基于流体力学原理的绝缘子覆雪三维数值模拟

第49卷

2022年4月

第4期

JournalofHunanUniversity（NaturalSciences）

湖南大学学报（自然科学版）

Vol.49，No.4

Apr.2022

文章编号：1674-2974（2022）04-0136-10DOI：10.16339/b.2022228

基于流体力学原理的绝缘子覆雪三维数值模拟

胡玉耀

1†

，宗春郁

1

，蒋兴良

2

，咸日常

1

，耿凯

3

，杜钦君

（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255000；

3.山东汇能电气有限公司，山东淄博255089）

1

2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学），重庆沙坪坝区400044；

摘要：输电线路覆冰积雪严重影响电网的安全稳定运行.目前的研究重点关注绝缘子覆

雪放电发展过程及闪络特性.由于绝缘子结构复杂，对覆雪的增长过程缺乏系统的分析.本文

基于计算流体力学原理，在不同的环境参数条件下，对XP-70绝缘子表面不同位置的雪晶颗

粒碰撞特性进行了理论分析和仿真计算，在此基础上建立了绝缘子三维覆雪数值计算模型.

研究表明，在气流绕流绝缘子过程中，存在降压增速和增压减速两个相反的过程；绝缘子迎风

侧局部碰撞系数从前驻点处沿钢帽或伞裙向两侧逐渐减小，迎风侧伞裙边缘和钢帽处的局部

碰撞系数远远大于其他位置，最大可达0.74.绝缘子表面的覆雪量随风速（v）、液态水含量

（LWC）以及颗粒直径（MVD）等环境参数的增大而增大，覆雪量最大可达2.19kg.经仿真和试

验验证，局部碰撞系数最大的位置，覆雪最严重，而且试验和模型仿真结果的误差小于17%.

关键词：绝缘子；覆雪；计算流体力学；局部碰撞系数；三维数值模拟

中图分类号：TM85文献标志码：A

Three-dimensionalNumericalSimulationofSnowAccretion

onInsulatorBasedonPrincipleofFluidMechanics

HUYuyao

1†

，ZONGChunyu

1

，JIANGXingliang

2

，XIANRichang

1

，GENGKai

3

，DUQinjun

1

（ofElectricalandElectronicEngineering，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255000，China；

eyLaboratoryofTransmissionandDistributionEquipmentandSystemSafetyand

NewTechnology（ChongqingUniversity），Chongqing400044，China；

ngHuinengElectricCo.，Ltd，Zibo255089，China）

Abstract：Iceandsnowaccretionontransmissionlinesseriouslythreatensthesecureandstableoperationofthe

tresearchfocusesonthedischargedevelopmentandflashovercharacteristicsofsnow-covered

hecomplexityoftheinsulator,thegrowthofsnowaccumulationremainsalackofsystematicanaly⁃

paper,basedoncomputationalfluiddynamics(CFD),thelocalimpactcharacteristicsofsnowparticleson

XP-70insulatorweresimulatedandanalyzedunderdifferentenvironmentalparameters,subsequently,athree-

ultsshowthattherearetwooppositeprocessesdur⁃

ingflowaroundaninsulator,namely,thepressuredecreaseaccompaniedbytheincreaseofthevelocityaswellasthe

ollisioncoefficientonthewindwardsideoftheinsulator

∗

收稿日期：2021-11-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51907109），NationalNaturalScienceFoundationofChina（51907109）

作者简介：胡玉耀（1989—），男，山东菏泽人，山东理工大学副教授，博士

†

通信联系人，E-mail：***************.cn

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第4期胡玉耀等：基于流体力学原理的绝缘子覆雪三维数值模拟

137

graduallydecreasesafficientatthe

watercontent(LWC)andmedianvolumediameter(MVD).rifiedbythesimulation

errorbetweenthetwoislessthan17%.

Keywords：insulator；snowaccretion；CFD；localcollisioncoefficient；three-dimensionalnumericalsimulation

edgeoftheshedandthesteelcapofthewindwardsideoftheinsulatorismuchhigherthanthatofotherpositions,

cumulationontheinsulatorincreaseswiththeincreaseofv，liquid

andtestthatsnowaccretionistheheaviestatthelocationwherethelocalcollisioncoefficientisthelargest,andthe

由于我国负荷中心和能源中心分布不平衡，为

实现大范围的资源优化配置，满足日益增长的电力

需求，建设了多条特高压交、直流输电线路.截至

输电线路投入运行.特高压输电线路在输送容量、电

2020年3月，我国已有10条交流、15条直流特高压

能损耗、经济性等方面具有明显优势，但由于输送距

离远，不可避免地需要穿过覆冰积雪地区.绝缘子作

为线路的重要设施，其电气特性对电力系统的安全

起着决定性作用.在正常环境下，绝缘子的性能能够

满足线路运行的要求.但在降雪天气，覆雪将严重降

低绝缘子的电气强度

［1］

.

2013年1月，山东滨州地区突降大雪，积雪桥接

撞、捕获以及冻结过程.文献［12］基于流体力学原

理，通过数值求解分别获取了悬垂绝缘子串的气流

场分布、水滴运动轨迹，进而获得了过冷却水滴的整

体碰撞系数.文献［13-14］采用区域分割方法将绝缘

子表面划分为4个局部区域，基于Lagrange法，模拟

了绝缘子外部气液两相流特性，分别计算了各区域

的碰撞系数，但未得出三维覆冰积雪模型.

