華中科技大學電氣與電子工程學院強電磁工程與新技術國家重點實驗室、國家電網公司河南省電力科學研究院的研究人員姜昀芃、李黎、盧明等，在2019年第3期《電工技術學報》上撰文指出，對于長期工作于強電場及復雜環境的線路絕緣子，其表面積污特性的研究是電力系統外絕緣研究的基礎工作。近年來人們更多地關注因顆粒粘附而產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研究和分析較少。

特別是，隨著生產制造業的發展，空氣中懸浮的細微顆粒物粒徑分布結構發生了較大變化（例如霧霾天氣頻繁出現），該變化是否會對絕緣子表面粘附污穢顆粒的粒徑分布產生影響，進一步是否會對現有的絕緣子積污特性產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，結果發現“瓷絕緣子表面粘附的顆粒粒徑分布近似呈現對數正態分布”這一有趣的物理現象。為了揭示該物理現象產生的機理，研究團隊建立了多物理場耦合的顆粒物碰撞粘附動力學模型，通過數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、風速、氣動外形、電場強度等多參量對粘附顆粒粒徑分布規律和數量的影響。

論文主要內容

（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，測量發現絕緣子表面粘附顆粒的粒徑分布存在顯著的統計特性，即粒徑分布近似呈現對數正態分布，粒徑分布集中于5~50μm，粒徑的統計中位數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模型建立

結合計算流體力學和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坐標系中，利用RNG k-ε湍流模型來求解連續介質氣流相的輸運方程。在Lagrange坐標系中，應用離散相模型來跟蹤顆粒的運動參數。而后根據顆粒在不同碰撞階段的應力特征，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模型，仿真研究了相對濕度、空氣風速、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量

結論

粘附在瓷絕緣子表面的污穢顆粒的粒徑分布具有顯著統計特性，即粒徑統計中位數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，但總體數量較少，隨著濕度增加，粘附顆粒數量顯著增多，粒徑分布變成主要集中于30~70μm。低風速下(＜6m/s)，粘附顆粒的D50值和數量峰值均隨風速增加而變小；高風速下(＞6m/s)，D50值逐漸穩定。

本文可以為后續開展更準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，為開展復雜物理場作用下細微顆粒物的輸運、粘附和清除等相關技術的研究提供理論基礎。