在极不均匀电场下变压器油中气泡运动过程及回旋现象.docx

《在极不均匀电场下变压器油中气泡运动过程及回旋现象.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《在极不均匀电场下变压器油中气泡运动过程及回旋现象.docx（14页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、第55卷第4期工程科学与技术Vo1.55No.42023年7月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESJu1y2023面向双碳目标的环保型电力设备DOIr1O.15961j.jsuese.202301069鬻在极不均匀电场下变压器油中气泡运动过程及回旋现象杨昊周思佳I,张璐2,赵恒3,曹雯I,陈晋鹏I(1.西安工程大学电子信息学院，陕西西安710048：2.国网陕西省电力有限公司电力科学研窕院，陕西西安710100：3.国网陕西省电力有限公司消南供电公司，陕西渭南714000)摘要：长期运行的油浸式电力设备内部会有少量气泡存在于变压器油中，而设备内部复杂的电场环境会使油中气泡运动

2、形态发生改变，这将会引起电场畸变并最终造成绝缘劣化。本文设计了气泡自动生成装置，通过该装置模拟油中气泡产生，利用高速相机对其运动轨迹进行捕捉：通过有限元仿真软件建立气液两相流模型，获取气泡周围电场分布；借助仿真模型从力学角度对气泡上升时所伴随发生的回旋现象开展讨论。利用图像处理软件对拍摄结果进行处理，分析气泡尺寸以及电场强度对于气泡运动轨迹的影响，结果表明，气泡尺寸增大以及电场强度的增加均会改变气泡自身受力情况使运动偏移量增大；结合仿真计算分析可知，极不均匀电场的存在使气泡不同区域场强有所差异；对气泡表面区域进行划分并利用仿真结果对该区域受力进行计算，发现气泡不同区域受力方向各异，极不均匀场的

3、存在导致表面受力不均是引发气泡位移、形变最终造成多气泡回旋的主要原因；两电极间出现多气泡短的聚集，使电场畸变进一步加强，造成绝缘性能显著下降。研窕结果可应用于长期运行的油浸式电力设备运行状态评估。关键词：气泡；变压器油；气泡回旋；极不均匀电场中图分类号：TM854文献标志码：A文章编号：2096-3246(2023)04-(X)47-10MovementProcessandGyrationPhenomenonofBubb1esinTransformerOi1UnderExtreme1yInhomogeneousE1ectricFie1dYANGHaox,ZHOUSijia1,ZHANG1u2,

4、ZHAOHengy,CAOWen1,CHENJinpengi(!.Schoo1OfEIectronicandInto.,Xi,anPo1ytechnicUniv.,Xian710048,China;2.E1cctricPowerResearchInst.StateGridShaanxiE1ectricPowerCo.1td.,Xi,an710100.China:3.S1ateGridWcinanPowerSupp1yCo.,Wcinan714000.China)Abstract:Thereisasma11numberofbubb1esintheoi1ofoi1-immersedpowertra

5、nsformerswith1ong-termoperation.Thecomp1exe1ectricfie1denvironmentinsidetheequipmentcanchangethemotionstateofthesebubb1es,which1eadstothee1ectricfie1ddistortionandu1timate1ycausingtheinsu1ationdeterioration.Inthispaper,anautomaticbubb1egenerationdevicewasdesignedtosimu1atetheformationofbubb1esinoi1,

6、andtheirmotiontrajectorieswerecapturedusingahigh-speedcamera.Thenagas-1iquidtwo-phasef1owmode1wasestab1ishedthroughthefinitee1ementsimu1ationsoftwareinordertoobtainthee1ectricfie1ddistributionsurroundinghcbubb1es.Fina11y,thisstudydiscussedthegyrationphenomenonthatoccurswhenbubb1esrisefromamechanica1

7、perspectiveusingsimu1ationmode1s.Furthermore,animageprocessingsoftwarewasemp1oyedtoana1yzetheeffectsofthebubb1esizeandthee1ectricfie1dintensityonthemotiontrajectoriesofthebubb1esinthisstudy.Resu1tsrevea1edthatanincreaseinthebubb1esizeandthee1ectricfie1dintensitycana1tertheforceactingonthebubb1eitse1

8、f,which1eadsto1argerdeviationsinitsmovement.Basedonthesimu1ationca1cu1ationandana1ysis,i(canbefoundthatIheexistenceofIheextreme1yinhomogeneouse1ec-收稿日期:2023-0930基金项目:国家自然科学基金项目(52(X)7138)；西安市碑林区科技计划项目(GX2209)作者简介:杨(1988),男，副教授，博士.研究方向：高电压绝缘技术：输变电设备状态监测与故障诊断：气体放电与放电等离子体技术.E-mai1：yanghao网络出版时间:2023-06

9、-2610:32:52网络出版地址:hiips:http:/triefie1dcausesvariationsinthee1ectricfie1dintensityatdifferentregionsofthebubb1esurface.Thebubb1esurfacewasdividedintodifferentregionsandsimu1ationresu1tswereusedtoca1cu1atetheforceactingonIhcreg沁ns.Theresu1tsshowedthattheforceactingontheseregionswerenoiuniform.Basedon