现阶段针对绝缘子覆雪增长特性及其电气性能

的研究主要有三种方法

［15-19］

，即现场试验、人工模拟

试验和数值模拟.现场试验能直观地反映绝缘子覆

雪的真实状态，可有效地评估绝缘子自然覆雪后的

电气性能，其结果可直接用于冰雪地区输电线路外

绝缘的设计；但缺点是要求试验场所处于冰区，而且

试验受气候条件制约，试验周期长.人工模拟试验克

服了现场试验的缺点，试验环境参数可调且可重复，

短期内可以获得大量的试验数据，便于研究绝缘子

覆冰积雪的规律以及电气性能的变化趋势，但是人

工模拟试验和现场试验之间的等效性仍需进一步研

究.数值模拟方法不受试验设备、场地及气候条件的

制约，可任意改变环境条件及绝缘子结构参数，而且

能够真实地再现绝缘子的覆雪过程.

由于绝缘子的外形结构复杂，相同环境条件下

绝缘子表面不同位置的碰撞系数不一，因此建立绝

缘子覆雪三维数值模拟的关键在于如何获取雪晶颗

粒局部碰撞系数.本文基于CFD原理，采用数值模拟

方法计算得到了XP-70绝缘子表面不同位置的颗粒

局部碰撞系数；根据质量平衡和能量守恒方程，建立

了绝缘子三维覆雪数值模型，得到了覆雪量与覆雪

形态随时间的变化规律，研究了风速、液态水含量以

及颗粒直径等参数对覆雪增长过程的影响，并通过

人工气候室试验验证了模型的有效性.本文的研究

期望推动绝缘子覆雪由人工或自然试验研究向数值

模拟研究方向发展，并为后续构建雪闪模型提供

支撑.

了绝缘子迎风侧伞裙，随着温度回升，绝缘子发生多

次闪络.2014年2月，南方地区迎来降雪天气，南方

电网所辖地区10kV和110kV输电线路积覆湿雪，

发生雪闪跳闸事故.2015年5月，黑龙江大兴安岭地

区遭遇强降雪，导致66kV、35kV以及10kV输电线

路先后跳闸，部分城区断电.2020年11月18日夜间

至19日白天，吉林省遭受有气象记录以来最强冻雨

暴雪大风天气侵袭，受其影响，吉林长春、四平、松原

等地区电网500kV、220kV和10kV输电线路分别

停运5条、27条和320条，导致50万余户居民停

电.2021年2月15日，美国得克萨斯州暴发雪灾，众

多天然气、风能和火力发电厂因结冰停运，造成电力

供应急剧下降，而为满足取暖需求用电量却激增，导

致该州超400万人失去电力供应

［2］

.

绝缘子覆冰积雪降低其电气性能，关于覆冰

（雪）绝缘子的闪络特性及放电发展过程国内外开展

了大量的研究

［3-8］

，但对绝缘子积雪的规律研究相对

匮乏.在寒冷环境条件下，过冷却水滴随气流运动并

与输电线路等结构物碰撞形成覆冰积雪的过程是一

个涉及流体力学、热力学、电磁学等多学科的复杂问

题

［9-10］

.文献［11］提出用碰撞系数、捕获系数和冻结

系数分别表征结构物覆冰积雪形成的过冷却水滴碰

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138

湖南大学学报（自然科学版）2022年

气流绕过绝缘子形成绕流的过程中，绝缘子会

1绝缘子及外流场模型建立

本文以XP-70为研究对象，依据表1的结构参

数建立了如图1（a）所示的三维几何模型，边界条件

设置如图1（b），计算域设定为5000mm×3000mm×

3000mm.为避免计算过程中出现出口回流问题，使

绝缘子串适当远离计算域出口.为准确模拟空气流

场在绝缘子表面的热量传递情况，绝缘子表面网格

尺寸加密至10

-3

m，绝缘子表面边界层首层网格厚度

设置为10

-6

m，并以1.1的增长率向外延伸5层.

表1XP-70绝缘子结构参数

直径/mm

254

结构高度/mm

146

影响气流的流动，导致流场中流体质点的速度和压

力重新分布.图2、图3、图4分别为绝缘子外流场特

性图、绝缘子表面静压分布云图和绝缘子外流场速

度矢量分布图.

如图2（a）所示，气流在远离绝缘子沿x正方向

运动时，其流线是一组均匀分布的平行直线.当气流

靠近绝缘子，受其扰动作用，原本平行的流线开始发

生弯曲，直至气流绕过绝缘子后，弯曲的流线又恢复

为平行状态.受黏滞性的影响，气流绕流过程中会在

绝缘子表面形成边界层.当气流流近前驻点时，因绝

缘子的扰动，气流速度逐渐降低，前驻点处的气流速

度为0，如图2（b）所示.当气流从前驻点沿绝缘子表

面向两侧继续流动，边界层随之发展变厚.边界层中

的压力梯度使得在绕流过程中，气流压力随着速度

的增大而逐渐降低（图3），此现象称为降压增速流

Wall

Tab.1StructuralparametersofXP-70insulator

材质

瓷

爬电距离/mm

295

动.但当气流绕过绝缘子迎风侧后，变成增压减速流

动.气流向绝缘子背风侧流去时，增压减速更为严

Outlet

Inlet

重，背风侧速度几乎为0［图2（b）］.受逆压梯度的影

响，在绝缘子背风侧易形成涡流区，如图4所示.

