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復合絕緣子直流電場下的水滴運動及覆冰特性

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復合絕緣子直流電場下的水滴運動及覆冰特性

發布日期:2020-12-30 作者: 點擊:

  輸電線路絕緣子覆冰威脅著電力系統運行穩定,而絕緣子覆冰形態及速率是預測其閃絡發展的關鍵參數。為準確模擬絕緣子覆冰,輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)的研究人員韓興波、蔣興良、黃亞飛、任曉東、陳宇,在2020年第9期《電工技術學報》上撰文,從水滴運動及捕獲角度探究了直流電場對絕緣子覆冰的影響。

  研究人員以復合絕緣子為樣品,基于流體力學及電磁場原理建立水滴運動數學模型,計算了水滴在絕緣子表面因為電場力作用發生的軌跡偏移率,以此為基礎,計算了有、無電場下絕緣子傘裙邊緣及芯棒處的水滴局部碰撞系數b1分布,結果顯示:小風速小水滴半徑下,電場作用下的水滴軌跡偏移較大,且對絕緣子芯棒處的b1值提高百分比超過15%。

  研究人員在人工氣候室內對復合絕緣子進行了帶電和不帶電覆冰試驗。結果表明:小水滴半徑下的干增長覆冰時,電場對覆冰速率的提高百分比達30%,同時可造成更加粗糙的覆冰表面,但對于大水滴半徑下的濕增長覆冰速率影響較小,主要造成彎曲生長的冰棱形態。

  覆冰在我國電網輸電線路安全運行過程中一直是一個嚴峻的問題,其不僅可以造成輸電線路、桿塔的機械過載、倒塌,同時也可造成輸電線路絕緣子串的覆冰閃絡。針對覆冰對電網輸電線路安全的影響機理,國內外學者做了大量研究。

  導線覆冰造成的影響主要集中在機械特性上,因而研究導線覆冰機理,建立覆冰模型,預測其覆冰增長一直是關注重點。其中,以基于水滴碰撞、捕獲、凍結的三參數模型運用廣泛。模型指出,導線覆冰增長速率決定于過冷卻水滴在導線表面的碰撞、捕獲、凍結效率,并分別建立起了計算該3個參數的物理模型,計算涉及氣液二流場、熱力學方程等。

復合絕緣子.png

  為完善該模型,相關研究指出,輸電導線表面電場強度及電暈放電會對覆冰形態、速率產生影響,必須在計算模型中予以考慮。而有的研究則從水滴在導線表面的碰撞系數出發,仿真計算了電場作用對該參數造成的影響,結果表明,電場會增大導線表面水滴碰撞范圍及碰撞系數值。

  絕緣子覆冰的主要危害在于覆冰閃絡帶來的線路跳閘,以往的研究大都集中在覆冰對絕緣子閃絡電壓的降低特性。而輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)的研究人員,從空氣中水滴運動角度出發,探究水滴在遭遇絕緣子至碰撞到絕緣子表面形成覆冰過程中,其受到絕緣子表面直流電場的影響規律。

  基于流體力學及電磁場原理,建立了水滴運動數學模型,綜合考慮氣流、電場力的作用,對運動水滴進行了受力分析及數值計算。以復合絕緣子為樣品,對比分析了其表面不同位置水滴受到電場力變化及產生的軌跡偏移程度,并得出以下結論:

  1)覆冰過程中,隨氣流進入復合絕緣子傘裙半徑區域內的帶電水滴會受到快速增長的電場力作用,其導致水滴軌跡偏移,并趨向于碰撞到絕緣子表面電場強度較大的位置,增大了絕緣子表面不同位置水滴捕獲量的不均衡及覆冰的不均勻性。

  2)復合絕緣子不同位置碰撞水滴受到電場的影響程度不同。在同一傘裙處,傘裙表面及傘裙邊緣的水滴軌跡偏離率接近,并明顯大于碰撞到芯棒處的水滴。不同傘裙間,越靠近高壓端的傘裙處水滴軌跡偏移程度越大。

  3)復合絕緣子傘裙邊緣、芯棒的水滴碰撞系數值從駐點向兩端減小,其中帶電條件下的碰撞系數值大于不帶電條件,小風速小水滴半徑下,電場可提高碰撞系數超過15%,該值隨水滴半徑的增大而減小。

  4)相對不帶電,帶電干增長覆冰條件下,復合絕緣子覆冰表面更加粗糙,覆冰增長方向多樣,小風速小水滴半徑下的覆冰速率提高百分比超過30%。濕增長覆冰條件下,電場對復合絕緣子覆冰速率影響較小,但易造成彎曲生長的冰棱。


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