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摘 要 对于电力设备和高压线路外绝缘来讲，沙尘暴环境是及其恶劣的工作环境，会导致电力设备积污，造成原有电场分布畸变，引起沿面闪络放电和击穿放电事故。沙尘暴环境下电力设备外绝缘特性的研究，是目前的研究热点。本文使用Fluent软件建立沙尘暴模拟系统和试验复合绝缘子的模型，并在不同的风速下计算出绝缘子表面的污秽的分布；利用沙尘暴模拟系统对选用的复合绝缘子进行恒定风速下积污量的试验，并分析数据；对比Fluent软件的仿真结果和试验结果，分析比较恒定风速下绝缘子表面积污情况；分析试验中出现的问题，以找到复合绝缘子在沙尘暴环境中的积污特性，为沙漠高压输电线路上绝缘子的选择与设计提供参考。
关键词 外绝缘 沙尘暴 积污 模拟系统实验
中图分类号：TM216
1 利用Fluent对气固两相流进行数值计算
1.1综述
沙尘暴环境中，复合绝缘子表面会形成一层污秽层，污秽的成分主要是粒度小于44μm的尘土和可溶性盐。影响积污分布的因素非常复杂，如温度、湿度、风速、电场分布、绝缘子表面粗糙度等，而这些因素又是不断变化的，要精确模拟复合绝缘子在沙尘暴中的积污情况是非常困难的。因此，本文中把问题简化为气固两相流模型，而且假设各条件都是恒定不变的，对复合绝缘子在沙尘暴中的积污分布做了数值计算。需要用的计算模型有稳态模型、湍流模型和Mixture模型。需要设置的参数如下表所示：
表1-1 两相流数值计算仿真参数的选取
1.2利用两相流模型对绝缘子表面积灰情况的仿真结果
不同风速下复合绝缘子上表面积污典型分布：
以上的图，风速都是沿x轴正方向的，可以看出：
* 风速很小（如图1）时，绝缘子上表面的污秽分布比较分散，没有明显的规律，且积污量很小；风速增大到一定程度以后（如图2），绝缘子伞裙背风面出现比较集中的污秽，但积污量没有明显增加；当风速继续增大，风速很大时（如图3），伞裙背风侧积污的区域明显增加，且积污量也大大增加
* 一般风速条件下，复合绝缘子伞裙上的污秽主要积累在背风侧；当风速很大时，伞裙迎风侧也出现明显积污，但积污量相对于背风侧较小，分布也较为均匀；同一个伞裙上的，侧面积污量是最小的
* 同一个绝缘子的不同伞裙上积污分布的形状相似
2 沙尘暴模拟系统（实验在西安交通大学电力系统模拟实验室由贺博博士指导完成）
2.1综述
该系统是由风力产生装置和实验舱组成，整个系统处在密封的环境中，可加电试验也可以不加电试验。试验中，可通过变频器调节电机转速以达到调节风速的目的。试验时，将配制好的人工污秽放在实验舱进风口处，并且不断的补灰，使整个试验过程中空间的固体颗粒物密度和成分保持不变，以确保试验的可重复性。试验绝缘子挂在试验腔的正中位置，测量好墙体内的温度，湿度等，就可开动电机模拟恒定风速下绝缘子表面的积污情况。
2.2 不同风速下的复合绝缘子伞裙上表面灰密度实验数据
表2-1 不同风速下大伞裙上的灰密度（mg/cm2）
伞裙下表面的积污情况
表2-2 电机转速为27时绝缘子伞裙下表面的灰密度数据表
2.3试验结果
试验观察得出，随着风速的增加，伞裙上的上积灰量有增大的趋势，同一绝缘子的不同伞裙也上的积污量在不同的风速下有类似的变化关系，即由上到下灰密度有减小趋势但不单调，在3号或者5号伞裙上出现一个灰密度度比较低的点，然后略有上升，最底部的伞裙上的灰密度是最低的。
表2-2的数据与表2-1中电机转速为27时的数据相比较发现复合绝缘子伞裙下表面的积污量远远小于上表面的积污量。
由于影响复合绝缘子闪络电压高低的主要是伞裙上的积灰，而且由于积灰位置特殊，不便于对支柱上的灰密度进行测量，所以定性的分析如下：
通过实验观察到，在恒定风速下，复合绝缘子支柱的迎风面和背风面都有很厚的积灰，而侧面的积灰量很少，几乎没有。
3 比较结果
通过对Fluent软件仿真结果的分析和对沙尘暴模拟系统的实验结果的分析比较可知，仿真结果与实验结果相符合，数值仿真和现场实验相互验证了正确性，可以认为通过Fluent软件的仿真结果是符合实际情况的，沙尘暴模拟系统的结果也是符合实际的。
4 结论
对气压分布和速度场参数分布进行分析以后，与积污分布进行比较可得到以下有价值的结论：
* 在不是很小的风速下，支柱背风侧的风速很小，而且出现涡流，方向比较杂乱，且靠近伞裙边缘的地方气压较高，因此固体颗粒物容易在背风侧靠近支柱的地方沉降下来，因此复合绝缘子伞裙上表面背风侧的积灰高密度区的形状成带状分布，且边缘分布较少；而在风速很高的两个侧面，固体颗粒物则难以沉降积累
* 复合绝缘子伞裙上表面的积灰程度和积灰的面积都随着风速的增加而增加
* 同一个复合绝缘子在不同的风速下，积灰密度随着伞裙的不同而变化的趋势相似，即最顶部的伞裙的积污量最大，中部伞裙的积污量出现一个较小的值然后又略有增加，到底部时又下降到最小值