速度m/s

9.01

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

0.55

速度m/s

8.02

5000mm×3000mm×3000mm

0

1.250

2.500

3.750

Insulator

5.000（m）

（a）三维几何模型（b）计算域

Fig.1Establishmentofcalculationmodel

图1计算模型建立

2绝缘子外流场特性分析

2.1绝缘子周围两相流

绝缘子周围气流雷诺数较大且流速低，因此常

被视为不可压缩的湍流流动.空气携带雪晶颗粒在

绝缘子表面发生绕流，从本质上可以作为计算流体

力学中的两相流进行处理.欧拉两相流模型在进行

流场计算时，将流场中离散的颗粒视作连续流体.外

流场特性可用如下方程进行表征

［20-21］

：



∂ρ

a

∂t+∇

（

ρ

a

v

a

）=0（1）



∂ρ

a

v

a

∂t+∇

（

ρ

a

v

a

v

a

）=

∇⋅σ

ij

+ρ

a

g

（2）



∂ρ

a

E

a

∂t+∇

（

ρ

a

v

a

H

a

）=



∇

·［

κ

（

∇

（3）

T

a

）+

υ

i

τ

ij

]+ρ

a

g⋅v

a

］

a

式中：ρ

a

、v

a

、T

a

和κ

a

分别是空气的密度、速度、静态温

度和热导率；σ

ij

是应力张量；E

a

是总能量；H

a

是总熵

量；τ是空气静态温度；t是时间；g是重力加速度.

ij

y

z

x

（a）流线图

y

3.11×10

z

x

8

7

6

5

4

3

2

1

-1

（b）速度分布云图

图2绝缘子外流场特性图

Fig.2Flowfieldcharacteristicsaroundtheinsulator

压力Pa

24.6

y

z

-40

22.91

19.6

16.29

12.98

9.67

6.36

3.04

-0.27

-3.58

-6.89

-10.2

-13.51

-16.82

-20.13

-23.44

-26.76

-30.07

-33.38

-36.69

x

图3绝缘子表面静压分布云图

Fig.3Surfacestaticpressuredistributionoftheinsulator

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第4期

速度m/s

7.66

7

6

5

4

3

2

0.03

y

z

x

1

胡玉耀等：基于流体力学原理的绝缘子覆雪三维数值模拟

139

置处的气流特性不一，对颗粒的作用力也不一致，进

而影响覆雪分布.因此有必要计算雪晶颗粒在绝缘

子表面的局部碰撞系数.

流线

雪晶颗粒轨迹

（a）钢帽处

流线

雪晶颗粒轨迹

图4绝缘子外流场速度矢量分布图

Fig.4Velocityvectordistributionofexternal

flowfieldoftheinsulator

2.2绝缘子表面局部碰撞系数

雪晶颗粒相的连续相和动量方程为

［22］

：



∂α

d

∂t+∇

（

αV

d

）=0



∂

α

d

V

d

∂t+∇α

d

V

d

⊗V

d

=

（4）

（b）伞裙边缘处

图5雪晶颗粒运动轨迹图

Fig.5Trajectoriesofthesnowparticles

()

α

d

1-ρ

a

ρ

d

C

D

Re

d

α

d

V

a

-V

d

(

式中：α

d

、V

d

和ρ

d

分别是雪晶颗粒的体积分数、速度和

弗劳德数和惯性系数.

Re

d

=ρ

a

R

d

v

∞



v

a

-v

d



μ

a

K=ρ

d

R

2

d

v

∞

18L

∞

μ

a

F

r

=



v

∞



L

∞

g

∞

(

)

Fr

2

+

[

)

]

雪晶颗粒在风力作用下绕流绝缘子表面，部分

（5）

颗粒因受到的气流曳力较小以致无法克服自身惯性

作用而与绝缘子表面碰撞.在文献［11］中，碰撞系数

定义为结构物实际积聚的雪晶颗粒质量与假定颗粒

不绕过结构物而可能积聚的质量之比.上述定义适

用于求解颗粒整体碰撞系数，而不适用于计算局部

碰撞系数.本文绝缘子表面雪晶颗粒局部碰撞系数

的计算方法如图6所示.假设雪晶颗粒在远离绝缘

子之前沿气流均匀分布，3个相邻颗粒W

1

、W

2

、W

3

围

成面积为S

0

的三角形，并均以V的初始速度向绝缘

24K

密度；C

D

、Re

d

、Fr和K分别是阻力系数、雷诺数、局部

（6）

（7）

（8）

式中：R

d

是颗粒直径；v

∞

是初始空气流速；μ

α

是空气运

动黏度；L

∞

是物体的特征长度；g

∞

是重力加速度.

在计算颗粒运动轨迹时做如下假设：

覆雪过程中的雪晶颗粒直径一般比较小，因此

1）雪晶颗粒在随气流流动时外界环境介质参数

2）颗粒的初始运动速度与空气流速相等，且在

3）除作用在颗粒上的重力和曳力外，其他力较

图5为绝缘子钢帽处和伞裙边缘处的雪晶颗粒

运动轨迹.由于气流的黏性作用，颗粒在远离绝缘子

时其轨迹与流线一致.当颗粒运动到绝缘子附近时，

因颗粒的分子质量和运动惯性较大，颗粒偏离气体

流线而与绝缘子碰撞.由于绝缘子结构复杂，不同位

子运动，最终3个颗粒被绝缘子捕获形成W

1

’、W

2

’、

W

3

’点，围成的微元面积为S

1

，对应的碰撞速度分别

为V

1

、V

2

、V

3

，则此时对于绝缘子表面微元中心点P的

局部碰撞系数β可以表示为：

β=

S

0

V

1

+V

2

+V

3

3S

1

V

风速V

S

0

W

1

W

3

S

1

恒定，且在绕流过程中不变形、不聚集、不破裂.

绕流过程对空气流场无扰动作用.

