerical analysis

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本文引用格式

董海燕, 张友鹏, 李少远, 董海龙. 超大伞裙腕臂复合绝缘子积污分布的风洞模拟. 浙江大学学报(工学版)[J], 2019, 53(8): 1563-1571 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.08.015

DONG Hai-yan, ZHANG You-peng, LI Shao-yuan, DONG Hai-long. Wind tunnel simulation on contamination distribution of cantilever composite insulator with booster sheds. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2019, 53(8): 1563-1571 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.08.015

盐湖风区是兰新铁路和兰新高铁的必经之地. 兰新高铁接触网腕臂采用复合绝缘子，复合绝缘子的憎水性、憎水迁移性和结构特点使其具有较好的防污闪能力^[1]. 但是，在盐湖重污区，每年风季的大风会造成周边大量盐碱粉尘附着在绝缘子表面，遇到雪雾天气，仍有污闪事故发生. 接触网绝缘子污闪是区域性问题，相当于两相短路故障^[2]，会造成大面积和长时间的停电，严重影响牵引供电的可靠性与安全性. 因此，针对盐湖重污区，如何进一步优化绝缘子伞裙结构，提高防污能力是值得深入研究的问题.

目前，国内外研究主要针对结构优化，在污闪电压允许的情况下改善积污能力^[3-6]，或者在积污量不变的情况下提高污闪电压^[7-10]. 对复合绝缘子加装增爬超大伞裙的方法在电力系统输电线路绝缘子上已经得到应用，李耀中等^[11]设计了在高压端第1或第2大伞裙位置处加装直径为30 cm的超大伞裙的复合绝缘子，应用于新疆电力系统输电线路，防止鸟粪闪络和覆冰闪络；江全元等^[12]采用有限元法仿真分析不同数量超大伞裙下覆冰复合绝缘子的电位和电场分布，认为在覆冰时超大伞裙结构绝缘子的电位和电场分布优于普通绝缘子；梅红伟等^[13]采用人工试验的方法分析不同位置不同数量超大伞裙复合绝缘子的污闪特性，提出最优超大伞裙布置；Ale-Emran等^[14-15]采用有限元方法分析超大伞裙的数量、位置、直径及伞倾角等参数对重覆冰支柱复合绝缘子电位分布的影响，结果表明超大伞裙的主要作用是产生空气间隙，其次是增加爬电距离. 上述研究均是通过优化结构提高污闪电压，未涉及通过优化结构改善积污能力. 张柳等^[16]指出输电线路绝缘子的不同布置方式会导致积污特性不同. 与输电线路相比，接触网无备用，跨距较大，沿线所经地区污染源种类繁多，接触网绝缘子安装高度较低. 因此，相对而言，接触网绝缘子积污严重，污闪事故影响范围大. 另外，腕臂绝缘子布置方式不同于输电线路支柱绝缘子布置方式^[17].

本研究拟从改善积污能力的角度优化绝缘子伞裙结构，提出在接触网腕臂复合绝缘子上加装超大伞裙. 依据工频电磁场理论和气固两相流理论，在COMSOL Multiphysics平台构建电场、湍流场、粒子追踪场以及流体和粒子相互作用的多物理场单相耦合的绝缘子风洞积污仿真模型. 以腕臂绝缘子特有的布置方式为前提，分析不同环境因素下绝缘子的动态积污特性，为重污区接触网外绝缘设计提供参考，从源头降低污闪事故率.

1. 超大伞裙腕臂复合绝缘子

兰新高速铁路接触网腕臂采用FQB 25型复合绝缘子. 如图1所示，复合绝缘子由高、低压端金具、芯棒和伞裙护套四部分组成，其中伞裙护套作为绝缘部件，采用“一大两小”空气动力型伞形结构，从高压端至低压端依次命名为伞裙1^#~22^#.

