張華榮，馮敏星，徐 綱，梅小云，程小杰

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司東臺市供電分公司，江蘇鹽城 224200）

0 引言

本次研究側(cè)重于對干冰清洗變電站絕緣子的效果進行試驗，因此需要對清洗接觸網(wǎng)的實際需求進行分析，在此基礎上制定干冰清洗裝置的設計方案，分析干冰清洗裝置在實際作業(yè)過程中的安全性。

在Fluent 仿真軟件的基礎上設計干冰噴槍，研究內(nèi)容主要包括干冰噴槍的參數(shù)對干冰顆粒的實際影響，運用田口法進一步優(yōu)化干冰噴槍參數(shù)。最終確保干冰清洗可以滿足實際變電站絕緣子清洗需求。

1 變電站絕緣子污穢閃絡的狀況

1.1 污穢閃絡的危害

變電站絕緣子出現(xiàn)污穢閃絡現(xiàn)象會造成接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)跳閘，并且污穢閃絡常見于空氣塵埃大量存在的秋冬時期。如果變電站絕緣子頻繁出現(xiàn)污穢閃絡現(xiàn)象就會妨礙電力系統(tǒng)的正常供電，嚴重時會造成電力系統(tǒng)設備的損壞，污穢閃絡使供電系統(tǒng)的安全性面臨巨大的挑戰(zhàn)。

盡管現(xiàn)階段在全球范圍內(nèi)已經(jīng)開展一系列的環(huán)保計劃，但是大氣污染程度仍然在不斷加劇，對生態(tài)環(huán)境造成破壞的同時也造成了輸電線路頻繁出現(xiàn)污穢閃絡現(xiàn)象。高頻度的污穢閃絡很容易造成電網(wǎng)故障從而引發(fā)大范圍停電，這種故障會給電力搶修造成較大的難度，通常需要付出高額的代價。

1.2 清洗變電站絕緣子的優(yōu)缺點對比

當輸電線路因為污穢閃絡造成故障從而進行清洗的方式被稱為被動維護。為了避免電力故障的發(fā)生，電力工作部門需要采取主動維護方式防患于未然?，F(xiàn)階段常見的電路主動維護清洗方式有人為清掃、水沖洗、氣吹沖洗、機械干清掃、蒸汽清洗、干冰清洗。每一種清洗方式都有各自的優(yōu)缺點，表1 為現(xiàn)階段各類電路清洗方式優(yōu)缺點對比。

表1 各類電路清洗方式優(yōu)缺點對比

2 干冰清洗供應方案

干冰清洗裝置的主要組成部分有液態(tài)CO2儲存裝置、干冰制造裝置、干冰存儲裝置、干冰輸送裝置、氣壓裝置。

干冰清洗裝置不需要自行設計，通過采購即可。干冰作為一種即時消耗品并不能進行長期存儲，因此對于清洗時需要使用的干冰可以采取兩種方式：一是將液態(tài)的CO2放入干冰造粒機，即可獲得干冰；二是直接購買。表2 為兩種干冰獲取方式的成本對比。

表2 兩種干冰獲取方式成本對比

3 干冰噴槍的優(yōu)化設計

3.1 設計干冰內(nèi)腔

作為整個干冰清潔系統(tǒng)的重要組成部分，干冰噴槍的性能直接決定了清洗效果的質(zhì)量。干冰噴槍的性能主要取決于其氣體特性。本次研究中設計的干冰噴槍需要滿足以下條件：①噴槍入口壓力在0.5～1 MPa，噴槍出口的風速需要≥600 m/s；②干冰顆粒抵達目標位置時，速度需要≥300 m/s，有效覆蓋直徑與寬度需要達到20 cm；③符合安全距離的實際需求。

3.2 噴槍的流場特性

噴槍的流場特性與干冰顆粒特性受到噴槍內(nèi)腔、輸入壓力、干冰顆粒的尺寸與性狀等因素的影響。

在進行Fluent 仿真時，首先假設干冰顆粒的持續(xù)相與連續(xù)相具有較小的比率，正因如此干冰顆粒間的相互作用與顆粒相體積占比對于流體流場特性的影響并不明顯，一般情況下顆粒相的體積占比小于10%～12%，固體相的質(zhì)量占比可以大于10%。本次研究中選用的固體干冰顆粒加載體積的速率為2.12×10-5m3/s，內(nèi)流場空氣流動體積速率為2.5×10-2m3/s，二者之間相差3 個數(shù)量級，因此在本次研究中選擇了離散相模型進行研究。