参考文献
1.王瑞金， 张凯， 王刚. Fluent技术基础与应用实例[M]. 1981，清华大
学出版社
2.梁曦东. 高电压工程[M]. 2003，清华大学出版社
3.韩占忠. Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M]. 2004，北京理工大
学出版社
关键词 外绝缘 沙尘暴 积污 模拟系统实验
中图分类号：TM216
1 利用Fluent对气固两相流进行数值计算
1.1综述
沙尘暴环境中，复合绝缘子表面会形成一层污秽层，污秽的成分主要是粒度小于44μm的尘土和可溶性盐。影响积污分布的因素非常复杂，如温度、湿度、风速、电场分布、绝缘子表面粗糙度等，而这些因素又是不断变化的，要精确模拟复合绝缘子在沙尘暴中的积污情况是非常困难的。因此，本文中把问题简化为气固两相流模型，而且假设各条件都是恒定不变的，对复合绝缘子在沙尘暴中的积污分布做了数值计算。需要用的计算模型有稳态模型、湍流模型和Mixture模型。需要设置的参数如下表所示：
表1-1 两相流数值计算仿真参数的选取
1.2利用两相流模型对绝缘子表面积灰情况的仿真结果
不同风速下复合绝缘子上表面积污典型分布：
以上的图，风速都是沿x轴正方向的，可以看出：
* 风速很小（如图1）时，绝缘子上表面的污秽分布比较分散，没有明显的规律，且积污量很小；风速增大到一定程度以后（如图2），绝缘子伞裙背风面出现比较集中的污秽，但积污量没有明显增加；当风速继续增大，风速很大时（如图3），伞裙背风侧积污的区域明显增加，且积污量也大大增加
* 一般风速条件下，复合绝缘子伞裙上的污秽主要积累在背风侧；当风速很大时，伞裙迎风侧也出现明显积污，但积污量相对于背风侧较小，分布也较为均匀；同一个伞裙上的，侧面积污量是最小的
* 同一个绝缘子的不同伞裙上积污分布的形状相似
2 沙尘暴模拟系统（实验在西安交通大学电力系统模拟实验室由贺博博士指导完成）
2.1综述
该系统是由风力产生装置和实验舱组成，整个系统处在密封的环境中，可加电试验也可以不加电试验。试验中，可通过变频器调节电机转速以达到调节风速的目的。试验时，将配制好的人工污秽放在实验舱进风口处，并且不断的补灰，使整个试验过程中空间的固体颗粒物密度和成分保持不变，以确保试验的可重复性。试验绝缘子挂在试验腔的正中位置，测量好墙体内的温度，湿度等，就可开动电机模拟恒定风速下绝缘子表面的积污情况。
2.2 不同风速下的复合绝缘子伞裙上表面灰密度实验数据
表2-1 不同风速下大伞裙上的灰密度（mg/cm2）
伞裙下表面的积污情况
表2-2 电机转速为27时绝缘子伞裙下表面的灰密度数据表
2.3试验结果
试验观察得出，随着风速的增加，伞裙上的上积灰量有增大的趋势，同一绝缘子的不同伞裙也上的积污量在不同的风速下有类似的变化关系，即由上到下灰密度有减小趋势但不单调，在3号或者5号伞裙上出现一个灰密度度比较低的点，然后略有上升，最底部的伞裙上的灰密度是最低的。
表2-2的数据与表2-1中电机转速为27时的数据相比较发现复合绝缘子伞裙下表面的积污量远远小于上表面的积污量。
由于影响复合绝缘子闪络电压高低的主要是伞裙上的积灰，而且由于积灰位置特殊，不便于对支柱上的灰密度进行测量，所以定性的分析如下：
通过实验观察到，在恒定风速下，复合绝缘子支柱的迎风面和背风面都有很厚的积灰，而侧面的积灰量很少，几乎没有。
3 比较结果
通过对Fluent软件仿真结果的分析和对沙尘暴模拟系统的实验结果的分析比较可知，仿真结果与实验结果相符合，数值仿真和现场实验相互验证了正确性，可以认为通过Fluent软件的仿真结果是符合实际情况的，沙尘暴模拟系统的结果也是符合实际的。
4 结论
对气压分布和速度场参数分布进行分析以后，与积污分布进行比较可得到以下有价值的结论：
* 在不是很小的风速下，支柱背风侧的风速很小，而且出现涡流，方向比较杂乱，且靠近伞裙边缘的地方气压较高，因此固体颗粒物容易在背风侧靠近支柱的地方沉降下来，因此复合绝缘子伞裙上表面背风侧的积灰高密度区的形状成带状分布，且边缘分布较少；而在风速很高的两个侧面，固体颗粒物则难以沉降积累
* 复合绝缘子伞裙上表面的积灰程度和积灰的面积都随着风速的增加而增加
* 同一个复合绝缘子在不同的风速下，积灰密度随着伞裙的不同而变化的趋势相似，即最顶部的伞裙的积污量最大，中部伞裙的积污量出现一个较小的值然后又略有增加，到底部时又下降到最小值
参考文献
1.王瑞金， 张凯， 王刚. Fluent技术基础与应用实例[M]. 1981，清华大
学出版社
2.梁曦东. 高电压工程[M]. 2003，清华大学出版社
3.韩占忠. Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M]. 2004，北京理工大
学出版社