小，可忽略不计.

()

（9）

绝缘子表面

W

1

′

W

3

′

W

2

′

P

W

2

图6雪晶颗粒局部碰撞系数计算示意图

Fig.6Thecalculationmethodoflocalcollisionefficiency

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140

湖南大学学报（自然科学版）2022年

umeDiameter）为50μm时，绝缘子表面局部碰撞系

数如图7所示.由图7可知：

当风速v为6m/s、颗粒直径MVD（MedianVol⁃

系数.这是由伞裙对气流的扰动作用所致，截面A的

流绕流通过绝缘子.与截面A相比较，截面B的气流

2）截面B的碰撞系数略高于截面A对应的碰撞

等效直径较小，扰动作用明显，使得雪晶颗粒易随气

稳定性较好，雪晶颗粒绕流数量较少，易被绝缘子表

面捕获.

3）伞裙边缘（截面E）的碰撞率明显大于伞裙表

面（截面C、截面D），这是因为伞裙边缘的倾斜角度

远大于伞裙表面，雪晶颗粒对气流的跟随性较差，易

偏离气体流线而与绝缘子碰撞，因此雪晶颗粒的碰

撞系数和碰撞范围明显增大.

Collisionefficiency-Particle

碰撞系数略高于截面C.这是因为与截面C相比，截

增大.

4）对于同处在伞裙表面的两个截面，截面D的

图7绝缘子表面局部碰撞系数分布

Fig.7Localcollisioncoefficientdistribution

oninsulatorsurface

0.00000e+00

7.40000e-01

面D的倾斜角度略大，故其碰撞系数和碰撞范围

综上所述，根据局部碰撞系数大小就可以预测

绝缘子表面不同位置的覆雪状态，即伞裙边缘和钢

帽处覆雪最严重，因此下文重点分析截面E和截面B

的颗粒局部碰撞特性.

绝缘子表面不同位置局部碰撞系数与环境参数

有关.本文在温度为-10℃，液态水含量为0.6g/m

3

的

条件下，设置不同风速和颗粒直径，计算了绝缘子伞

裙边缘（截面E）和钢帽处（截面B）的局部碰撞系数，

结果如图9（a）、图9（b）所示.

由图9（a）可知，当MVD=50μm时，随着风速的

增加，雪晶颗粒在伞裙边缘和钢帽处的碰撞系数逐

渐增大.当风速为3m/s时，绝缘子钢帽处和伞裙边

缘局部碰撞系数最大值分别为0.49和0.42.而当风

速增大到12m/s时，局部碰撞系数分别增至0.87和

0.66，分别增加了77.6%和57.1%.这是因为当风速增

大时，随气流运动的雪晶颗粒速度也增大，导致气流

撞到绝缘子表面.

从图9（b）可以看出，当风速一定时，MVD对局

部碰撞系数的影响与图9（a）中风速对碰撞系数的影

响规律相似，即随着MVD的增加，两个截面的局部

碰撞系数均增大.在MVD从20μm增大至60μm的

过程中，绝缘子钢帽处和伞裙边缘局部碰撞系数最

大值分别从0.16和0.14增大至0.83和0.63.同时，

随着MVD的增大，碰撞系数增长趋势变缓.其原因

可以解释为：当颗粒直径较小时，气流曳力起主要作

用，颗粒对气流的跟随性较好，易随气流绕过绝缘

子；随着颗粒直径的增大，在惯性作用下，更多的颗

粒与气流分离碰撞绝缘子表面，当颗粒直径增大到

曳力作用时间较短，雪晶颗粒来不及绕流更容易碰

5

4

0.74，沿气流方向逐渐降低.

1）钢帽前驻点处的局部碰撞系数最大，可达

2）绝缘子伞裙表面颗粒碰撞特性呈现两种趋

势，一是沿伞裙表面切线方向，局部碰撞系数的变化

规律与钢帽类似；二是沿伞裙表面径向方向，从伞裙

边缘到伞裙与钢帽交界处，局部碰撞系数逐渐减小，

最大的碰撞系数为0.56.

为进一步对比分析绝缘子表面不同位置颗粒局

部碰撞系数的差异，以中间绝缘子为例，在其表面定

义了5个不同截面［图8（a）］，5个截面的碰撞系数分

布情况如图8（b）所示.由图8（b）可看出：

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

1.截面A

2.截面B

3.截面C

4.截面D

5.截面E

v=6m/s

MVD=50μm

1

2

B

C

D

E

局

部

碰

撞

率

A

3

-150-100-5

x/mm

（b）不同截面局部碰撞系数分布（a）截面示意图

图8不同截面局部碰撞系数分布

Fig.8Localcollisioncoefficientdistribution

fordifferentsections

伞裙边缘和钢帽处，而且所有截面的碰撞系数在迎

风侧驻点处最大，沿流线方向的两侧逐渐减小.

1）与绝缘子碰撞的雪晶颗粒主要集中在迎风侧

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第4期胡玉耀等：基于流体力学原理的绝缘子覆雪三维数值模拟

141

一定程度时，与绝缘子碰撞的颗粒数目达到饱和.

1.0

0.8

局

部

碰

撞

率

0.6

0.4

0.2

0

3

截面E

1.v=3m/s

2.v=6m/s

3.v=12m/s

6

5

4

截面B

4.v=3m/s

5.v=6m/s

6.v=12m/s

MVD=50μm

是雪层的辐射率；c

h

是雪层对流换热系数；T

snow

是雪

层表面温度；q

cond

是传导热流量.

