一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法，该方法充分考虑了绝缘子积污过程中的气流场特性、直流电场分布、以及污秽颗粒积聚/出射动态微观过程；在此基础上，本方法利用COMSOL耦合多物理场仿真软件开展了绝缘子表面污秽沉积数值计算，其结果能够较好地再现不同环境参数下的绝缘子表面污层分布情况；此外，通过该方法还可以计算得到绝缘子表面污秽质量密度、污秽不均匀度及积污带电系数。该方法可以做为强有力的工具，为分析输电线路外绝缘污秽问题提供支撑。

A Simulating Method of Pollution Deposition on Insulator Surface of DC Overhead Line

The invention discloses a simulation method for contamination deposition on insulator surface of DC overhead line, which fully considers the characteristics of airflow field, DC electric field distribution and dynamic micro-process of contamination particle accumulation/emission in the process of contamination deposition on insulator; on this basis, the method carries out numerical calculation of contamination deposition on insulator surface by using COMSOL coupled multi-physical field simulation software. The results can reproduce the distribution of contamination layer on insulator surface under different environmental parameters. In addition, the contamination mass density, contamination inhomogeneity and contamination live coefficient can also be calculated by this method. This method can be used as a powerful tool to support the analysis of external insulation pollution of transmission lines.

【技术实现步骤摘要】
一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法
本专利技术属于输配电污秽外绝缘
，尤其涉及一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法。
技术介绍
高压直流输电线路由于其输送距离远、线路造价低、输送容量大等特点而在近几年得到广泛投运。然而由于恒定电场的吸附效应，直流线路集聚的污秽量一般比相同环境下的交流线路高0.5–1倍，使得高海拔、重污秽等复杂环境地区外绝缘配置的可靠稳定运行面临着严峻考验。工程中往往利用在直流输电线路悬挂参照绝缘子，开展定期污秽度测试，来获得直流线路积污带电系数，从而指导污区划分以及清扫工作的开展。通过悬挂参照绝缘子开展污秽测试的传统方法会消耗大量人力物力，且无法及时反映复杂气象环境下的绝缘子污秽度动态变化。此外，参照绝缘子的布置方式、电场分布与真实运行下的绝缘子情况差异很大，使得目前所积累的积污带电系数取值经验仍缺乏一定的科学性。基于此，目前国内外科研机构开展了有关绝缘子污秽颗粒运动沉积的建模及仿真研究，旨在替代繁琐的自然积污试验来充分认知绝缘子的积污特性，并且推动自然环境下的绝缘子积污动态预测，从而更科学地指导污区划分、防污及清扫工作的开展。现有的仿真方法虽然对揭示绝缘子积污特性以及污秽度预测提供了重要参考，但是它们普遍得到的是颗粒碰撞系数或颗粒体积分数等无法与积污量直接取得联系的参数，难以通过试验来验证。而且所得仿真结果鲜有直观反映带电积污绝缘子表面污秽沉积及分布情况。