Modelling and simulation study on dynamic pollution accumulation process of disc insulator

Resumen Técnico: Estudio de Modelado y Simulación del Proceso de Acumulación Dinámica de Contaminación en Aisladores de Disco

Planteamiento del Problema
Los aisladores de disco son críticos para el soporte mecánico y el aislamiento eléctrico de las líneas de transmisión, sin embargo, su confiabilidad operativa se ve comprometida por la deposición de contaminantes. Bajo condiciones meteorológicas húmedas (niebla, rocío, lluvia ligera), las capas de contaminación superficial elevan significativamente la conductividad, lo que provoca corrientes de fuga, descargas superficiales y posibles arcos eléctricos por contaminación. Si bien investigaciones existentes han explorado modelos de colisión y adhesión, persisten limitaciones significativas. Los estudios actuales a menudo analizan de manera inadecuada los procesos de rebote de los contaminantes y frecuentemente aplican erróneamente teorías de mecánica de contacto (como JKR o DMT) sin considerar los límites de aplicación estrictos respecto al diámetro de la partícula, la energía superficial y la deformación microscópica. Los contaminantes naturales suelen exhibir composiciones e interacciones que se encuentran en un estado intermedio entre estos extremos teóricos, lo que requiere un modelo de deposición física más integral que refleje con precisión las discrepancias superficiales entre diversos materiales.

Metodología
Los autores proponen un modelo de acumulación dinámica de contaminación que divide el proceso de deposición de partículas en dos etapas distintas: movimiento espacial y deposición por colisión.

1. Análisis del Movimiento Espacial: La trayectoria de las partículas contaminantes está gobernada por un entorno multifísico que involucra fuerzas de campo eléctrico ($F_e$), arrastre aerodinámico ($F_d$) y gravedad ($F_g$). El modelo resuelve ecuaciones de equilibrio de fuerzas para determinar las velocidades previas a la colisión y los ángulos de incidencia bajo campos eléctricos no uniformes y flujo de aire.
2. Selección de la Teoría de Mecánica de Contacto: Para abordar las limitaciones de las teorías existentes, los autores introducen un parámetro de "altura del cuello" ($h$) como un criterio crítico para la selección de la teoría. Al calcular $h$ para contaminantes típicos (SiO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃, CaCO₃) con diámetros que oscilan entre 2 μm y 50 μm, el estudio determina que la teoría de mecánica de contacto de Maugis-Dugdale (MD) es la más apropiada. La teoría MD cierra la brecha entre JCR (diámetros grandes, alta adhesión) y DMT (áreas de contacto pequeñas, baja adhesión), contabilizando los efectos adhesivos tanto dentro como fuera de la zona de contacto.
3. own Criterio de Deposición: Se establece un criterio de deposición normal basado en la conservación de la energía. El modelo evalúa exhaustivamente las fuerzas interfaciales, incluyendo la adhesión de van der Waals y el amortiguamiento. El estudio determina explícitamente que la contribución de las fuerzas de soporte del menisco líquido a la disipación de energía durante la fase de incidencia es insignificante comparada con la adhesión de van der Waals (por varios órdenes de magnitud). En consecuencia, la velocidad crítica de colisión ($V_c$) se deriva principalmente de la adhesión de van der Waals y la disipación de energía durante la fase de incidencia. Sin embargo, durante la fase de rebote subsiguiente, la fuerza de soporte del menisco líquido se contabiliza como un factor de disipación de energía adicional ($\Delta E_y$) junto con la energía de recuperación elástica ($\Delta E_h$) para derivar la velocidad de adhesión final ($V_{cn}$).
4. Marco de Simulación: Se construye un modelo de deposición dinámica completo utilizando el Método de Elementos Finitos (FEM) y se valida contra el aislador de vidrio LXY4-160. La simulación utiliza un módulo de Seguimiento de Partículas Fluídas (FPT) con 500,000 partículas de SiO₂ para analizar trayectorias y patrones de deposición bajo diversas velocidades de viento, diámetros de partícula y polaridades de voltaje.