通过式（1）～（11）的求解，可以得到绝缘子表面

每个网格单元上的覆雪质量.通过Jones模型计算绝

缘子覆雪密度后，就可以得到绝缘子表面的覆雪形

状分布

［24］

.

2

1

-150-100-50

x/mm

050100150

其中：

(

)

18.5lnπlnπ-33.9

(

lnπ

)

ρ

i

=249-84lnπ

c

-6.24lnπ

a

kak

2

2

+135lnπ

k

+

（12）

（a）风速对局部碰撞系数的影响

截面E

0.8

=20μm

=40μm

=60μm

局

部

碰

撞

率

0.6

0.4

0.2

0

-150-100

6

截面Ｂ

=20μm

=40μm

=60μm

v=6m/s

5

ì

π

c

=1.0×10

-4

×

k

a

T2RwvL

f

ï

ï

ï

ï

（13）

ρ

w

μ

í

π

a

=1.0×10

-2

×9ρ

2

a

2av

ï

ï

2

ï

π

k

=1.0×10

-6

×ρ

w

2a

v

[

9μ2R

]

ï

î

式中：ρ

i

为雪晶的密度（kg/m

3

）；k

a

为空气的热导率，等

(

()

()

)

()

()

()

3

2

1

-50

x/mm

4

于2.4mW/（m·K）；ρ

w

、ρ

a

分别为雪晶颗粒密度和空气

密度（g/cm

3

）；μ为空气冻黏滞系数；a为雪晶颗粒半

径（μm）；v为风速（m/s）；T为雪层表面与环境温差

（℃）；w为空气中液水含量（g/cm

3

）；R为覆雪结构物

半径（cm）；L

f

为雪晶颗粒冻结释放的潜热（W/kg）.

050100150

当风速为6m/s、MVD为50μm、温度为-10℃、液

态水含量为0.6g/m

3

时，绝缘子表面覆雪分布随时间

的变化如图10所示.

（b）颗粒直径对局部碰撞系数的影响

图9不同环境因素对局部碰撞系数的影响

Fig.9Influenceofdifferentenvironmentalfactors

onthelocalcollisioncoefficient

3绝缘子覆雪形态三维数值模拟

覆雪过程取决于绝缘子表面的质量守恒方程和

热平衡方程

［23］

：



ρ

f

∂h∂t+∇

V

f

h

f

V

∞

ω

d

β

d

-m

evap

-m

snow

c

f

T

f

m

film

[

L

evap

m

evap

+

L

fusion

-c

s

Tm

snow

+

2

é

=

c

f

T

∞

-T

f

+



V

d



2

ù

m

imp

-

ëû

(

)

]

=

(

(

式中：ρ

f

、h

f

、V

f

、c

f

分别是雪层的密度、厚度、速度矢量

4

σεT

∞

-T

f

4

-c

h

T

f

-T

snow

+q

cond

(

(

)

)

（10）

（a）60min

（b）120min

（c）180min

图10绝缘子表面覆雪形态随时间的变化

Fig.10Variationofsnowaccretiononthe

insulatorsurfacewithtime

)

和比热容；V

∞

是空气初始速度；ω

d

是空气中的液态水

含量；β

d

是雪晶颗粒的碰撞系数；m

evap

是蒸发的液水

质量；m

snow

是覆雪的液水质量；T

f

是环境温度；T

∞

是

)

（11）

从图10中可以看出，覆雪主要形成在绝缘子的

迎风侧，且随着覆雪时间的增加，绝缘子迎风侧伞裙

边缘和钢帽处的覆雪量增加最为明显，绝缘子背风

侧几乎没有覆雪存在，这与前述求解的绝缘子表面

局部碰撞系数分布规律一致.

图11为从绝缘子中轴线上提取的覆雪形态，可

更加直观地看出相较于绝缘子背风侧，覆雪主要集

空气远场温度；L

evap

是蒸发潜热；L

fusion

是融化潜热；c

s

是雪晶的比热容；T是覆雪温度；σ是Stefan常数；ε

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142

湖南大学学报（自然科学版）

0.3

0.2

0.1

0

-0.1

-0.2

-0.3

-0.20-0.15-0.10-0.05

x/m

00.05

y

/

m

2022年

中在绝缘子迎风侧伞裙边缘和钢帽处，而且随着时

间的增加，覆雪厚度和范围逐渐增大.由前述分析可

知，绝缘子背风侧受逆压梯度的影响，易形成涡流

区，因此伞裙下表面的伞棱凹槽处有少量覆雪.

0.3

0.2

0.1

0

-0.1

-0.2

-0.3

-0.15-0.10-0.0500.050.100.15

y

/

m

30min

60min

90min

120min

150min

180min

绝缘子

v=3m/s

v=6m/s

v=12m/s

绝缘子

0.100.15

图13不同风速下绝缘子表面覆雪形态截面图

Fig.13Sectiondiagramofsnowaccretiononinsulatorsurface

underdifferentvariantwindvelocity

x/m

图11绝缘子表面覆雪形态截面图

Fig.11Sectiondiagramofsnowaccretiononinsulatorsurface

由图12可知，在不同风速下，绝缘子表面的覆

雪量均随覆雪时间的增加而增大，且风速越大，覆雪

越多.如，当覆雪时间为180min、风速为3m/s时，绝

缘子表面的覆雪量为0.27kg；而当风速达到12m/s

时，覆雪量增至2.19kg，增加了7倍之多.结合图12、

图13可以发现，随着风速的增大，绝缘子伞裙边缘

和钢帽处相较于其他位置覆雪增长明显.这是由于

在更大的风速下，单位时间内输送到绝缘子表面的

雪晶颗粒增多，而且颗粒动能增大，易偏离气体流线

与绝缘子表面碰撞.

