强电场环境下颗粒物在线路绝缘子表面的动力学行为特征研究

作     者：姜昀芃 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李黎（Lee Li）

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：线路绝缘子 颗粒粒径 分布特性 碰撞粘附动力学模型 数值模拟 

摘      要：输电线路污闪是危害电力系统安全的灾害性事故之一,而绝缘子表面沉积的污秽颗粒作为引发污闪事故的重要介质,开展其理化特征的研究具有重要意义。特别是伴随着以小粒径颗粒PM2.5、PM10为典型代表的雾霾天气频繁发生,绝缘子表面沉积颗粒的粒径分布特性是否会因此而发生改变,并对污闪特性造成影响值得开展进一步的研究工作。本文通过人工自然积污试验和在运线路积污试验获得多组绝缘子表面污秽样本,利用扫描电子显微镜和激光粒度仪对其开展了微观形貌特征和粒径分布特征的研究。结果发现,绝缘子表面粘附颗粒的粒径分布近似服从对数正态分布,粒径分布主要集中于20μm,而粒径≤5μm或≥50μm的颗粒其分布概率较低。为了探究该粒径分布特征的形成机理,本文结合计算流体力学、空气动力学以及接触力学,建立了颗粒物在绝缘子表面的碰撞粘附动力学模型,开展了颗粒物粘附过程的数值模拟研究,分析了不同因素对瓷、复合绝缘子表面粘附颗粒其粒径分布的影响。结果发现,在瓷绝缘子表面,相对湿度和空气风速对粘附颗粒的粒径分布具有显著影响,而电场类型、电场强度和气动外形对粘附颗粒的粒径分布影响相对较弱,其影响主要体现在粘附数量上。在复合绝缘子表面,相对湿度、空气风速、电荷积聚对粘附颗粒的粒径分布具有显著影响,而电场类型和电场强度对粘附颗粒的粒径分布影响相对较弱。由于瓷绝缘子下伞裙的楞槽结构,其上、下表面的粒径分布特性存在明显差异,而复合绝缘子流线型的伞裙结构,其上、下表面的粒径分布特性存在相似性。此外,粒径≤15μm和≥80μm的颗粒受关联参量的影响较弱,而粒径为20μm0μm的颗粒极易受关联参量的影响进而导致粒径分布结构发生明显变化。具体而言,相对湿度越大,绝缘子表面越容易粘附大粒径颗粒,同时粘附数量也越多。低风速下(v≤6m/s),颗粒的粘附数量和主要粒径分布范围值均随风速增大而呈现明显下降趋势,而高风速下(v≥6m/s),颗粒的粘附数量和主要粒径分布范围值随风速增大而逐渐缓慢下降,并呈现出饱和性。电场类型和电场强度对粘附颗粒的影响主要体现在粘附数量上,对粒径分布特性无显著影响,其分布峰值均出现在30μm附近。气动外形对粘附颗粒的影响主要由纵向截面积和下表面伞裙结构产生,并导致下表面的粒径分布特性出现差异。电荷积聚导致电场分布发生畸变,进而促使大粒径颗粒(40μm0μm)的粘附。总体而言,对于雾霾天气中具有代表性的“霾颗粒(PM2.5和PM10),其在绝缘子表面的粘附受关联参量的影响较弱,同时其粘附占比较少,无法对绝缘子粘附颗粒的理化特性产生根本性的影响。而“雾这一高湿度条件,将有效增加绝缘子表面的积污量。