Contribuciones Clave

• Marco Teórico: El artículo introduce el parámetro de "altura del cuello" ($h$) para seleccionar rigurosamente la teoría de mecánica de contacto MD para las colisiones partícula-aislador, proporcionando una descripción más precisa del proceso de colisión que los enfoques previos basados únicamente en JKR o DMT.
• Criterio Integral: Se define un criterio de deposición normal integrando la adhesión de van der Waals y las fuerzas de soporte del menisco líquido. El estudio cuantifica la disipación de energía, encontrando que, si bien el soporte del menisco líquido aumenta con la humedad relativa, la adhesión de van der Waals sigue siendo el factor dominante en la disipación de energía durante la fase de incidencia, lo que hace que la contribución del menisco líquido sea insignificante para el balance de energía de la colisión inicial. No obstante, las fuerzas del menisco líquido se incluyen explícitamente en el balance de energía de la fase de rebote para determinar el umbral de adhesión final.
• Modelado Dinámico: El estudio construye un modelo dinámico completo que acopla campos multifísicos (eléctrico, de flujo, gravitatorio) con la mecánica de contacto microscópica para simular todo el ciclo de vida de la deposición, desde el movimiento espacial hasta la adhesión final o el rebote.

Resultados

• Validación del Modelo: El modelo fue validado frente a datos experimentales existentes respecto a la relación de deposición de contaminación entre las campanas de sotavento y barlovento ($K_{L/W}$). La simulación demostró un error promedio del 3.11% en diversas velocidades de viento, con desviaciones generalmente inferiores al 10%, confirmando la racionalidad y validez del modelo.
• Efectos del Diámetro de la Partícula: Los diámetros de partícula más grandes aumentan la probabilidad de deposición en la superficie del aislador debido al incremento de la fuerza gravitatoria que contrarresta el arrastre aerodinámico. Específicamente, la deposición en la superficie superior aumenta de forma monótona con el diámetro. La deposición en la superficie inferior disminuye inicialmente y luego aumenta a medida que el diámetro crece, influenciada por el efecto de bloqueo de la varilla central y la turbulencia en el lado de sotavento.
• Efectos de la Velocidad del Viento: La deposición total de contaminantes aumenta con la velocidad del viento, aunque la tasa de crecimiento se desacelera a velocidades más altas. La deposición en la superficie superior alcanza un pico alrededor de los 4 m/s y luego declina conforme las velocidades de incidencia exceden la velocidad crítica de adhesión. Por el contrario, la deposición en la superficie inferior aumenta continuamente con la velocidad del viento, a medida que la capacidad de seguir el flujo supera la inercia gravitatoria.
• Efectos de la Polaridad del Voltaje: La deposición de contaminación es significativamente mayor bajo campos eléctricos de CC negativos en comparación con los positivos. En campos negativos, la fuerza eléctrica hacia abajo se superpone con la gravedad, contrarrestando el arrastre aerodinámico ascendente y suprimiendo la deflexión hacia arriba, lo que incrementa la probabilidad de colisión. En campos positivos, la fuerza eléctrica ascendente desvía las partículas lejos de la superficie del aislador.

Significancia
El artículo afirma que este modelo delinea con precisión los procesos dinámicos de acumulación de contaminación, proporcionando una referencia teórica confiable para explorar los mecanismos subyacentes. Al abordar las limitaciones de las aplicaciones actuales de la mecánica de contacto e integrar las interacciones multifísicas, el estudio ofrece orientación científica para el mantenimiento del aislamiento externo y el diseño de estrategias para prevenir arcos eléctricos por contaminación. Los hallazgos sugieren que comprender la interacción específica entre el tamaño de la partícula, la velocidad del viento y la polaridad del voltaje es esencial para predecir el comportamiento de la contaminación en aisladores de disco.