电场作用下变压器油中液滴荷电状态研究

为了研究电场作用下液滴荷电效应对其形变的影响,对油中液滴表面电荷状态开展了理论研究,并借助仿真建模软件搭建典型油道模型,模拟了外加电场条件下分散相液滴的表面电荷密度分布,获得了液滴表面电荷的变化趋势图及其表面所受的电场力分布图。研究结果表明：静置于油中的水分子由于“H+”优先取向,水滴带有正的初始表面电荷。随着电场强度不断增大,表面电荷密度呈现正增长趋势。从微观角度分析了电场下液滴的运动变形行为,可以进一步完善油中含有液滴时引起的放电机理,为变压器稳定运行提供实用价值。     

温度和电场引起绝缘子体积电导率非均匀性对表面电荷积聚特性的影响

为阐明直流高压下电场和温度导致的绝缘子体积电导率非均匀性对表面电荷积聚的影响,建立了多物理场仿真模型,研究了表面电荷的积聚特性。结果表明:电场强度变化导致的电导率非均匀性对表面电荷分布有一定影响,但当绝缘子内部电场强度较低时,最大表面电荷密度与电导率非均匀性无关;当内部电场强度较高时,相比体积电导率均匀情况下,最大电荷密度有所减小。此外,温度梯度会导致绝缘子下表面最大电荷密度增加以及电荷分布特征发生变化,而对于绝缘子上表面,电导率非均匀性会导致正、负电荷的共存。因此,与温度和电场有关的体积电导率非均匀性是导致绝缘子表面电荷通过体传导积聚的重要原因。     

非均匀电场下原油乳化液脱水特性

为了提高陆上及海上原油平台的脱水效率,利用同轴圆柱电极结构开展了乳化液在非均匀电场下的脱水特性研究;通过分析水滴在非均匀电场中的极化特性,建立了水滴极化及受力模型,分别对水滴运动、聚结和破裂的动力学特性进行了分析。研究结果表明:随着非均匀系数的升高,乳化液脱水速度增大;在一定范围内提高电场非均匀系数有利于乳化液最终含水率的降低,但电场非均匀系数过高容易造成电分散。在非均匀电场中,水滴受到的介电泳力和水滴之间的偶极聚结力与电场场强、水滴半径、电场的非均匀系数成正比,与水滴距电极中心的距离和水滴之间的距离成反比。水滴电分散场强与水滴电荷面密度、水滴粒径、表面张力有关,当水滴发生荷电后,其电分散场强减小。所建立的非均匀电场脱水模型较好地解释了电脱水试验现象,可为高效电脱水器的设计提供依据。     

高压静电聚结破乳技术

为提高原油的电脱水效率,控制乳状液破乳程度,根据电破乳机理推导出液滴在交流电场中碰撞聚结及变形破裂的规律并分析了影响液滴运动特性的因素。研究中用设计的紧凑型静电聚结管道,对油包水乳化物施加50 Hz高压交流电,通过调节聚结管道电极板间所加电压及极板间乳化物流量qV观察液滴大小的变化规律,并计算乳化物通过聚结器前后的时间对液滴颗粒粒径的影响。结果表明,场强升高可增大液滴直径提高液滴聚结效果;但增大到一定程度时会发生电分散影响脱水效果,故应控制场强在一定范围内使得液滴聚结以提高脱水效率;同时液滴在电场中的停留时间也对聚结效果有明显的影响。     

杂质对交联聚乙烯电缆内部电场和空间电荷分布影响

杂质会影响交联聚乙烯(XLPE)电缆内部电场及空间电荷分布,在电缆绝缘老化与击穿中起着重要作用,因此研究杂质对电缆中电场及空间电荷分布的影响具有重要的意义。本文采用二阶四面体单元剖分的有限元方法计算各节点的电位分布,然后求各节点电位的负梯度得到各节点上的电场强度,对电位移矢量求散度可得各节点的电荷密度。以一个带有杂质颗粒的交联聚乙烯电缆模型为例进行计算,结果表明:在电场作用下,杂质颗粒会离解造成其周围电荷密度集中;杂质颗粒表面积聚的电荷量随颗粒半径的增大而增大,电荷密度随半径的增大而减小;杂质颗粒越靠近高压侧其表面积聚的电荷量越大;杂质颗粒周围的电荷密度值与相对介电常数关系不大,但与电阻率关系密切。     

