作者特稿｜瓷绝缘子表面粘附颗粒的粒径分布特性及其影响因素研究
华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室、国家电网公司河南省电力科学研究院的研究人员姜昀芃、李黎、卢明等，在2019年第3期《电工技术学报》上撰文指出，对于长期工作于强电场及复杂环境的线路绝缘子，其表面积污特性的研究是电力系统外绝缘研究的基础工作。近年来人们更多地关注因颗粒粘附而产生的绝缘子积污量的大小，而对已粘附污秽颗粒的粒径分布特性等相关研究和分析较少。
特别是，随着生产制造业的发展，空气中悬浮的细微颗粒物粒径分布结构发生了较大变化（例如雾霾天气频繁出现），该变化是否会对绝缘子表面粘附污秽颗粒的粒径分布产生影响，进一步是否会对现有的绝缘子积污特性产生影响值得深入研究。
本文利用激光粒度仪测量多例从运行线路上采集的瓷绝缘子表面污秽颗粒样本，结果发现“瓷绝缘子表面粘附的颗粒粒径分布近似呈现对数正态分布”这一有趣的物理现象。为了揭示该物理现象产生的机理，研究团队建立了多物理场耦合的颗粒物碰撞粘附动力学模型，通过数值模拟从微观角度模拟了颗粒与绝缘子表面碰撞吸附的过程，分析了湿度、风速、气动外形、电场强度等多参量对粘附颗粒粒径分布规律和数量的影响。
◢ DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180133 ◣
（1）粘附颗粒的粒径分布特性
从运行线路上采集多例瓷绝缘子表面的污秽样本，测量发现绝缘子表面粘附颗粒的粒径分布存在显著的统计特性，即粒径分布近似呈现对数正态分布，粒径分布集中于5~50μm，粒径的统计中位数D50约为20μm。
图1 污秽样本的粒径分布图
（2）颗粒物碰撞粘附动力学模型建立
结合计算流体力学和Euler-Lagrange法来研究颗粒在空气中运动的气固两相流问题以获得颗粒的碰撞初速度。分别在Euler坐标系中，利用RNG k-ε湍流模型来求解连续介质气流相的输运方程。在Lagrange坐标系中，应用离散相模型来跟踪颗粒的运动参数。而后根据颗粒在不同碰撞阶段的应力特征，分别分析了液面张力、荷载/卸荷力、粘附力对颗粒的作用，并基于动能损耗建立了颗粒碰撞粘附的动力学模型。
图3 污秽颗粒碰撞过程示意图
图5 颗粒碰撞粘附模型流程示意图
（3）多种参量对颗粒粘附特性的影响
基于所建立的颗粒碰撞粘附动力学模型，仿真研究了相对湿度、空气风速、气动外形、电场强度和电场类型五种变量对粘附颗粒粒径及数量的影响。
图8 不同气动外形绝缘子的流场分布云图
图11 不同粒径颗粒在不同电场强度下的粘附数量
粘附在瓷绝缘子表面的污秽颗粒的粒径分布具有显著统计特性，即粒径统计中位数D50约为20μm，粒径小于5μm和大于50μm的颗粒具有极少的分布，这可以推论空气污染物中的极细微颗粒不会对积污量造成显著影响。
在颗粒的粘附过程中，湿度和风速对粘附颗粒的粒径分布影响明显，气动外形、电场类型和电场强度则主要对颗粒粘附数量有一定影响。低湿度下，粘附颗粒的粒径主要集中于10~40μm，但总体数量较少，随着湿度增加，粘附颗粒数量显著增多，粒径分布变成主要集中于30~70μm。低风速下(＜6m/s)，粘附颗粒的D50值和数量峰值均随风速增加而变小；高风速下(＞6m/s)，D50值逐渐稳定。
本文可以为后续开展更准确的绝缘子人工模拟积污试验及颗粒对污闪的影响等研究提供理论支撑，为开展复杂物理场作用下细微颗粒物的输运、粘附和清除等相关技术的研究提供理论基础。
姜昀芃, 李黎, 卢明, 王如梦, 蒋逸雯, 刘泽辉. 瓷绝缘子表面粘附颗粒的粒径分布特性及其影响因素研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(3): 611-619.Jiang Yunpeng, Li Li, Lu Ming, Wang Rumeng, Jiang Yiwen, Liu Zehui. Study on Particle Diameter Distribution Characteristics and Influence Factors of Adhered Particles on the Porcelain Insulator Surface. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(3): 611-619.
作者简介
姜昀芃
1993年出生，硕士研究生，主要从事输变电设备外绝缘方面的研究。
李黎
1976年出生，博士，现为华中科技大学电气与电子工程学院副教授，主要从事高电压与绝缘技术方面的研究，本文通信作者，获省部级科技奖励5项，国家科技进步奖1项。
卢明
1975年出生，教授级高级工程师，主要从事高电压与绝缘技术方面的研究，现任国网河南省电力公司电力科学研究院设备评价中心主任助理，清，全国架空输电线路线路标准化委员会线路运行分委会委员，国家电网公司首届技术标准委员会委员，河南电力技术院A级技术专家，获省部级科技奖励十余项。