图 1

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图 1 FQB 25型接触网腕臂复合绝缘子

Fig.1 Composite insulator for overhead contact system cantilever of FQB 25 type

采用有限元法分别计算如图1所示的绝缘子在清洁干燥和均匀染污湿润状态下各伞裙表面的平均场强，分布特性如图2所示. 图中，No.为伞裙序号，E为场强. 在清洁状态下，伞裙4^#、19^#是场强转折点；伞裙1^#~4^#和19^#~22^#间场强变化率较大，分布极不均匀，易发生电晕放电，造成绝缘失效；相对而言，伞裙5^#~18^#场强变化较小，电气强度较高，绝缘性能较好. 在染污湿润状态下，超大伞裙表面的电位梯度较大，场强主要集中在超大伞裙表面，且对任意2个超大伞裙所夹小伞裙的场强无影响. 已有文献研究表明超大伞裙不会影响原清洁绝缘子的电位和电场分布^[12]. 为了保证绝缘子的有效爬电距离最大，伞间平均场强最小，分别将高、低压端第4个伞裙(伞裙4^#、19^#)的伞径在原尺寸的基础上增大约50 mm，称为超大伞裙复合绝缘子，结构如图3所示，主要尺寸参数如表1所示. 表中，H为结构高度；s为干弧距离；l为泄漏距离；α_u、α_d分别为上、下伞倾角；D₃、D₂、D₁分别为超大、大、小伞直径.

图 2

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图 2 绝缘子各伞裙平均电场分布特性

Fig.2 Average electric field distribution characteristics of insulator sheds

图 3

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图 3 超大伞裙腕臂复合绝缘子

Fig.3 Cantilever composite insulator with booster sheds

表 1 超大伞裙复合绝缘子结构参数

Tab.1 Structural parameters of composite insulator with booster sheds

参数	取值	参数	取值
H/mm	895	D₂/mm	181
s/mm	620	D₁/mm	141
l/mm	2 050	α_u/(°)	9
D₃/mm	229	α_d/(°)	6

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2. 数学模型及控制方程

长期裸露于外界大气环境中的接触网腕臂绝缘子承受25 kV的单相工频交流电. 在绝缘子积污过程中，将空气视为连续相，将污秽颗粒视为离散相，结合工频电磁场理论和计算流体力学理论，采用气固两相流模型^[18-19]，基于多场耦合软件COMSOL Multiphysics AC-DC模块、湍流模块及粒子追踪模块对超大伞裙接触网腕臂复合绝缘子动态积污特性进行数值模拟.

假设：1) 粒子为固体球形颗粒，具有湍流扩散特性；2) 颗粒的初始速度与流场速度相同；3) 碰撞到绝缘子表面的颗粒物均为黏附状态；4) 颗粒在运动中只受重力、电场力和曳力作用；5) 颗粒间无相互作用，颗粒运动不影响流场特性. 颗粒运动的离散相拉格朗日方程表达式为

(1) ${m_{\rm{p}}}{{{\rm{d}}{v_{\rm{p}}}} / {{\rm{d}}t}} = {F_{\rm{D}}} + {F_{\rm{g}}} + {F_{\rm{e}}}.$

式中：m_p为颗粒质量，ν_p为粒子速度，t为颗粒运动时间，F_D、F_g、F_e分别为稳态流场曳力、重力、电场力.

F_g、F_e表达式分别为

(2) ${F_{\rm{g}}} = {m_{\rm{p}}}g{\left.{\left( {{\rho _{\rm{p}}} - \rho } \right)} \right/ {{\rho _{\rm{p}}}}},$

(3) ${F_{\rm{e}}} = {\rm{e}}nE.$

式中：ρ_p为颗粒物密度；ρ为空气密度；g为重力加速度；e为单位电荷量，e=1.60×10⁻¹⁹ C；n为电荷个数.

F_D表达式为

(4) ${F_{\rm{D}}} = \rho A{C_{\rm{D}}}\left| {v - {v_{\rm{p}}}} \right|(v - {v_{\rm{p}}})/2.$

式中：C_D为曳力系数，v为流体速度，A为颗粒物面积.

(5) $A = {\left.{\left( {{\text{π}}{d^2}} \right)} \right/ 4},$

(6) ${C_{\rm{D}}} = {{24} / {{{(Re)}_{\rm{p}}}}},$

(7) ${(Re)_{\rm{p}}} = {\left.{\left( {\rho d\left| {v - {v_{\rm{p}}}} \right|} \right)}\right/ \mu },$

(8) ${m_{\rm{p}}} = {\rho _{\rm{p}}}{V_{\rm{p}}} = {\rho _{\rm{p}}} \left( {{{ {{\rm{4{\text{π}} (}}{d / 2}{)^3}} } / 3}} \right) = {\left.{\left( {{\text{π}}{\rho _{\rm{p}}}{d^3}} \right)} \right/ 6}.$

式中：(Re)_p为颗粒物雷诺数，d为颗粒物直径，V_p为颗粒物体积，µ为动力黏度.