气中液滴群在均匀场中的局部电场分析

针对气中液滴群在均匀场中的起晕电场计算问题 ,利用偶极子近似讨论了局部电场与浸入相液滴占空比、粒径以及介电常数的关系。     

山火对±800kV输电线路下电场影响的仿真分析

特高压直流输电线路在山火中高温、高电导率火焰以及固体颗粒物等因素作用下,容易导致周围电场发生显著升高,从而引发输电线路跳闸。以云广特高压直流输电线路为例,采用Comsol软件,对山火中电荷数密度和颗粒物等因素对±800kV输电线路下电场的影响进行了仿真研究。研究表明,火焰稳定燃烧情况下,当火焰中电荷数密度达到1014m-3时,电场强度可达正常运行条件下的47倍,并且电荷数密度每增大10倍,合成电场也增大约10倍;颗粒物的存在会对背景电场产生畸变作用,当火焰中电荷数密度达到1014m-3时,畸变值可达正常运行条件下的7.5倍,同时固体颗粒物对电场的畸变作用随着颗粒长轴长度的增加及短轴长度的减小而增大。     

线板式静电设备内微液滴输运特性研究

施加外电场可以提高循环冷却水回收效率,因此研究静电设备内微小液滴的输运特性及其影响因素具有重要的工程意义。采用双向耦合粒子追踪方式,利用k-??湍流模型并根据动量方程求解速度场下的曳力;采用电流连续性方程和电势泊松方程求解静电场,基于粒子随机入口模型,优化不同粒径电荷数,研究在低雷诺数湍流和电场作用下的液滴输运行为、静电设备电势、电场强度分布和液滴的运行轨迹。结果表明:液滴粒径越小越容易受到湍流气流影响,滑移距离增加,收集效率降低;随着气流速度降低,液滴在设备内荷电和运行时间增多,滑移距离降低,收集效率增加;入口电势直接影响液滴的饱和电荷数,特别对于粒径较小的液滴,饱和电荷数降低,收集效率越差。因此,提高工作电压、降低收集板间距可以提高整体饱和电荷数,选择合理的气流速度可以提高循环冷却水收集效率。     

500 kV SF6断路器复合绝缘套管绝缘介质液化电场研究

为研究复合绝缘子套管中的SF₆气体发生液化对套管内部电场分布的影响,采用电流场有限元法对内部电场进行了求解分析。基于某项目中复合套管参数建立了3D实体模型,假设在重要部位出现液滴进行工频瞬态电场计算,得出整体电场强度分布规律和液滴周围电场强度分布规律。研究发现,轴对称方法不再适用于SF₆液化情况的分析。结果表明,液滴会导致附近电场强度增大,且液滴介电常数越大电场强度越高,电场强度随液滴参数变化最大可能变为原场强的3倍,当液态SF₆的介电常数高且SF₆填充压力低,产生过电压时可能会形成击穿。另外,在地电位屏蔽上发生液化并引起放电的可能性最高,需要额外的加热措施或更换填充气体为SF₆-N₂气体。     