首先簡化模型，忽略噴槍自身寬度，在二維平面內(nèi)進行仿真模擬。在二維仿真模型中設定邊界條件：假設噴槍內(nèi)部氣流為理想化的可壓縮流體，干冰顆粒的密度為1572 kg/m3，直徑4.07 mm，長3 mm，球形度0.84，質(zhì)量加載速率0.0.3 kg/s，入口壓力0.5 MPa，出口壓力0.1 MPa。干冰的特性決定了干冰的汽化現(xiàn)象且時間較短，因此在噴槍軸線方向上的計算區(qū)域不可過大，經(jīng)查閱相關資料，最終確定噴槍外流暢計算區(qū)域為0.8 m×0.6 m。

4 田口法優(yōu)化干冰噴槍內(nèi)腔

考慮到噴槍的流場特性會受到結構多種參數(shù)的影響，因此本次研究中使用田口法對噴槍結構幾何參數(shù)進行優(yōu)化設計。

田口法由日本著名質(zhì)量管理專家田口玄一于20 世紀70 年代提出。田口法可以有效優(yōu)化工程設計，在設計階段可以有效避免因產(chǎn)品質(zhì)量造成的一系列問題。在工程設計過程中使用田口法可以提升問題解決速度以及降低設計成本，突破工作瓶頸達到最終目標。

使用田口法實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化有以下具體步驟：

（1）確定品質(zhì)特性。要對產(chǎn)品的屬性實現(xiàn)改良或設計，需要嚴格結合產(chǎn)品的品質(zhì)特性。品質(zhì)特性由對實數(shù)進行測量獲得，選擇恰當?shù)钠焚|(zhì)特性可以確保產(chǎn)品性能的優(yōu)化。

（2）計算品質(zhì)特征的理想值。

（3）尋找影響因子。產(chǎn)品設計過程中常見的影響因子：①信號，體現(xiàn)產(chǎn)品的反應值，為了更好地體現(xiàn)產(chǎn)品的反應值有時可以選取多個信號影響因子；②雜音，絕大部分雜音影響因子均為人為不可控因素，因為雜音影響因子的存在，常常造成品質(zhì)特征缺失，雜音影響因子可以大致分為外在、零件間變異、損壞；③控制，與雜音影響因子正相反，絕大部分控制影響因子均是人為可控因素。將所以可對產(chǎn)品品質(zhì)特性產(chǎn)生影響的控制因子羅列出來。

（4）水準確定。雖然對產(chǎn)品品質(zhì)特征產(chǎn)生影響的因子有很多，但是即便如此也不是所有的因子都可以作為控制影響因子，因為一些因子對于產(chǎn)品品質(zhì)特征的影響微乎其微，可以忽略，故此不作考慮。除此之外一些因子還會使產(chǎn)品設計成本增加，因此需要對設計的經(jīng)濟性進行考量從而進一步確定控制因子。

（5）在水準數(shù)控以及控制影響因子數(shù)量的基礎上制作直交表，進一步完善試驗計劃。

（6）完成實驗并收集數(shù)據(jù)。

（7）分析資料。分析資料的過程中需要側(cè)重于水準變化對于目標參數(shù)造成的實際影響。以計算得出的影響效應對水準進行不斷地調(diào)整，目的是為了實現(xiàn)產(chǎn)品特質(zhì)與預期效果更加接近。

（8）進一步確認新的設計值。確定控制影響因子的最優(yōu)解組合后，對產(chǎn)品的品質(zhì)特征值進行判斷，隨后將確認實驗值與產(chǎn)品品質(zhì)特征值進行對比，如果二者間差距甚微，即可認定該解為最優(yōu)解。

5 結論

由于污穢閃絡可能造成大面積停電，給生產(chǎn)和生活造成損失，因此電力部門有必要對變電站絕緣子污穢顆粒進行有效清理，避免污穢閃絡現(xiàn)象的發(fā)生。本次研究對變電站絕緣子污穢閃絡的狀況進行介紹，包括污穢閃絡的危害、清洗變電站絕緣子的優(yōu)缺點對比；提出干冰清洗供應方案；分析清洗作業(yè)實際需求，包括清潔度需求、清洗裝置要求；對干冰噴槍進行優(yōu)化設計，具體包括設計干冰內(nèi)腔、噴槍的流場特性、噴槍的二維特性；以田口法為基礎對噴槍內(nèi)腔進行優(yōu)化設計。