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东电、重大团队联合发表变压器油中气泡杂质相局部放电特性的综述

Tepco and major teams jointly published a review of the characteristics of bubble impurity phase partial discharge in transformer oil

作者:本站  来源:转载  浏览:846  发布时间:2023-11-01

    变压器油道中的悬浮气泡在电磁场、温度场和流场的联合作用下,呈现出极其复杂的形态演变、运动规律和动态放电特性,对油品和局部结构的绝缘性能造成极大影响。东北电力大学和重庆大学的联合研究团队围绕含气泡绝缘油的放电特性,从理论分析、仿真模拟和试验测量三个角度对现有成果进行了系统梳理和论述,并结合分子模拟仿真、多物理场耦合仿真等方法展望了含气泡变压器油绝缘性能的潜在研究方向。

    大型油浸式电力变压器作为输变电系统中的核心设备,当油温升高时,油浸绝缘纸纤维断链分解、变压器油劣化分解、油纸绝缘局部受潮等会引起气体析出并在油道中形成悬浮气泡,这些气泡在电磁场、温度场和流体场等的综合作用下,呈现出极其复杂的形态演变和运动规律,由此导致的气泡局部放电和油道击穿一直是造成大型油浸式变压器高能电弧燃爆的主要因素之一。

    变压器油中气泡放电是威胁变压器绝缘性能的关键因素之一,并且气泡在油中的电流体动力学行为及其微观放电机制难以精确把握,这导致变压器油绝缘失效的机理研究成为电气绝缘方面的重难点问题之一。本文重点回顾了近二十年变压器油中气泡局部放电特性的相关研究成果,从理论分析、仿真模拟和试验测量三个角度进行了系统地梳理和概述,以期建立多场耦合下气泡-变压器油气液两相流体系放电现象和规律的精准描述与定量表征,揭示变压器油绝缘失效的微观机理,为变压器故障分析及油品性能管控的研究工作提供借鉴。

1.变压器油中气泡杂质相放电机制理论分析

    众多学者对含气泡变压器油的放电机理开展了大量研究,针对气相与液相相互作用机制的差异,采用不同的物理模型构建了宏观放电现象与微观放电机理之间的联系,分析获得了气泡混合其他杂质相对油纸绝缘放电特性的影响规律,丰富了液体电介质气泡击穿理论。变压器油中气泡聚集的宏观物理模型如图1所示。

2.变压器油中气泡的动力学行为及其放电特性仿真分析

    气泡动力学行为受气泡的大小、数量、成分、界面结构、初始位置、空间电场强度、电场属性以及变压器油理化属性、温度、流速等因素的共同影响,会呈现出不同的受力情形,如图2所示,这主要表现为气泡在变压器油中的形变和运动轨迹,此直接影响气泡的极化强度、内部电场分布、以及气泡在油道中的存在时间,进而决定了油中气泡放电的剧烈程度。


3.变压器油中气泡动力学行为及其放电特性的试验分析

    针对变压器油中气泡复杂的动力学行为及其放电特性,国内外学者开展了大量试验研究,分析了油中气泡的运动规律、放电起始以及演变的物理过程,为放电模型的构建提供了基础数据支撑。

    总体来看,试验研究可分为两个方面,一是气泡动力学行为对油中局部放电的影响,其涵盖气泡在电场作用下的生成、运动、形变以及破裂等行为的试验探究与气泡运动过程中宏观放电现象、放电参量以及放电规律的监测与分析;二是变压器油中气泡在不同电压型式下的放电特性,主要包括单一电压类型作用下和混合电压作用下变压器油中气泡的放电特性研究。


4.研究展望

(1)基于分子模拟仿真技术的变压器油中气泡放电机制研究

    针对气泡与变压器油共存的物理环境,以流体动力学模型为基础,尽可能完备地考虑放电过程涉及的化学反应,丰富典型粒子产生与消失的源项,从而构建流体动力学与粒子化学反应相结合的混合数值模型,实现气泡放电机制的精准描述,建议进一步开展研究的框架如图3所示。


(2)电-热-流联合应力作用下变压器油中气泡运动特性及其放电机制研究

    在研究气泡形态演变、运动规律和放电行为时,多数学者考虑的物理场类型偏少且是松散耦合,忽略了场的强耦合过程及其对气泡复杂行为特性的瞬时影响。因此,研究油中悬浮气泡在多物理场强耦合模式下的瞬时电流体动力学行为及完备的数学模型,具有较强的工程意义和科学价值,本文提出的一种电-热-流多场耦合作用下油中气泡运行行为及其放电特性仿真研究建议如图4所示。

(3)基于数字孪生技术的变压器油中气泡生成及放电监测与分析

    基于电-热-流-振动等多物理场耦合作用下含气泡变压器油的绝缘状态演变机理,利用多尺度多区域仿真数据、实验数据以及实时运行数据构建模型与数据混合驱动的数字孪生体,实现变压器油中气泡局部放电特征的实时监测与评估,其建议的实现框架如图5所示。

结论

(1)针对变压器油中气泡放电的理论分析,众多学者通过建立不同的理论模型研究了宏观放电现象与微观放电机理之间的关联机制,正在逐步实现放电模型从定性描述到定量表征的过渡,但其整体进展缓慢,未来可借助多物理场耦合方法、数字孪生以及分子模拟技术等来加速这一进程。

(2)气体放电以及气泡动力学行为仿真模拟已具备较完善的理论体系,国内外学者通过仿真实现了放电过程的可视化,同时弥补了试验测量的短板,与试验研究手段相得益彰。今后研究应加强与理论模型的结合,提高仿真的精确度。

(3)目前国内外学者从气泡动力学行为以及电压作用类型两个方面进行了试验研究,所得结果为后续的理论分析提供了可靠的数据支撑和实践经验,但放电的实验室模拟与工程实际还存在较大差距,因此基于模拟真实物理环境的试验装置开展相关研究是今后努力的方向。

    转自:东电、重大团队联合发表变压器油中气泡杂质相局部放电特性的综述-今日头条 (toutiao.com)