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不同温差下的玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度建模分析.pdf
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1、信息记录材料 年 月 第 卷第 期不同温差下的玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度建模分析刘胜波(广东电网有限责任公司东莞供电局 广东 东莞)【摘摘要要】玻璃纤维树脂芯棒污层受潮会降低绝缘子耐污闪性能温差是玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度的重要影响因素为此提出不同温差下的玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度建模分析 本文根据玻璃纤维树脂芯棒污层结构变化将玻璃纤维树脂芯棒污层受潮过程划分为污层外受潮与污层内受潮两部分利用气液相变理论、四热阻模型以及水滴碰撞模型对污层外受潮程度进行建模分析利用时间温差关系函数和传质模型对污层内受潮程度进行分析为玻璃纤维树脂芯棒污层受潮机理研究提供有力的理论支撑【关关键键词词】玻玻璃璃
2、纤纤维维树树脂脂芯芯棒棒 冷冷凝凝驱驱动动力力 水水滴滴生生成成速速率率【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】()作者简介:刘胜波()男广东兴宁硕士工程师研究方向:配网调度、高电压与绝缘技术 引言玻璃纤维树脂是一种以树脂作为基体材料通过对其玻璃纤维增强而成的复合材料由于玻璃纤维树脂具有绝缘性能良好、易获取、成本低、质量轻等优点目前玻璃纤维树脂材料已经被广泛应用于电力行业中尤其是作为绝缘子芯棒材料并且已经得到批量化生产 据相关数据显示截至目前国内挂网线路中玻璃纤维树脂芯棒已经超过 万个标准复合绝缘子 但是玻璃纤维树脂芯棒是典型的有机绝缘设备长期处于高温、高压的恶劣环
3、境中受雨淋、空气氧化、日照以及风吹等诸多自然因素影响玻璃纤维树脂芯棒会经历“积污湿润受潮”玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度直接关系到玻璃纤维树脂芯棒耐污闪性能从而引发闪络放电故障 近几年随着恶劣天气不断加剧对玻璃纤维树脂芯棒的抗污闪性能提出了更高的要求玻璃纤维树脂芯棒污层受潮机理和受潮程度分析研究迫在眉睫 环境温差是玻璃纤维树脂芯棒污层受潮重要影响因素两者之间存在一定的线性关系目前不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度的研究比较匮乏无法为改善玻璃纤维树脂芯棒、提高玻璃纤维树脂芯棒抗污闪性能提供有力的理论支撑为此提出不同温差下的玻璃纤维树脂芯棒污层受潮程度建模分析 玻璃纤维树脂芯棒污层受潮过程玻璃纤
4、维树脂芯棒表面污层的受潮过程可归纳为:水分子在大气中凝结、水滴撞击玻璃纤维树脂芯棒表面污层、表面污层的吸水现象以及水分子在玻璃纤维树脂芯棒污层中的化学扩散前者未发生污层结构改变属于污层之外的润湿过程因此将水分子在大气中凝结、水滴撞击玻璃纤维树脂芯棒表面污层归纳为玻璃纤维树脂芯棒污层外的受潮过程其中水分子在大气中凝结过程属于物理中的凝露现象即水分子从气相到液相的转化过程在空气饱和湿度情况下当空气环境中温度高于玻璃纤维树脂芯棒污层表面温度形成温差时空气中水分子会凝结在玻璃纤维树脂芯棒污层表面玻璃纤维树脂芯棒污层的受潮过程的最后 个阶段为表面污层的吸水现象以及水分子在玻璃纤维树脂芯棒污层中的化学扩散
5、由于均涉及玻璃纤维树脂芯棒污层变化故将这 个受潮阶段归类为玻璃纤维树脂芯棒污层内受潮过程 污层吸湿和水分子化学扩散主要取决于玻璃纤维树脂芯棒污层所处环境的温差 因此以玻璃纤维树脂芯棒污层环境温差作为自变量将污层受潮程度作为因变量对不同温差下的玻璃纤维树脂芯棒污层外、内受潮程度进行建模分析 不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层外受潮过程建模分析 根据以上对玻璃纤维树脂芯棒污层外受潮过程的分析建立污层内受潮机理数学模型 首先要明确玻璃纤维树脂芯棒污层凝结的产生条件获得凝结过程中水分子所受的外力(凝结驱动力)进而分析玻璃纤维树脂芯棒污层外部水分子凝结过程中产生的主控因子 其次利用模型方程描述凝结后在大气中
6、形成水滴的速率 在此基础上根据凝结速率以及温差计算出不同温差下玻璃纤维树脂芯棒污层外部液态水滴的质量流量以下将从不同温差下污层外冷凝和水滴碰撞 个方面对污层外受潮过程进行建模分析 污层外冷凝在饱和湿度情况下当水蒸气与流体接触时冷凝一般都是在流体表面进行要想在水蒸气内生成水珠只能从凝结核开始向外逐步扩大 从传热和传质的观点来看在气液两相界面处有一个边界层当其温度比环境中的温度更高时边界层会向周围气体散热从而使流体中的吉布斯自由能增大使流体发生汽化 当大气中的空气温度较低时大气中的热量会被空气所吸收从而降低大气中的吉布斯自由能产生凝结现象 在传热理论中通常把珠状水滴看成是半球体 由于吉布斯自由能存
7、信息记录材料 年 月 第 卷第 期在一定的差异环境中的物质会由亚稳态转向稳态假设玻璃纤维树脂芯棒污层受潮过程中环境中的理想气体为水蒸气并且处于亚稳态相由于环境中存在温差处于过饱和状态的水蒸气将发生冷凝环境中的气态相水蒸气有冷凝为液相水滴的趋势该趋势定义为玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝驱动力的大小其数学模型见式():()式()中 表示玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝驱动力 表示冷凝生成水滴的半径 表示环境温差 表示环境中水蒸气处于亚稳态相时的压力值 表示环境中水蒸气处于稳态相时的压力值 在冷凝驱动力的作用下环境空气中的过饱和水蒸气由亚稳态转向稳态从水蒸气逐渐转变为水滴玻璃纤维树脂芯棒污层表面发生凝露现
8、象逐步受潮随着水蒸气从气态逐渐转变为液态玻璃纤维树脂芯棒污层表面珠状水滴体积不断增加 考虑到水滴自身的导热热阻对冷凝水滴的影响以及水滴表面曲率对两相体平衡的影响生成任意大小的珠状水滴模型根据四热阻模型求出玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝水滴生成的速率计算见式():()()式()中 表示玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝水滴生成的速率 表示玻璃纤维树脂芯棒污层表面与环境的温差 表示水的密度 表示气化潜热 表示最小凝结水滴半径 表示比热容的比率 表示一定水蒸气压力下气液两相分界面上的表面传热系数 表示玻璃纤维树脂芯棒污层外部凝结水滴边界层厚度 利用以上数学模型即可求出玻璃纤维树脂芯棒污层外部冷凝水滴生成的速
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