4.2颗粒直径的影响

当MVD分别为20μm、40μm和60μm时，覆雪

量随覆雪时间的变化趋势如图14所示.不同MVD下

绝缘子表面覆雪120min后的形态如图15所示.

1.0

0.8

覆

雪

量

/

k

g

0.6

0.4

0.2

0

0180

v=6m/s，T=-10℃，LWC=0.6g/m

3

MVD=20μm

MVD=40μm

MVD=60μm

4不同环境条件下绝缘子的覆雪增长特性

自然条件下，绝缘子覆雪过程与周围环境参数

密切相关.因此，本节重点研究覆雪环境参数包括风

速（v）、颗粒直径（MVD）和液态水含量（LWC）对绝缘

子覆雪量的影响.

4.1风速的影响

为对比分析不同风速下绝缘子表面的覆雪增长

特性，分别仿真计算了风速为3m/s、6m/s、12m/s时

绝缘子的覆雪质量，结果如图12所示.覆雪时间为

图13所示.

2.0

1.6

覆

雪

量

/

k

g

1.2

0.8

0.4

0

0180

120min时，3种风速下绝缘子表面的覆雪形态如

T=-10℃，LWC=0.6g/m

3

，MVD=50μm

v=3m/s

v=6m/s

v=12m/s

覆盖时间/min

覆盖时间/min

图12风速对覆雪量的影响

Fig.12Influenceofvonsnowingweight

图14MVD对覆雪量的影响

Fig.14InfluenceofMVDonsnowingweight

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第4期

0.3

0.2

0.1

0

-0.1

-0.2

-0.3

-0.15-0.10-0.05

y

/

m

胡玉耀等：基于流体力学原理的绝缘子覆雪三维数值模拟

0.3

0.2

0.1

0

-0.1

-0.2

00.050.100.15

-0.3

-0.15-0.10-0.0500.050.100.15

y

/

m

143

LWC=0.3g/m

3

LWC=0.6g/m

3

LWC=1.2g/m

3

绝缘子

MVD=20μm

MVD=40μm

MVD=60μm

绝缘子

x/m

x/m

图15不同MVD下绝缘子表面覆雪形态截面图

Fig.15Sectiondiagramofsnowaccretion

oninsulatorsurfaceunderdifferentMVD

图17不同LWC下绝缘子表面覆雪形态截面图

Fig.17Sectiondiagramofsnowaccretion

oninsulatorsurfaceunderdifferentLWC

由图14和图15可以看出，在相同的覆雪时间

内，颗粒直径越大，绝缘子表面的覆雪量越多.例如，

当覆雪时间为180min，MVD从20μm增大到60μm

时，绝缘子表面的覆雪量从0.14kg增至0.99kg.

MVD越大即雪晶颗粒越大，其具有的动能越大，更

容易碰撞到绝缘子表面，且雪晶颗粒在自身惯性作

用下趋于保持原有运行轨迹，绕流雪晶颗粒数量减

少，碰撞雪晶颗粒数增多.由于伞裙边缘和钢帽处局

部碰撞系数最大，这两处覆雪最严重.

4.3液态水含量的影响

当LWC分别为0.3g/m

3

、0.6g/m

3

和1.2g/m

3

时，

覆雪量随时间的变化规律如图16所示.不同LWC下

绝缘子表面覆雪120min后的形态如图17所示.

如图16、图17所示，随着LWC的升高，绝缘子的

覆雪量增大.例如，绝缘子覆雪180min后，当液态

1.6

1.4

1.2

覆

雪

量

/

k

g

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0180

v=6m/s，T=-10℃，MVD=50μm

LWC=0.3g/m

3

LWC=0.6g/m

3

LWC=1.2g/m

3

水含量为0.3g/m

3

时，对应的覆雪量为0.40kg；当液

态水含量增大至1.2g/m

3

，覆雪量为1.61kg，增加了3

倍.当空气中液态水含量增大时，相同时间内碰撞到

绝缘子表面的雪晶颗粒数量会相应增加，导致覆雪

量的增加.

5试验验证

为验证绝缘子覆雪三维数值模型，在图18所示

的多功能人工气候室进行绝缘子覆雪试验.试验中

采用粒径50μm、液态水含量0.6g/m

3

的雪晶颗粒，风

速设为3m/s、6m/s，每隔0.5h测量一次绝缘子覆雪

量，并与模型仿真数据进行对比，结果如图19所示.

图20所示为覆雪过程中绝缘子表面覆雪量.

图18多功能人工气候试验室

Fig.18Multifunctionalartificialclimatechamber

覆盖时间/min

图16LWC对覆雪量的影响

Fig.16InfluenceofLWConsnowingweight

从试验结果可以看出，绝缘子串在多功能人工

气候实验室中覆雪以后，覆雪主要沉积在绝缘子串

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144

湖南大学学报（自然科学版）2022年

迎风侧伞裙边缘，并且绝缘子钢帽迎风侧也有较多

的积雪.对比发现，数值模拟中绝缘子表面积雪形态

相对平滑，而多功能人工气候实验室内湿度较高，绝

缘子表面积雪形态较为粗糙.

6结论

1）由于流体具有黏性，气流在绕流绝缘子时形

成边界层，在其内部形成压力梯度.气流流近绝缘子

前驻点处速度为0，沿流线方向速度增大，压力减小.

当气流绕过绝缘子迎风侧时，转变成增压减速运动，

背风侧速度几乎为0.

