華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室、國家電網(wǎng)公司河南省電力科學(xué)研究院的研究人員姜昀芃、李黎、盧明等，在2019年第3期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，對于長期工作于強電場及復(fù)雜環(huán)境的線路絕緣子，其表面積污特性的研究是電力系統(tǒng)外絕緣研究的基礎(chǔ)工作。近年來人們更多地關(guān)注因顆粒粘附而產(chǎn)生的絕緣子積污量的大小，而對已粘附污穢顆粒的粒徑分布特性等相關(guān)研究和分析較少。

特別是，隨著生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展，空氣中懸浮的細(xì)微顆粒物粒徑分布結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化（例如霧霾天氣頻繁出現(xiàn)），該變化是否會對絕緣子表面粘附污穢顆粒的粒徑分布產(chǎn)生影響，進(jìn)一步是否會對現(xiàn)有的絕緣子積污特性產(chǎn)生影響值得深入研究。

本文利用激光粒度儀測量多例從運行線路上采集的瓷絕緣子表面污穢顆粒樣本，結(jié)果發(fā)現(xiàn)“瓷絕緣子表面粘附的顆粒粒徑分布近似呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布”這一有趣的物理現(xiàn)象。為了揭示該物理現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，研究團(tuán)隊建立了多物理場耦合的顆粒物碰撞粘附動力學(xué)模型，通過數(shù)值模擬從微觀角度模擬了顆粒與絕緣子表面碰撞吸附的過程，分析了濕度、風(fēng)速、氣動外形、電場強度等多參量對粘附顆粒粒徑分布規(guī)律和數(shù)量的影響。

論文主要內(nèi)容

（1）粘附顆粒的粒徑分布特性

從運行線路上采集多例瓷絕緣子表面的污穢樣本，測量發(fā)現(xiàn)絕緣子表面粘附顆粒的粒徑分布存在顯著的統(tǒng)計特性，即粒徑分布近似呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布，粒徑分布集中于5~50μm，粒徑的統(tǒng)計中位數(shù)D50約為20μm。

圖1 污穢樣本的粒徑分布圖

（2）顆粒物碰撞粘附動力學(xué)模型建立

結(jié)合計算流體力學(xué)和Euler-Lagrange法來研究顆粒在空氣中運動的氣固兩相流問題以獲得顆粒的碰撞初速度。分別在Euler坐標(biāo)系中，利用RNG k-ε湍流模型來求解連續(xù)介質(zhì)氣流相的輸運方程。在Lagrange坐標(biāo)系中，應(yīng)用離散相模型來跟蹤顆粒的運動參數(shù)。而后根據(jù)顆粒在不同碰撞階段的應(yīng)力特征，分別分析了液面張力、荷載/卸荷力、粘附力對顆粒的作用，并基于動能損耗建立了顆粒碰撞粘附的動力學(xué)模型。

圖3 污穢顆粒碰撞過程示意圖

圖5 顆粒碰撞粘附模型流程示意圖

（3）多種參量對顆粒粘附特性的影響

基于所建立的顆粒碰撞粘附動力學(xué)模型，仿真研究了相對濕度、空氣風(fēng)速、氣動外形、電場強度和電場類型五種變量對粘附顆粒粒徑及數(shù)量的影響。

圖8 不同氣動外形絕緣子的流場分布云圖

圖11 不同粒徑顆粒在不同電場強度下的粘附數(shù)量

結(jié)論

粘附在瓷絕緣子表面的污穢顆粒的粒徑分布具有顯著統(tǒng)計特性，即粒徑統(tǒng)計中位數(shù)D50約為20μm，粒徑小于5μm和大于50μm的顆粒具有極少的分布，這可以推論空氣污染物中的極細(xì)微顆粒不會對積污量造成顯著影響。

在顆粒的粘附過程中，濕度和風(fēng)速對粘附顆粒的粒徑分布影響明顯，氣動外形、電場類型和電場強度則主要對顆粒粘附數(shù)量有一定影響。低濕度下，粘附顆粒的粒徑主要集中于10~40μm，但總體數(shù)量較少，隨著濕度增加，粘附顆粒數(shù)量顯著增多，粒徑分布變成主要集中于30~70μm。低風(fēng)速下(＜6m/s)，粘附顆粒的D50值和數(shù)量峰值均隨風(fēng)速增加而變小；高風(fēng)速下(＞6m/s)，D50值逐漸穩(wěn)定。

本文可以為后續(xù)開展更準(zhǔn)確的絕緣子人工模擬積污試驗及顆粒對污閃的影響等研究提供理論支撐，為開展復(fù)雜物理場作用下細(xì)微顆粒物的輸運、粘附和清除等相關(guān)技術(shù)的研究提供理論基礎(chǔ)。