⚡ electrical engineering

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

本文提出了一种经过验证的盘式绝缘子两阶段动态沉积模型，该模型将多物理场轨迹分析与基于颈高（neck-height）的接触力学准则相结合，以揭示风速、颗粒粒径及电场极性如何影响污染积聚。

原作者： Changjing Chen, Zhongyi Yang, Dongxiong Liu, Yanzhao zheng, Junhao Zhou, Xiangjun Zeng

发布于 2026-08-07

📖 1 分钟阅读☕ 轻松阅读

原作者： Changjing Chen, Zhongyi Yang, Dongxiong Liu, Yanzhao zheng, Junhao Zhou, Xiangjun Zeng

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，高压输电线的世界就像一条在天空中流淌的巨大且隐形的电力之河。为了防止这条河流跳出河岸并导致停电，工程师们在导线与金属铁塔之间悬挂着长串陶瓷或玻璃圆盘，这些圆盘被称为绝缘子。可以将这些圆盘想象成保持电流被约束在内部的“盾牌”。但是，就像汽车挡风玻璃在长途旅行中会收集昆虫和灰尘一样，这些盾牌也会从空气中收集污染物——微小的尘埃、盐分和烟尘。当降雨或出现雾气时，这些干燥的污垢会变成一种具有导电性的粘稠淤泥。如果堆积得足够多，电流就会悄悄穿过这些肮脏的表面，引发大规模的火花（闪络），从而导致所有人停电。科学家们早已知道，污垢堆积是导致这些故障的根源，但要弄清楚那些微小的尘埃究竟是如何决定粘附或从绝缘子表面弹开的，一直是一个棘手的谜题。这涉及一场由风吹、重力下拉以及无形的电场力推挤共同构成的混乱舞蹈。

本文深入研究了这场混乱的舞蹈，旨在为圆盘绝缘子上的污染堆积过程建立一个超级精确的计算机模拟。由陈昌景（Changjing Chen）和杨忠义（Zhongyi Yang）领导的研究团队意识到，以往的模型有点像是在没有温度计的情况下猜测天气；它们经常使用错误的规则来描述粒子的弹跳和粘附。为了解决这个问题，团队将问题分为两个部分：第一，粒子如何在空气中飞行；第二，粒子撞击玻璃那一瞬间的刹那。他们引入了一种巧妙的新方法，利用一种被称为“颈高”（neck height）的概念来衡量碰撞的“粘性”，从而决定使用哪本物理规则手册。他们发现，名为 Maugis-Dugdale (MD) 的特定理论是描述这些粒子如何撞击并粘附的最完美匹配。

该研究模拟了数百万个微小的二氧化硅（SiO2）颗粒在不同条件下撞击玻璃绝缘子的过程。结果非常清晰。首先，尘埃的大小至关重要：较大的颗粒更重，因此重力占据上风，使它们更猛烈地撞击在绝缘子的顶部。其次，风速是一把双刃剑；虽然更多的风通常会带来更多污垢，但如果风速过强（超过每秒 4 米），它实际上会在粒子粘附之前就将它们从顶面吹走，尽管它有助于将更多污垢推向底部。最后，电力的方向也非常重要。当输电线路带有负电荷时，电场就像磁铁一样，比正电荷时更猛烈地将污垢向下吸引到绝缘子上。团队的计算机模型经过了现实世界实验的测试，并被发现极其准确，平均误差仅为 3.11%。这意味着他们的数字“风洞”是一个可靠的工具，可以预测污垢会在何处以及如何堆积，从而帮助工程师设计出更好的盾牌，以确保灯火通明。

技术摘要：盘式绝缘子动态污染累积过程的模型与仿真研究

问题陈述
盘式绝缘子是输电线路机械支撑和电气绝缘的关键部件，然而其运行可靠性常因污染物的沉积而受到威胁。在潮湿气象条件下（雾、露、小雨），表面污染层会显著提高电导率，导致漏电流、表面放电以及潜在的污染闪络。尽管现有研究已对碰撞和粘附模型进行了探索，但仍存在显著局限性。目前的研究往往未能充分分析污染物的反弹过程，且经常错误地应用接触力学理论（如 JKR 或 DMT），而未考虑关于颗粒直径、表面能及微观变形的严格适用边界。天然污染物通常表现出介于这些理论极端状态之间的中间特性，因此需要一个更全面的物理沉积模型，以准确反映不同材料之间的表面差异。

