雾霾环境下绝缘子表面自然积污数值模拟与液滴动态特性分析

发布时间：2020-10-26 05:31

　　 随着工业的发展,大气污染日益严重,以往设计理念难以满足特殊环境下电力系统对外绝缘的要求,尤其是近年来雾霾天气频发,输电线路外绝缘面临严峻挑战。主要表现:1)特高压输电工程不可避免的经过雾霾区域,而雾霾环境下输电线路实际运行经验较少,绝缘子自然积污状况不明确;2)雾霾环境下,影响绝缘子自然积污的因素较为复杂,其自然积污特征难以用数学模型来描述;3)雾霾环境下液滴极易在绝缘子表面附着,造成绝缘子电场畸变,降低绝缘强度导致污闪事故。本文针对绝缘子在雾霾环境下遇到的问题,展开了以下几个章节的工作。首先,对雾霾环境下输电线路绝缘子进行了长期、大范围污秽及沿线大气采样,得到了不同电压类型、电压等级、电压极性下雾霾期绝缘子的等值盐密(Equivalent Salt Deposition Density,ESDD)和等值灰密(Equivalent Non-salt Deposition Density,NSDD)。分析了沿线雾霾大气参数,包括粒径分布、无机离子、金属颗粒物含量等。结果表明:雾霾环境下绝缘子表面污秽度高于正常空气质量下的污秽度,直流负极性(DC(-))绝缘子上的污秽积累更均匀;直流输电线路超过90%的污染颗粒尺寸在50μm以内,交流输电线路上污秽粒径普遍大于直流输电线路;电压等级对下表面积污影响明显,当电压等级提升时,绝缘子串中部呈现积污增加的趋势;污秽水溶性离子主要包含Ca2+和NH4+两种阳离子,以及NO2-和SO42-两种阴离子。由实际工作环境入手获取了雾霾环境下运行绝缘子的多种参数,为实验室模拟雾霾环境,研究绝缘子闪络特性做基础。其次,从风速、风倾角以及粒径角度分析绝缘子不同部位的积污特性,建立了基于BP(BackPropagation)神经网络的粒子撞击率预测模型,通过4年自然积污试验,验证了仿真结果。结果表明:雾霾环境下,污秽粒子受电场力的影响在绝缘子表面的积污速度加快,当风速增加到一定程度时,电场力的影响作用不断减小;当风速]m/s时电场力作用明显,当风速1m/s时,粒径80μm时风速对上表面积污影响不大,粒径80 μm时,随着风速增大,绝缘子上表面的粒子撞击率减小;风倾角不等于零时,向上的气流使绝缘子下表面粒子撞击率增加,而向下的气流使绝缘子上表面粒子撞击率增加。再次,结合互信息(Mutual Information,MI)理论及随机森林(Random Forests,RFs)算法分析了与ESDD和NSDD有关的16种影响因素的权重。同时,基于高权重影响因素,提出了以RFs为函数估计绝缘子自然积污的回归方法,依据自然积污试验,验证了 RFs回归算法预测绝缘子ESDD和NSDD的可靠性。结果表明:电压等级(vl)、电压类型(vt)、极性/相位(pp)对ESDD的影响明显;海岸线距离(d)、风速(wv)和降雨量(rf)对NSDD的影响明显;训练得到的RFs回归模型,可有效预测绝缘子ESDD和NSDD。最后,搭建了雾霾沿面放电试验平台,运用高速摄像机记录了雾霾沉积后硅橡胶表面液滴的动态特性。结合Ansys Maxwell仿真了雾霾对绝缘子表面电场畸变的影响,基于Comsol多物理场仿真,解释了液滴移动及分裂特性。结果表明,雾霾沉积后,绝缘子凝露导致其表面电场畸变,电导率增大,从而间接的降低了沿面闪络电压;沉积在硅橡胶表面的液滴会受到电场力的作用而发生形变、移动,甚至分裂,新形成的空气-硅橡胶-液滴三相结点处极易发生放电,影响绝缘强度。本文总结了雾霾环境下输电线路绝缘子的积污特性,得出了 ESDD和NSDD影响因素的权重;依据粒子撞击率预测模型,分析了雾霾环境下棒形复合绝缘子的流场特性;运用所建立的回归随机森林模型,实现了绝缘子表面盐密值和灰密值的定量预测;通过所搭建的沿面放电雾霾模拟平台,分析了雾霾沉积后,绝缘子沿面放电特性,为输电线路外绝缘研究提供参考。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM216
【部分图文】：

依据气象数据，放电发生时，ＰＭ２．５已达到５００＾ｉｇ／ｍ３?（爆表污染），为避免闪络??事故发生，线路被迫降压运行，２０１６年山东德州±６６０?ｋＶ直流输电线路绝缘子??放电如图１－１所示。??１??

山东大学博士学位论文??明风速对绝缘子表面流场特性有明显影响，如图１－２所示。??速????速度／（ｍ．ｓ?４??（ａ）?ｖ＝?０．１?ｍ／ｓ?（ｂ）?ｖ＝?１?Ｏｍ／ｓ??图１－２绝缘子表面流场分布［３ＳＩ??然而，ＨｏｒｅｎｓｔｅｉｎＭ．Ｎ等［３９］分析了颗粒的简单轨迹，发现直流电场下绝缘子??的自然积污积累主要受颗粒流动性的影响，验证了小于１０?的颗粒在流场中的??运动轨迹主要受电场力控制。空气流场对绝缘子积污有明显影响，雾霾环境下污??秽粒径分布不均，针对雾霾粒径普遍小于１０?ｐｍ的特点，需要考虑电场因素对积??污造成的影响。??１．２．３自然积污数值模拟算法研究??由于绝缘子的工作环境复杂，其自然积污特征难以用数学模型定量描述。目??前，以绝缘子自然和人工积污试验为主要方法研究绝缘子积污特性，其存在试验??周期长、人为误差大等缺点［４ＣＭ３］。运用计算机进行数值仿真，不仅可以快速模拟??绝缘子动态积污过程

学反应密切相关，研究发现硅橡胶表面附着的液滴会导致电场畸变，导致电晕起??始放电电压降低，绝缘材料寿命缩短，对于复合绝缘子，电晕放电更容易在潮湿??和污染的环境中发生，如图１－２。??５??
【参考文献】

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本文编号：2856567