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术充分考虑绝缘子积污过程中的气流场特性、直流电场分布以及污秽颗粒积聚/出射动态微观过程，通过利用COMSOL软件，提供一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法，包括顺序相接的以下步骤：步骤(1)、按照绝缘子尺寸参数及布置方式，在COMSOL软件内搭建仿真模型，划分计算域；步骤(2)、采用软件自带静电场及流体力学模块，初始化计算域剖分网格，设置边界条件，迭代计算计算域内的静电场及流场稳态分布；步骤(3)、采用软件自带流体流动粒子追踪模块，初始化计算域中的污秽颗粒，设置荷电量、电场力、气流曳力及重力，以及绝缘子壁面沉积/出射边界条件；步骤(4)、开始仿真，软件自行进行网格剖分、迭代计算污秽颗粒的位置及速度，获得绝缘子表面污秽颗粒沉积情况；步骤(5)、数据后处理，计算得到污秽质量密度、污秽不均匀度、积污带电系数。优选地，步骤(2)中，计算域内的静电场稳态分布控制方程设为：其中E为电场强度，单位V/m；D为电位移强度，单位C/m2；U为电位值，单位：伏；ε0为真空绝对介电常数，取8.85×10-12F/m；ε1为介质的相对介电常数；ρe为体电荷密度，单位C/m3；采用RNGk-ε湍流模型将计算域内的流场稳态分布控制方程设为：其中k为湍流动能，单位m2·s-2；ε湍流耗散率，单位m2·s-3；ρ为流体密度，单位kg·m-3；Gk为代表由平均速度梯度引起的湍动能项，kg·m-1·s-3；C1ε、C2ε为经验常数；αk为湍动能k的普朗特数，无量纲；αε为耗散率ε的普朗特数，无量纲；μeff为空气粘度和湍流粘度之和，单位Pa·s；ui、uj为平均速度分量；xi、xj为坐标分量。优选地，步骤(2)中，在设置静电场及流体力学模块计算域边界条件时，绝缘子高压端电势与线路电压等级一致，绝缘子表面设为内壁面，且为糙度表面，其当量砂粒粗糙高度与污秽颗粒粒径一致，入口边界为水平气流速度入口，分别按照经验公式I＝0.16(Re)-1/8和L＝0.07ld确定气流的湍流强度以及湍流尺度，其中I为湍流强度，L为湍流尺度，ld为水力当量直径，Re为雷诺数；出口边界设置为自由出口；绝缘子表面边界设为无滑移壁面，采用标准壁面函数对近壁区进行处理，从而考虑了壁面边界层内高速度梯度的粘性影响，增加近壁区的求解精确度。优选地，步骤(3)中，污秽颗粒在计算域均匀释放，带正电荷、带负电荷和中性污秽颗粒的浓度比设为31％、26％、43％，荷电量设置为：Qp为污秽颗粒荷电量，单位C；E为污秽颗粒所在位置处的电场强度大小，V/m；εp为污秽颗粒的相对介电常数；dp为污秽颗粒粒径，单位μm。计算域中的污秽颗粒初始化时，污秽颗粒在计算域均匀释放，与大气中飞灰荷电情况保持一致。优选地，步骤(3)中，考虑了污秽颗粒受到的重力、气流曳力、电场力的综合作用，污秽颗粒受力运动控制方程设置为：其中m为污秽颗粒质量，Vp(t)为污秽颗粒的瞬时速度，Vb为污秽颗粒所处位置的气流速度，Fe、Fd、Fg依次为污秽颗粒所处空间位置的电场力、曳力及重力；E为电场强度，单位V/m；μ为动力粘度，单位1.8×10-5Pa·s；dp为污秽颗粒粒径，单位μm；ρp为污秽颗粒密度，单位kg/m3；g为重力加速度；εp为污秽颗粒的相对介电常数。对于流体流动粒子追踪模块，考虑了污秽颗粒受到的重力、气流曳力、电场力的综合作用，在三维物理场中，任一时间、空间下污秽颗粒受力运动控制方程均可设置为上述污秽颗粒受力运动控制方程。优选地，步骤(3)中，考虑了污秽颗粒在壁面的沉积和出射动态微观过程：设VpT为污秽颗粒在绝缘子表面的切向速度，VpN为法向速度，eT和eN分别为绝缘子壁面的切向和法向单位矢量，t0表示为污秽颗粒运动至壁面的时刻，则在设置流体流动粒子追踪模块边界条件时，加入沉积/出射判据：|VpN(t0)|≤VJ，其中其中e表示颗粒弹性恢复系数，取e＝0.5，无量纲；Ec为界面能，kg·m2/s2；dp为颗粒粒径，单位μm；ρp为污秽颗粒密度，单位mg/cm3；如果污秽颗粒瞬时速度满足不等式，则污秽颗粒沉积，速度赋值为0；如果未能满足不等式，则污秽颗粒与壁面分离，重新对粒子的切向和法向速度进行赋值：VpT'＝Vp(t0)·eT其中的VpT’、VpN’依次为粒子与绝缘子壁面碰撞后的切向和法向出射速度。优选地，通过改变仿真设置中的风速、风向、颗粒浓度以及颗粒粒径来模拟不同的环境参数。进一步地，步骤(5)中，绝缘子表面污秽质量密度ρm(mg/cm2)计算公式为：ρm＝πdp3·ρp·ND/6S总其中，ND为绝缘子表面粘附的污秽颗粒数目；dp为颗粒粒径，单位μm；ρp为污秽颗粒密度，单位mg/cm3；S总为绝缘子表面积，cm2。