气液相变对高压纳秒脉冲作用下变压器油中流注放电的影响.pdf
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1、第 卷第 期东北电力大学学报.年 月 基金项目:内蒙古电力有限公司科技项目():./.气液相变对高压纳秒脉冲作用下变压器油中流注放电的影响齐 冰王 涵(东北电力大学电气工程学院吉林 吉林)摘 要:变压器油常用于电力设备和脉冲功率设备中其绝缘性能的提高对设备的安全性有重大意义基于二维轴对称流体模型模拟了在纳秒高压脉冲条件下针板电极结构变压器油中放电现象利用泊松方程、流体力学方程、对流热扩散方程构建控制方程通过有限元分析法对油中液体放电起始机制、液体汽化过程及原因、汽化后形成的气相对整体流注放电时空演化和分布所产生的影响进行了研究 模拟结果显示纳秒脉冲电压下放电电场达到./、空间电荷密度达到/时流
2、注放电显著发展 放电至 时针尖处温升高至 使油汽化产生气相并在气相区产生了新的流注放电关键词:变压器油纳秒脉冲正流注放电液气两相中图分类号:文献标识码:引 言随着西电东输工程的推进高压等级的提高对绝缘性能提出了更高的要求 变压器油作为一种良好的绝缘介质被广泛应用于电力设备及脉冲功率装置中 一旦变压器油中发生局部放电会造成局部过热、绝缘老化 甚至会影响设备的正常运行国内 外 学 者 针 对 油 中 放 电 进 行 了 大 量 研究 一些液体放电研究主要在直流或低频交流电压下进行 随着脉冲功率装置逐步应用在高压领域中纳秒脉冲高压放电研究得到关注 相比于直流电压纳秒脉冲电压具有作用时间短、电场强度高
3、的特点对变压器油绝缘性能提出了更高的要求 长期以来国内外学者通过放电产生的电磁、光、声等信号对液体放电进行研究却无法对放电发展过程、电场和电荷的时空演化等一些关键过程进行深入研究 为更加深入的研究放电物理机制数值模拟逐渐在液体放电研究中应用最初 团队提出油中流注放电产生电荷的起始机制与齐纳模型类似场致电离机制起到主导作用 团队在文献中提出油中放电的数值模拟分析所采用的基本方程为对流扩散方程和泊松方程 团队建立了针板电极变压器油中放电模型通过有限元软件对油中放电的电场和空间电荷进行模拟研究了流注放电的发展过程及时空演化 李元团队研究了脉冲上升沿及电极间隙大小对油中放电的影响 王琪团队在文献中进一
4、步提出流注通道中场致电离与碰撞电离两种机制并存油中为场致电离主导气相中碰撞电离机制主导采用了 方程在模型的不同区域同时实现气相放电机制和液相放电机制 重庆大学唐炬教授课题组采用相场变量分析了变压器水平和垂直油道中流速对气泡形变的影响利用 方程描述了相场变量的演化机制华北电力大学李庆民教授课题组又进一步研究气泡聚集现象采用数值模拟手段研究了不同场强下气泡的迁移路径、速率和畸变程度等特征解释了极不均匀电场中气泡形变脉动不明显的原因本文建立了针板电极二维轴对称模型通过建立带电粒子迁移扩散方程、泊松方程、对流热扩散方程构建模型研究了高压脉冲条件下变压器油中气液两相相变的发生对放电演化过程的影响对电场、
5、空间电荷、温度的时空分布等关键参数进行了研究 研究结果表明气相的生成对放电的发展过程起到明显的促进作用明显改变放电通道的形状 变压器油正流注放电模型.放电装置示意图本文借鉴 绝缘油脉冲击穿电压测试方法建立了油中针板型电极模型设置针尖的曲率半径为 针电极加正极性高压脉冲电压()金属平板电极接地针板间隙为 装置由变压器油填充 如图 所示 脉冲电压由方程()确定波形如图 所示图 针板电极结构示意图.()(/)()公式中:()为电压的瞬时值 为时间.为波形的校正系数 为电压幅值 为双指数函数的上升时间 为双指数函数的下降时间图 纳秒脉冲电压波形.控制方程泊松方程、电荷连续性方程来描述正负离子和电子的产
6、生迁移和扩散及电场的变化过程其中油中电荷生成由场致电离方程控制气相中电荷生成由碰撞电离方程控制流体传热方程用来描述油中放电温升过程.对流扩散方程电子、负离子、正离子的连续性方程分别为()()()()()()()()()()公式中:分别为正离子、负离子、电子密度液相中电子迁移率为 液相中负离子、正离子迁移率为 气相中 电 子 和 正 负 离 子 的 迁 移 速 率 为 为电场强度矢量()为正离子和电子的生成项具体数值如公式()所示()为气相电荷产生速率.分别为正离子与电子复合系数正离子与负离子复合系数 为平均电子吸附时间场致电离方程:)液相中:()()气相中:()()碰撞电离方程:)液相中:()
7、()气相中:()()()()()东北电力大学学报第 卷公式中:为气体分子电离能 为碰撞之间的电子平均自由行程其具体参数及数值如表 所示表 液相场致电离电荷源项参数.符号名称/单位值普朗克常数/.分子间距/.分子电离能/.电子的有效质量/.电子基团数密度/.气相流注通道所用的参数定义与取值如表 所示:表 气相电荷产生参数.符号名称取值碰撞电离系数/碰撞电离系数/将上述对流扩散方程与泊松方程相互耦合为 ()()公式中:为介电常数 为电势.流体传热方程()()()()公式中:为温度 为时间 为油流动速度 液体的比热容为.液体介质的密度为 为传导电流密度液体的热传导率.运用有限元分析法来求解上述非线性
8、方程组其中电荷连续性方程耦合泊松方程来求解空间电荷密度及电场模值二者数值相互影响空间电荷的分布情况基本决定了电场的分布它的变化对电场有畸变作用只要电场达到了油中电离的强度则流注就可以持续发展再与流体传热方程耦合电子的流动形成了电流在时间的作用下产生的热量不断累积使得油中温度达到了油汽化温度发生了相变产生气相区域此时用.小节气液转换方程来描述气液同时存在时的控制方程.气液转换在流体动力学漂移扩散模型中加入一个 函数用来描述油中温升导致的液相逐渐向气相转化的相变过程当温度超过临界温度时应用.小节的碰撞电离方程低于临界温度应用液相场致电离方程从而描述一个完整的油中流注放电的发展过程用 函数非标准形式
9、来进行气液方程的转换()()()公式中:为油开始发生相变的温度 为气液两相的转变间隔大小取决于气液两相的导热系数、比热容、温度梯度以及放电程度等 为气液边界处其液相向气相转变主要分为三个阶段分别为液相阶段、汽化成核阶段、气相阶段 如图 所示为相变产生的温度在前油仍处于液相阶段温度达到时相变开始发生液相密度逐渐降低形成汽化核心当温度进一步升高至 时油相变产生此时变压器油已经完全变为气相状态即液相到气相的转变有一个过渡过程即为汽化成核阶段 因为这些因素的影响相变的发生不会正好在所设定临界相变温度处而是在 处气液两相同时存在此气液边界比较复杂在此篇论文中暂且先不考虑气液边界的放电问题()为气液两相转
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