通过式（5）~（8）可将式（4）化简为

(9) ${F_{\rm{D}}} = {\left.{\left[ {{m_{\rm{p}}}(v - {v_{\rm{p}}})} \right]} \right/ \tau },$

(10) $\tau {\rm{ = }}{\left.{\left( {{\rho _{\rm{p}}}{d^2}} \right)} \right/ {\left( {18\mu } \right)}}.$

式中：τ为松弛时间.

3. 风洞积污数值仿真模型

3.1. 几何模型的建立

绝缘子串的污秽分布存在端部效应^[20]，考虑到接触网腕臂绝缘子积污的真实环境并兼顾软硬件条件，以如图3所示的真型绝缘子为研究对象，建立如图4所示的风洞积污模型. 设风洞长为4 800 mm，宽为4 800 mm，高为3 600 mm，可提供足够大的计算域以模拟水平湍流的充分发展. 在长方体外部构建厚度为100 mm的无限元域，作为电磁波吸收区域，以准确模拟绝缘子周围电场分布情况.

图 4

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图 4 绝缘子风洞积污模型

Fig.4 Contamination model of insulators in wind tunnel

3.2. 计算区域网格划分

数值模拟的本质是利用离散化的方法求多元微分方程的数值解，即通过网格划分生成计算节点，将连续控制方程求解转变为离散节点处物理量的求解，因此，网格划分质量直接影响解的质量. 真型绝缘子为非对称结构，且伞裙护套为主要分析部位，采用非结构化网格自定义单元尺寸进行针对性划分. 计算域划分截面如图5所示. 图中，p为网格质量. 经网格无关性验证，当网格总数为68万时，最小网格质量为0.42，可较好地权衡计算精度和计算时间2个因素对解的影响.

图 5

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图 5 绝缘子风洞计算域网格划分截面

Fig.5 Mesh division section of computing area of insulator wind tunnel

3.3. 计算条件设置

边界条件的合理设置是数值计算的关键步骤之一，模拟交流电压下绝缘子动态积污特性，须设置的边界条件如下.

1) 电场边界条件. 给绝缘子高压端金具加 $25\sqrt 2 \sin \;(\omega t)$ kV的电势，低压端金具接地，将无限元域外边界设为电绝缘边界.

2) 流场边界条件. 流场边界条件的设定如图4所示，将绝缘子周围的流体视为不可压缩黏性时均定常流，考虑到当气流流经绝缘子时流线会发生弯曲，流场采用RANS k-ε模型^[21]；流场入口为速度入口，湍流强度I=0.16(Re)^−1/8，湍流尺度l=0.07D_e，其中，Re为流场雷诺数，D_e为绝缘子平均直径；出口为压力出口，压力为0，且抑制回流. 绝缘子表面为内壁面，设为无滑移壁面，无限元域内边界为外壁面，设为滑移壁面，滑移速度等于模拟风速，以减小壁面对内部流场的影响.

兰新高铁风区影响里程约占线路总里程的23%，年均风期超过200 d，酒泉地区最大风速为20~34.5 m/s，新疆境内三大风区平均最大风速为37.6 m/s，中铁一院测试的环境参数表明兰新线处于8~12级风沙环境^[22]. 兰新高铁和兰新铁路牵引供电设备处于盐湖东侧，南侧为天山山脉，风向由西向东. 鉴于上述气象条件，本研究设定风速为17~30 m/s，对应8~12级风力. 以气流角度β表征风向，水平气流垂直于绝缘子轴向为0°方向，β∈ [−45°, 45°].

3) 粒子追踪场边界条件. 颗粒基于密度释放以气流速度垂直射入入口，设绝缘子壁面的类型为“黏附”，出口及外部壁面的类型为“消失”. 污秽颗粒物粒径分布服从对数正态分布^[23]，在带交流电的复合绝缘子表面，约90%颗粒粒径大于12 μm^[24]，当空气高度大于3 m时，颗粒物的主要粒径小于75 μm^[22]，腕臂绝缘子的安装高度一般为5~7 m^[2]，因此，颗粒物主要粒径为12~75 μm. 大气中31% 污秽颗粒带正电，平均荷电量为6.3×10⁻⁶ C/kg；26% 污秽颗粒带负电，平均荷电量为7.0×10⁻⁶ C/kg；43% 污秽颗粒不带电^[25]. 因此，用密度为2 800 kg/m³ 的CaCO₃模拟污秽颗粒，每2秒释放2 000个粒子，其中620个粒子带荷电量为6.3×10⁻⁶ C/kg的正电，520个粒子带荷电量为7.0×10⁻⁶ C/kg的负电，860个粒子不带电，粒子释放的持续时间为20 s.