进一步地，污秽不均匀度的计算方法为：分区计算绝缘子表面不同位置处(如迎风侧、背风侧或上表面、下表面)的污秽质量密度，求取比值，得到相应的污秽不均匀度。进一步地，积污带电系数的计算方法为：按照上述步骤依次求得带电、不带电情况下的绝缘子表面污秽质量密度结果，计算两者比值得到积污带电系数。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术充分考虑绝缘子积污过程中的气流场特性、直流电场分布、以及污秽颗粒积聚/出射动态微观过程，对现有的绝缘子积污仿真方法进行了改进；并利用COMSOL软件开展绝缘子表面污秽沉积仿真，实现了较为接近真实情况的直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟；2)本专利技术一方面能够较好地再现不同环境参数下的绝缘子表面污层分布情况，另一方面能够计算得到绝缘子表面污秽质量密度、污秽不均匀度及积污带电系数；3)本专利技术能够在不消耗人力物力的情况下，为指导污区划分、清扫工作以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法，其特征在于，包括顺序相接的以下步骤：步骤(1)、按照绝缘子尺寸参数及布置方式，在COMSOL软件内搭建仿真模型，划分计算域；步骤(2)、采用软件自带静电场及流体力学模块，初始化计算域剖分网格，设置边界条件，迭代计算计算域内的静电场及流场稳态分布；步骤(3)、采用软件自带流体流动粒子追踪模块，初始化计算域中的污秽颗粒，设置荷电量、电场力、气流曳力及重力，以及绝缘子壁面沉积/出射边界条件；步骤(4)、开始仿真，软件自行进行网格剖分、迭代计算污秽颗粒的位置及速度，获得绝缘子表面污秽颗粒沉积情况；步骤(5)、数据后处理，计算得到污秽质量密度、污秽不均匀度、积污带电系数。

【技术特征摘要】
1.一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法，其特征在于，包括顺序相接的以下步骤：步骤(1)、按照绝缘子尺寸参数及布置方式，在COMSOL软件内搭建仿真模型，划分计算域；步骤(2)、采用软件自带静电场及流体力学模块，初始化计算域剖分网格，设置边界条件，迭代计算计算域内的静电场及流场稳态分布；步骤(3)、采用软件自带流体流动粒子追踪模块，初始化计算域中的污秽颗粒，设置荷电量、电场力、气流曳力及重力，以及绝缘子壁面沉积/出射边界条件；步骤(4)、开始仿真，软件自行进行网格剖分、迭代计算污秽颗粒的位置及速度，获得绝缘子表面污秽颗粒沉积情况；步骤(5)、数据后处理，计算得到污秽质量密度、污秽不均匀度、积污带电系数。2.如权利要求1所述的一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法，其特征在于，步骤(2)中，计算域内的静电场稳态分布控制方程设为：其中E为电场强度，单位V/m；D为电位移强度，单位C/m2；U为电位值，单位：伏；ε0为真空绝对介电常数，取8.85×10-12F/m；ε1为介质的相对介电常数；ρe为体电荷密度，单位C/m3；采用RNGk-ε湍流模型将计算域内的流场稳态分布控制方程设为：其中k为湍流动能，单位m2·s-2；ε湍流耗散率，单位m2·s-3；ρ为流体密度，单位kg·m-3；Gk为代表由平均速度梯度引起的湍动能项，单位kg·m-1·s-3；C1ε、C2ε为经验常数；αk为湍动能k的普朗特数，无量纲；αε为耗散率ε的普朗特数，无量纲；μeff为空气粘度和湍流粘度之和，单位Pa·s；ui、uj为平均速度分量；xi、xj为坐标分量。3.如权利要求1所述的一种直流架空线路绝缘子表面污秽沉积模拟方法，其特征在于，步骤(2)中，在设置静电场及流体力学模块计算域边界条件时，绝缘子高压端电势与线路电压等级一致，绝缘子表面设为内壁面，且为糙度表面，其当量砂粒粗糙高度与污秽颗粒粒径一致，入口边界为水平气流速度入口，分别按照经验公式I＝0.16(Re)-1/8和L＝0.07ld确定气流的湍流强度以及湍流尺度，其中I为湍流强度，L为湍流尺度，ld为水力当量直径，Re为雷诺数；出口边界设置为自由出口；绝缘子表面边界设为无滑移壁面，采用标准壁面函数对近壁区进行处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东东，倪喜军，王书征，李先允，张志劲，
申请(专利权)人：南京工程学院，重庆大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32