10、thefina1ana1ysis,itcanbeconc1udedthatthepresenceoftheextreme1yinhomogeneouse1ectricfie1d1edtounevensurfaceforces.Itisthemaincauseforthedisp1acementanddeformationofbubb1es,u1timate1yresu1tinginthemu1tibubb1egyration.Moreover,theprocesscausesthetemporaryaccumu1ationofmu1tip1ebubb1esbetweenthetwoe1ectr

11、odes,intensifyingthedistortionofthee1ectricfie1dandresu1tinginaSignit1cantdegradationoftheinsu1ationperformance.Thestudycanbeapp1iedtotheoperationa1conditionassessmentofoi1-immersedpowerequipmentwith1ong-termoperation.Keywords:bubb1es;transformeroi1:bubb1egyration:extreme1yinhomogeneouse1ectricfie1d

12、气泡形成与释放造成影响。张璐等通过套管模型研油浸式电力设备是电力系统中重要的组成部分之一，设备自身运行是否可靠直接影响电力系统的安全和稳定运行I1变压器油作为油浸式电力设备中的主要绝缘介质，其性能将对设备的绝缘状态产生影响。近年来，以变压器为主要代表的油浸式电力设备事故频发，且多为投入运行时间较长的设备，而油中存在的气体导致变压器油绝缘性能下降是造成事故发生的主要原因。外界水分入侵油浸式设备内部以及自身纤维素分解是油中产生气体的主要原因。生产过程中设备内部含有微量水分，设备密封性能随运行时间的增加而下降，这将致使水分侵入绝缘油中，并随油温的变化以气泡形式析出。纤维素分解所产生的气体分子将会在电

13、场、热场的作用下聚集形成气泡。气泡生成后在浮力的作用下竖直上升，但在此过程中气泡受电场力的影响发生偏移，并在偏移时易形成小桥，进而导致绝缘击穿。因此研究在电场下油中气泡的运动情况，并探究其与绝缘击穿的映射关系具有重要意义。环境温度变化以及绝缘介质含水量是变压器油中气泡生成的主要原因M1KOeh、PerkaSa网等指出温度是影响气泡生成的主要因素。高萌等通过试验，指出除温度外，水分和气体含量等外界因素也会对究了气泡生成起始温度与温升速率和绝缘纸中水分含量的变化关系。以上研究仅关注气泡产生，但忽略了气泡释放后在变压器油中运动对变压器内绝缘的影响。目前，诸多学者针对电场对变压器油中气泡运动影响开展了

14、大量研究。李莹等通过仿真与试验相结合的方法，研究在静置油液中直径为0.25-0.50mm的气泡运动特性，结果表明，在静置油液中气泡呈现竖直上升，且自身运动速度会随直径、黏稠度、温度等发生变化。Hara等阿在非均匀电场下对不同液相中气泡的迁移开展研究，陈烁等在均匀电场下展开，结果均表明外加电场会对气泡的受力产生影响，使得气泡运动状态及自身形状发生改变。赵涛等【通过建立气泡运动数值模型并进行相关计算，得出气泡运动距离随气泡半径增加而增加。杨昊等四采用仿真与实验相结合的手段探究了垂直电极下的运动特性，发现极不均匀电场对气泡具有推离和拉伸作用。气泡的存在导致变压器油绝缘性能显著下降如。早在20世纪60

15、年代，Koo等1通过试验分析得出气泡是影响绝缘油绝缘性能的原因之一。蔡丹等“刀通过仿真分析指出，气泡内部场强高于绝缘油中场强。电场分布与介电常数成反比”8），因此气泡耐电场强度相对较低，从而产生放电造成绝缘性能降低。张永泽,通过对24mm直径气泡进行研究，指出气泡尺寸是造成绝缘性能卜.降的原因之%麻守孝I冽通过建立试验第4期杨昊，等：在极不均匀电场下变压器油中气泡运动过程及回旋现象49装置模型模拟油中气泡进行研究，结果表明，变压器油的绝缘性能随气泡数量的增加而降低。相关学者围绕气泡对于绝缘性能的影响进行了研究，但其研究往往关注气泡的数量、尺寸，而忽略了气泡运动形态对绝缘性能的影响。进气有俞玻璃(b)进气及极距调整本文采用实验与仿真相结合的方法，采用高速相机拍摄气泡的运动过程，分析气泡尺寸以及电场强度对其运动特性的影响；建立仿真模型并进行计算，分单位：mm(a)正视图析气泡回旋产生机制，讨论气泡回旋对绝缘性能的影响。本文研究结果可应用于长期运行的油浸式电力设备运行状态评估。制气泡以恒定速率注入。lr Zq分压器图1实验腔体结构示意图补光，以提高图片拍摄质量。高速相机气泡推进器油中气泡运动观测平台与仿真模型设计气泡生成装置并建立试验系统。由于实验过程难以测量气泡周围电场分布，为此