4. 积污特性分析

假设污秽颗粒与绝缘子表面发生碰撞即被黏附，碰撞系数λ反映绝缘子积污的最大程度，是体现积污特性的重要参数，表达式为

(11) $\lambda {\rm{ = }}{{{N_{\rm{t}}}} / N}.$

式中：N_t为黏附到绝缘子表面不同部位的总颗粒个数；N为来流方向投影面释放的总颗粒个数.

分布系数反映绝缘子表面不同部位积污分布状况，表达式为

(12) $\delta {\rm{ = }}{{{N_{i}}}/ {{N_{\rm{t}}}}}.$

式中：N_i为绝缘子表面不同部位对应的不同分部位所黏附的颗粒个数.

4.1. 积污特性影响因素分析

平腕臂和斜腕臂是接触网支持装置的组成部分，对应的腕臂绝缘子布置方式为水平安装和斜安装. 一般情况下，斜拉杆与支柱的夹角为45°，即对应斜安装绝缘子的倾角为45°. 将碰撞系数和分布系数作为表征最大积污程度的特征参数，以布置方式为前提条件，分析风速、风向及颗粒物粒径等环境因素对绝缘子积污特性的影响.

4.1.1. 风对积污特性的影响

风是影响绝缘子积污的主要因素之一，风对污秽颗粒的扩散和污秽颗粒与绝缘子的碰撞起着重要作用，风速主要影响绝缘子表面的积污量，风向主要影响绝缘子表面的积污分布. 综合考虑兰新线盐湖地区气候条件和污染源分布情况，以接触网腕臂绝缘子特有的2种布置方式为前提，分析当粒径为15 μm、风向为0°时，以及当粒径为15 μm、风速为30 m/s时，风向对碰撞系数的影响，结果分别如图6、7所示.

图 6

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图 6 绝缘子表面颗粒碰撞系数与风速的关系

Fig.6 Relation between particle collision coefficient and wind speed on insulator

由图6可知，在同一布置方式下，随着风速的增大，绝缘子的碰撞系数均近似线性增大. 当风速增大时，绝缘子表面静压极大值增大，颗粒物与绝缘子的碰撞加剧；在同一风速下，斜安装绝缘子的碰撞系数大于平安装绝缘子的碰撞系数，风速越大，布置方式对碰撞系数的影响越明显.

由图7可知，在2种布置方式下，当气流垂直吹向绝缘子轴向时(β = 0°)，污秽颗粒与绝缘子的碰撞系数均最小；β = [−45°, 0°]时的碰撞系数总体大于β = [0°, 45°]时的碰撞系数，这是由于绝缘子伞裙上、下表面的倾角不同. 在同一气流角度下，平安装绝缘子的碰撞系数大于斜安装绝缘子的碰撞系数. 气流角度不同，平、斜安装下的碰撞系数的比值不同，特别是当β ∈ (−30°, 30°)时，布置方式对碰撞系数的影响较大.

图 7

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图 7 绝缘子表面颗粒碰撞系数与风向的关系

Fig.7 Relation between particle collision coefficient and wind direction on insulator

4.1.2. 粒径对积污特性的影响

粒径是影响绝缘子积污的首要因素^[26]，颗粒运动过程中所受气流曳力与粒径成正比，重力与粒径的3次方成正比，曳力与颗粒对气流的跟随性有关，重力与颗粒自沉降作用有关. 以风速为30 m/s、风向为0°，粒径分别为15、25、35、45、55、65 μm这 5种工况为例，分析在不同布置方式下粒径与碰撞系数之间的关系，如图8所示. 可以看出，在不同布置方式下，随着粒径的增大，碰撞系数先增大后减小，当粒径为45 μm时，碰撞系数达到最大值. 在小粒径下，曳力起主导作用，颗粒对气流的跟随性较好，碰撞加剧；在大粒径下，由重力引起的颗粒自沉降作用明显，颗粒未接触到绝缘子表面就已落到其他地方，碰撞减弱. 在同一粒径下，平安装绝缘子的碰撞系数比斜安装绝缘子大，且粒径越大，布置方式对碰撞系数的影响越明显.