2）沿伞裙表面径向方向，从伞裙边缘到伞裙与

钢帽交界处，局部碰撞系数逐渐减小；沿伞裙表面切

裙两侧降低，前驻点处局部碰撞系数最大，可达

类似，最大碰撞系数为0.74.

（a）绝缘子侧风面（b）绝缘子迎风面

线方向，从绝缘子迎风侧前驻点处沿气体流向向伞

0.56.钢帽处的局部碰撞系数变化规律与伞裙表面

3）由于绝缘子钢帽和伞裙边缘处的局部碰撞系

数最大，因此覆雪主要集中在这两个位置.受绝缘子

表面凹槽处存在少量覆雪.

图19绝缘子人工试验覆雪形态图

Fig.19Snowmorphologyofartificialtests

1.2

T=-10℃，MVD=50μm，LWC=0.6g/m

3

Model

TestDifference

v=3m/s

v=3m/s

v=3m/s

1.0

v=6m/s

v=6m/s

v=6m/s

0.8

m

/

k

g

0.6

0.4

0.2

0

120

背风侧逆压梯度形成的涡流区影响，绝缘子伞裙下

4）风速、颗粒直径和液态水含量通过影响雪晶

颗粒的粒径、动能、惯性等因素，进而影响绝缘子的覆

20

15

10

5

0

雪量，总体趋势是随着v、MVD和LWC的增大，覆雪量

随之增大.180min后，覆雪量最大可达2.19kg.

5）数值模拟和人工试验结果表明，绝缘子迎风

D

i

f

f

e

r

e

n

c

e

/

%

面伞裙边缘和钢帽处雪晶颗粒碰撞系数最高，积雪

最严重.在不同环境条件下，两者误差小于16.3%，表

明该仿真模型能够较好地模拟降雪过程.本文的研

究期望推动绝缘子覆雪由试验研究向数值模拟研究

方向发展.

t/min

图20数值模拟与人工试验覆雪量的比较

Fig.20Comparisonofsnowamountbetween

numericalsimulationandartificialtests

参考文献

［1］FARZANEHM，CHISHOIMWA.覆冰与污秽绝缘子［M］.蒋兴

良等，译.北京:机械工业出版社,2014.

［M］.TranslatedbyJIANGXL，g:MachineryIndustry

［2］ZONGCY，HUYY，JIANGXL，hovercharacteris⁃

ticsandarcdevelopmentprocessofglazeice-coveredinsulators

Power&EnergySystems，2022，135：107559.

innaturalenvironment［J］.InternationalJournalofElectrical

［3］HUYY，JIANGXL，GUOSH，isonofACflashover

performanceofsnow-accretedinsulatorsundernaturalandartifi⁃

cialsimulationenvironments［J］.IEEEAccess，2020，8：178034-

［4］李岩，滕云，苑舜，等.绝缘子覆雪闪络特性及其改进量子神经

网络的预测模型［J］.电网技术，2018，42（8）：2725-2732.

178043.

Press，2014.（InChinese）

FARZANEHM，ndpollutedinsulators

由图20可知，数值模拟和人工试验结果均表

明，绝缘子表面覆雪量随时间线性增长.此外，在本

文研究范围内，两者之间的误差小于16.3%，表明该

数值模型能够有效反映绝缘子表面覆雪过程.在积

雪2h内，人工试验中绝缘子表面覆雪量始终大于数

值模拟覆雪量.主要原因有以下两个方面，一是多功

能人工气候实验室是封闭环境，背风面可能会形成

涡流，导致此处积雪.数值模拟中设置了出口边界，

雪晶颗粒可以通过气流绕过绝缘子，背风面覆雪较

少；二是由于多功能人工气候实验室内湿度较高，更

加有利于雪晶颗粒的积聚和黏附.

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第4期胡玉耀等：基于流体力学原理的绝缘子覆雪三维数值模拟

145

LIY，TENGY，YUANS，nsnowcoveredinsulator

［J］.PowerSystemTechnology，2018，42（8）：2725-2732.（InChi⁃

［5］吴伟，蒋正龙，王博闻，等.覆冰状态下防雷绝缘子电位分布与

提高电场均匀性措施［J］.电网技术，2019，43（11）：4225-4230.

WUW，JIANGZL，WANGBW，npotentialdistribu⁃

tionoflightningprotectioninsulatorandmeasuresimprovingelec⁃

tricfielduniformityundericecoating［J］.PowerSystemTechnol⁃

［6］蒋兴良，胡玉耀，汪泉霖，等.覆冰绝缘子导电离子分布规律

［J］.电工技术学报，2017，32（15）：199-206.

JIANGXL，HUYY，WANGQL，butionofconductive

nese）

ionsinice-coveredcompositeinsulators［J］.Transactionsof

ogy，2019，43（11）：4225-4230.（InChinese）

nese）

flashovercharacteristicsanditsimprovedQNNpredictionmodel

［14］张志劲，张翼，蒋兴良，等.基于区域分割方法的绝缘子覆冰质

量预测模型［J］.高电压技术，2020，46（2）：406-412.

ZHANGZJ，ZHANGY，JIANGXL，forpredicting

［J］.HighVoltageEngineering，2020，46（2）：406-412.（InChi⁃

［15］FARZANEHM，BAKERT，BERNSTORFA，ionof

stationinsulatorswithrespecttoiceandsnow-partI：technical

contextandenvironmentalexposure［J］.IEEETransactionson

PowerDelivery，2005，20（1）：264-270.

nese）

iceweightoninsulatorsbasedonregionalsegmentationmethod

［16］FARZANEHM，BAKERT，BERNSTORFA，ionof

stationinsulatorswithrespecttoiceandsnow-partII：methodsof

selectionandoptionsformitigation［J］.IEEETransactionson

PowerDelivery，2005，20（1）：271-277.