研究方法
作者提出了一个动态污染累积模型，将颗粒沉积过程分为两个阶段：空间运动与碰撞沉积。

空间运动分析： 污染物颗粒的轨迹受涉及电场力 ( $F_e$ )、气动力 ( $F_d$ ) 和重力 ( $F_g$ ) 的多物理场环境控制。该模型通过求解力平衡方程，确定非均匀电场和气流作用下的碰撞前速度和入射角。
接触力学理论选择： 为解决现有理论的局限性，作者引入了“颈高”（ $h$ ）参数作为理论选择的关键判据。通过计算典型污染物（SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、CaCO₃）在直径为 2μm 至 50μm 范围内的 $h$ 值，研究确定 Maugis-Dugledge (MD) 接触力学理论最为适用。MD 理论弥合了 JKR（大直径、高粘附）与 DMT（小接触面积、低粘附）之间的差距，同时兼顾了接触区内外的粘附效应。
沉积判据： 基于能量守恒建立了一个法向沉积判据。模型综合评估了界面力，包括范德华力粘附和阻尼。研究明确指出，在入射阶段，液膜弯月面支撑力对能量耗散的贡献相对于范德华力而言可以忽略不计（低几个数量级）。因此，临界碰撞速度 ( $V_c$ ) 主要由范德华粘附力和入射阶段的能量耗散决定。然而，在随后的反弹阶段，液膜弯月面支撑力被作为额外的能量耗散因子 ( $\Delta E_y$ ) 与弹性恢复能 ( $\Delta E_h$ ) 一并考虑，用以推导最终的临界粘附速度 ( $V_{cn}$ )。
仿真框架： 利用有限元法 (FEM) 构建了一个完整的动态沉积模型，并针对 LXY4-160 玻璃盘式绝缘子进行了验证。仿真采用流体颗粒追踪 (FPT) 模块，利用 500,000 个 SiO₂ 颗粒来分析在不同风速、颗粒直径和电压极性下的轨迹及沉积模式。

核心贡献

理论框架： 本文引入了“颈高”（ $h$ ）参数，从而严谨地选择了用于描述颗粒-绝缘子碰撞的 MD 接触力学理论，相比以往仅使用 JKR 或 DMT 的方法，提供了更准确的碰撞过程描述。
综合判据： 通过整合范德华力粘附和液膜弯月面支撑力，定义了一个法向沉积判据。研究量化了能量耗散，发现虽然液膜弯月面支撑力随相对湿度增加，但范德华力在入射阶段仍是能量耗散的主导因素，使得液膜贡献在初始碰撞能量平衡中可以忽略不计。然而，在反弹阶段，液膜力被明确纳入能量平衡中，以确定最终的粘附阈值。
动态建模： 本研究构建了一个完整的动态模型，将多物理场（电场、流场、重力场）与微观接触力学耦合，模拟了从空间运动到最终粘附或反弹的整个沉积生命周期。

结果

模型验证： 模型通过了迎风侧与背风侧绝缘子污染沉积比例 ( $K_{L/W}$ ) 的现有实验数据验证。仿真显示在不同风速下平均误差为 3.11%，偏差普遍在 10% 以内，证实了模型的合理性与有效性。
颗粒直径效应： 较大的颗粒直径由于重力增加抵消了气动力，从而增加了在绝缘子表面的沉积概率。具体而言，上表面沉积量随直径增加单调递增。受芯棒遮挡效应及背风侧湍流的影响，下表面沉积量随直径增大呈现先减小后增加的趋势。
风速效应： 总污染物沉积量随风速增加而增加，但增长速率在高风速下趋于放缓。上表面沉积量在 4 m/s 左右达到峰值，随后随着入射速度超过临界粘附速度而下降。相反，随着风速增加，下表面沉积量持续上升，这是因为随流能力克服了重力惯性。
电压极性效应： 在负直流电场下的污染沉积显著高于正电场。在负电场下，向下的电场力与重力叠加，抵消了向上的气动力并抑制了向上偏转，从而提高了碰撞概率。在正电场下，向上的电场力使颗粒远离绝缘子表面。

意义
本文声称该模型能够准确描绘污染累积的动态过程，为探索底层机制提供了可靠的理论参考。通过解决当前接触力学应用的局限性并整合多物理场相互作用，本研究为外部绝缘维护和防污染闪络策略的设计提供了科学指导。研究结果表明，理解颗粒尺寸、风速和电压极性之间的特定相互作用，对于预测盘式绝缘子上的污染行为至关重要。

类似论文