图 8

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图 8 绝缘子表面颗粒碰撞系数与粒径的关系

Fig.8 Relation between particle collision coefficient and particle size on insulator

4.2. 积污分布特性分析

风向是影响绝缘子积污分布特性的主要环境因素，超大伞裙主要目的是改善不同风向下绝缘子积污特性. 由图3所示的真型绝缘子可以看出，绝缘子外表面由金具和伞裙护套组成，其中伞裙护套由伞裙和杆径两部分组成，伞裙又分为上伞面、下伞面及伞边缘，如图9所示. 以风速为30 m/s，粒径为15 μm，β∈[−45°, 45°]的7种工况为例，分析绝缘子和伞裙的不同部位的污秽颗粒分布状况.

图 9

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图 9 伞裙护套局部结构图

Fig.9 Local structure diagram of shed sheath

在不同布置方式下，绝缘子表面污秽颗粒分布系数与风向的关系如图10所示. 可以看出，布置方式主要影响分布系数大小，对分布系数变化趋势影响较小；污秽颗粒主要与伞裙碰撞，β = 0° 时，污秽颗粒对伞裙的碰撞最弱，随着气流角度绝对值的增大，碰撞系数增大；当β∈ [−45°, 45°]时，伞裙表面分布系数符合正“γ”型分布，杆径和金具表面分布系数符合倒“γ”型分布.

图 10

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图 10 绝缘子表面颗粒分布系数与风向关系

Fig.10 Relation between particle distribution coefficient and wind direction on insulator

由图7、10的对比可知，绝缘子表面的碰撞系数和伞裙表面分布系数的变化趋势不一致，表明金具虽不属于绝缘部件，但会影响绝缘子表面积污分布趋势. 为了更准确地描述绝缘子的积污分布规律，建议采用真型绝缘子模型.

在不同布置方式下伞裙表面污秽颗粒分布系数与风向的关系如图11所示. 布置方式对伞裙表面污秽颗粒分布系数几乎无影响；在同一布置方式下，分布系数的变化与风向紧密相关，当β∈ [0°, 45°]时，分布系数规律为：上伞面>伞边缘>下伞面，污秽颗粒主要与上伞面发生碰撞；当β∈ [−45°, 0°]时，分布系数规律为：下伞面>伞边缘>上伞面，污秽颗粒主要与下伞面发生碰撞. 伞边缘表面积较小，所以分布系数较小.

图 11

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图 11 伞裙表面颗粒物分布系数与风向关系

Fig.11 Relation between particle distribution coefficient and wind direction on insulator shed

4.3. 超大伞裙加装前后积污特性对比分析

在原绝缘子上增大高、低压端第4伞裙的伞径是为了改善不同气流角度下超大伞裙所夹的部分伞裙(伞裙5^#~18^#)的积污特性及与超大伞裙相邻的单个伞裙(伞裙5^#、18^#)的积污特性. 为了验证加装超大伞裙绝缘子的防污有效性，将原绝缘子标记为1，超大伞裙绝缘子标记为2，以腕臂绝缘子的不同布置方式为前提，以风速为30 m/s，粒径为15 μm， β∈[−45°, 45°]的7种工况为例，对比分析在有效防护范围内绝缘子1和绝缘子2的伞裙碰撞系数以及与超大伞裙相邻的单个伞裙的表面碰撞质量m.

4.3.1. 平安装绝缘子

平安装绝缘子伞裙表面污秽颗粒碰撞特性如图12所示. 由图12(a)可知，在不同气流角度下，绝缘子1的伞裙5^#~18^#表面碰撞系数比绝缘子2大，特别是当β=(±15°, ±45°]时，碰撞系数差异性更加明显. 在超大伞裙4^#的正向遮挡下的伞裙5^#和在超大伞裙19^#的反向遮挡下的伞裙18^#的表面碰撞质量分别如图12(b)、(c)所示，在不同气流角度下，绝缘子1的伞裙5^#、18^#表面碰撞质量大于绝缘子2的伞裙5^#、18^#；当β∈(15°, 45°]时，绝缘子2的伞裙5^#表面碰撞质量急剧减小；当β∈[−45°, −15°)时，绝缘子2的伞裙18^#的表面碰撞质量急剧减小；当β=−30°时，绝缘子2的伞裙18^#的表面碰撞质量接近于0；当β=30°时，绝缘子2的伞裙5^#的表面碰撞质量接近于0.