451-458.

ChinaElectrotechnicalSociety，2017，32（15）：199-206.（InChi⁃

［7］HUYY，JIANGXL，YANGZY，nceofcrystallization

effectduringicingwaterphasetransitionontheflashovercharac⁃

176521-176529.

teristicsofice-coveredinsulators［J］.IEEEAccess，2020，8：

［8］舒立春，刘延庆，蒋兴良，等.盘型悬式绝缘子串自然覆冰直流

放电发展路径特点及影响因素分析［J］.电工技术学报，2021，

36（8）：1726-1733.

SHULC，LIUYQ，JIANGXL，isontheDCdis⁃

chargepathofice-covereddisctypesuspensioninsulatorsunder

ety，2021，36（8）：1726-1733.（InChinese）

naturalconditions［J］.TransactionsofChinaElectrotechnicalSoci⁃

［9］FUP，FARZANEHM，-dimensionalmodel⁃

lingoftheiceaccretionprocessontransmissionlinewiresandcon⁃

132-146.

ductors［J］.ColdRegionsScienceandTechnology，2006，46（2）：

［10］胡玉耀，蒋兴良，谢梁，等.电场对冰水相变过程晶释效应的影

响［J］.高电压技术，2018，44（6）：2074-2080.

HUYY，JIANGXL，XIEL，nceofelectricfield

VoltageEngineering，2018，44（6）：2074-2080.（InChinese）

strengthoncrystallizationeffectduringphasetransition［J］.High

［11］forthegrowthofrime，glaze，iciclesand

wetsnowonstructures［J］.PhilosophicalTransactionsoftheRoyal

ingSciences，2000，358（1776）：2913-2939.

31（8）：212-219.

SocietyofLondonSeriesA：Mathematical，PhysicalandEngineer⁃

［12］薛艺为，阳林，郝艳捧，等.输电线路悬式复合绝缘子雨凇与轻

雾凇覆冰形态和覆冰过程对比研究［J］.电工技术学报，2016，

XUEYW，YANGL，HAOYP，rativestudyonic⁃

ingmorphologyandprocessofglazeandlightrimeinsuspension

nese）

compositeinsulatorsontransmissionlines［J］.Transactionsof

ChinaElectrotechnicalSociety，2016，31（8）：212-219.（InChi⁃

［13］张志劲，郑强，蒋兴良，等.空气动力型绝缘子表面不同区域的

水滴撞击特性［J］.高电压技术，2016，42（3）：900-907.

ZHANGZJ，ZHENGQ，JIANGXL，ropletimpinge⁃

mentcharacteristicsondifferentregionsofaerodynamicinsulator

Chinese）

surface［J］.HighVoltageEngineering，2016，42（3）：900-907.（In

［17］蒋兴良，郭思华，胡建林，等.不同覆雪形态对悬式绝缘子直流

负极性闪络特性的影响［J］.电工技术学报，2018，33（2）：

JIANGXL，GUOSH，HUJL，nceofsnowaccretion

withdifferentshapeonnegativeDCflashovercharacteristicsof

Society，2018，33（2）：451-458.（InChinese）

search，2021，192：107006.

suspensioninsulators［J］.TransactionsofChinaElectrotechnical

［18］HANXB，isofcriticalconditionfordryand

wetgrowthicingoninsulators［J］.ElectricPowerSystemsRe⁃

［19］YAJIK，torflashovercausedbysalt-contami⁃

natedsnowstorms—lessonsfromthesnowdamageinJapan［J］.

［20］MORENCYF，BEAUGENDREH，BARUZZIG，etal．FENSAP-

［C］//15thAIAAComputationalFluidDynamicsConference．

［21］韩兴波，蒋兴良，毕聪来，等.基于分散型旋转圆导体的覆冰参

数预测［J］.电工技术学报，2019，34（5）：1096-1105.

HANXB，JIANGXL，BICL，tionoficingenviron⁃

1096-1105.（InChinese）

mentparametersbasedondecentralizedrotatingconductors［J］.

Reston，Virginia：AIAA，2001：2566．

ICE-Acomprehensive3Dsimulationsystemforin-flighticing

IEEEElectricalInsulationMagazine，2019，35（1）：23-37.

TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2019，34（5）：

［22］张志劲，张翼，蒋兴良，等.基于标准旋转导体等效碰撞系数的

绝缘子覆冰表征［J］.电工技术学报，2018，33（21）：5119-5127.

ZHANGZJ，ZHANGY，JIANGXL，haracterization

calSociety，2018，33（21）：5119-5127.（InChinese）

ofinsulatorbasedontheequivalentcollisioncoefficientofstan⁃

dardrotatingconductors［J］.TransactionsofChinaElectrotechni⁃

［23］何青，李军辉，邓梦妍，等.架空输电导线覆冰冻结系数计算及

其影响因素分析［J］.电工技术学报，2019，34（19）：4162-4169.

HEQ，LIJH，DENGMY，ationandinfluencingfac⁃

4162-4169.（InChinese）

社，2002.

JIANGXL，issionlineicingandprotection［M］.

Beijing：ChinaElectricPowerPress，2002.（InChinese）

torsoficingfreezingcoefficientofoverheadtransmissionline［J］.

TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2019，34（19）：

［24］蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护［M］.北京：中国电力出版

Copyright©博看网 . All Rights Reserved.