图 12

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图 12 平安装绝缘子伞裙表面颗粒的碰撞特性

Fig.12 Collision characteristics of particles on insulator shed in horizontal suspension

4.3.2. 斜安装绝缘子

斜安装绝缘子伞裙表面污秽颗粒碰撞特性如图13所示. 由图13(a)可知，在不同气流角度下，绝缘子1的伞裙5^#~18^#表面碰撞系数比绝缘子2大，特别是当β∈(0°, ±30°)时，碰撞系数差异性较大. 伞裙5^#、18^#表面碰撞质量分别如图13(b)、(c)所示，在不同气流角度下，绝缘子1的伞裙5^#、18^#表面碰撞质量均大于绝缘子2的伞裙5^#、18^#；当β∈(0°, 45°]时，绝缘子2的伞裙5^#的表面碰撞质量急剧减小；当β∈[−45°, −30°)时，绝缘子2的伞裙18^#的表面碰撞质量急剧减小；当β=45°时，绝缘子2的伞裙5^#的表面碰撞质量几乎为0；当β=−45°时，绝缘子2的伞裙18^#的表面碰撞质量几乎为0.

图 13

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图 13 斜安装绝缘子伞裙表面颗粒的碰撞特性

Fig.13 Collision characteristics of particles on insulator shed in oblique suspension

由图12、13可知，在2种布置方式下，超大伞裙绝缘子的防污效果均比原绝缘子显著. 在平安装下，伞裙5^#、18^#表面碰撞质量的转折点对应的气流角度分别为15°、−15°；在斜安装下，伞裙5^#、18^#表面碰撞质量的转折点对应的气流角度为±30°. 超大伞裙绝缘子在水平安装下的防污效果比在斜安装下稍强.

在不同布置方式下，超大伞裙4^#的正反向遮挡能减小污秽颗粒与伞裙5^#、6^#和伞裙3^#、2^#的碰撞，形成如图3所示的保护区Ⅰ、Ⅱ；同理，超大伞裙19^#具有相同的保护作用，形成保护区Ⅲ、Ⅳ，其中Ⅰ、Ⅳ区域处于高场强中，电场分布极不均匀，电气强度明显下降，绝缘性能几乎失效，在相同条件下，极易发生污闪. 因此，真正起绝缘作用的是保护区Ⅱ、Ⅲ，在极端状况下，保护区Ⅱ、Ⅲ中至少有1~2个伞裙绝缘性能良好，可防止污闪.

5. 结　论

(1) 在平、斜安装下，随着风速的增大，绝缘子表面碰撞系数增大；当风向为0°时，碰撞系数最小. 在同一风速下，斜安装绝缘子碰撞系数大于平安装绝缘子，且风速越大，布置方式对碰撞系数的影响越明显；当风向为(−30°, 30°)时，布置方式对碰撞系数的影响较大.

(2) 在平、斜安装下，随着粒径的增大，绝缘子表面的碰撞系数先增大后减小. 在同一粒径下，平安装绝缘子碰撞系数大于斜安装绝缘子，且粒径越大，布置方式对碰撞系数的影响越明显.

(3) 在平、斜安装下，当风速为30 m/s、粒径为15 μm时，伞裙表面的分布系数与风向间的关系均符合“γ”型分布，且布置方式对伞裙表面不同部位的分布系数几乎无影响.

(4) 加装超大伞裙能增大腕臂复合绝缘子的爬电距离，有效改善不同风向下绝缘子的积污能力，作为主动防污措施，从源头降低污闪事故率，提高牵引供电的可靠性.

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

ZHANG Z J, QIAO X H, YANG S H, et al

Non-uniform distribution of contamination on composite insulators in HVDC transmission lines

[J]. Applied Sciences, 2018, 8: 1962

DOI:10.3390/app8101962 [本文引用: 1]

[2]

孙忠国, 张文轩, 王卫东

电气化铁路接触网绝缘子污闪预警检测技术综述

[J]. 中国铁路, 2016, (10): 68- 72

DOI:10.3969/j.issn.1001-683X.2016.10.018 [本文引用: 2]

SUN Zhong-guo, ZHANG Wen-xuan, WANG Wei-dong

A review of researches on the pollution flashover early warning detection technology for OCS insulator in electrified railway

[J]. China Railway, 2016, (10): 68- 72

DOI:10.3969/j.issn.1001-683X.2016.10.018 [本文引用: 2]

[3]

吕玉坤, 赵伟萍, 庞广陆, 等

典型伞型瓷及复合绝缘子积污特性模拟研究

[J]. 电工技术学报, 2018, 33 (1): 209- 216