温度和正极性电压对直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚的影响

直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚是导致绝缘子沿面闪络电压降低的主要因素。为此基于不同温度和正极性电压研究了直流GIL盆式绝缘子的表面电荷积聚特性。在绝缘气体电流密度与场强、绝缘子固体电导率与温度的非线性关系基础上,建立了绝缘子表面电荷积聚时变数学模型;通过该模型研究了不同温度下盆式绝缘子表面电荷积聚特性,以及绝缘子表面电荷积聚在不同正极性电压下的主导机制。研究结果表明:电压和温度是表面电荷积聚中气体电导和固体电导平衡的主要影响因素之一;1 kV直流电压作用时绝缘子气体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而减小;400 kV直流电压作用时绝缘子固体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而增大。另外研究了在400 kV电压下表面电荷积聚对绝缘子表面切向电场的影响,结果表明绝缘子上下表面的最大切向电场强度随着表面电荷积聚从初始到稳态的过程而逐步增加,而且温度越高,稳态时的最大切向电场强度越大。因此表面电荷积聚是使绝缘子沿面电场强度增大的主要因素之一,温度加剧了表面电荷积聚的程度,从而致使表面切向电场强度进一步增大。     

界面电荷注入与积聚行为对直流GIS/GIL绝缘子沿面电场的影响分析

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metalenclosed transmission line,GIL)运行电流大,设备内部存在明显的温度梯度分布,造成高压电极附近电荷的注入与迁移加剧,导致绝缘子内空间及表面电荷的积聚,畸变电场,容易诱发沿面闪络故障。为此文中建立了电—热耦合应力下直流盆式绝缘子内的电荷注入与积聚模型,研究了考虑电荷注入和迁移特性的绝缘子空间电荷及表面电荷积聚情况,并分析了不同负载电流下绝缘子沿面电场分布规律。研究结果表明:温度梯度下,导体—绝缘界面电荷注入会造成绝缘子内部同极性空间电荷的积聚,并且空间电荷积聚密度会随着负载电流的增大而增大;空间电荷的积聚会减弱高压电极附近电场强度,增强绝缘子凸侧表面法向电场强度,加剧表面电荷的积聚;空间及表面电荷的积聚会使绝缘子表面电势上升,导致接地电极附近电势差增大,电场强度显著增大,地电极三结合点处的场强由空载条件下的1.71 kV/mm增长为额定电流作用下的3.47 kV/mm,增加了103%。该研究结果有助于理解温度梯度下直流绝缘子表面电场畸变机理,并对直流绝缘子的优化设计和安全运行有一定的参考价值。     

交流和直流电场作用下的乳化液电脱水特性

电场类型及电场强度对原油电脱水效率及脱水电场的稳定性有显著影响。为研究不同初始含水率原油乳化液在电脱水时宜采用的脱水电场类型及电场强度,在实验室试验研究了原油乳化液在交流电场和直流电场作用下的电脱水效果;并从理论上分析了交流电场和直流电场作用下的原油乳化液电脱水机理,建立了交流电场和直流电场作用下的水滴运动模型,得到了水滴电分散电场强度和水滴电泳速度的表达式。结果表明:乳化液电脱水存在最佳临界电场强度,当电场强度超过临界电场强度时将引起水滴电分散,导致脱水率下降;交流电场对高含水率乳化液的脱水速度高于直流电场下的脱水速度,且脱水电场稳定;直流电场对低含水率乳化液有深度净化作用,可提高乳化液的脱水率;所建立的电脱水理论模型较好地解释了不同电压下的电脱水试验现象,并为确定最佳脱水电场强度和选择不同含水率乳化液的脱水电场类型提供了理论依据。     

油-水两相流界面追踪数值模拟

变压器油的绝缘性能与电力系统的稳定运行息息相关,在实际运行时变压器油中难免会混入水分等杂质。为了探究悬移水滴对变压器油绝缘性能的影响机理,本文采用有限元方法模拟简化油道模型中分散相悬移水滴的运动过程和轨迹。采用相场法模拟运动状态下油水两相间的相互作用和相变过程,进而描述油水界面的形态和运动。系统分析了电场参数、油流参数对水滴变形和聚并的影响规律。结果表明：油道中的水滴会沿着电场方向产生形变,随着电场强度的增大,其形变程度也逐渐上升,电场强度对油道中水滴的变形程度有重要影响。此外,在同一电场强度下,水滴的半径是导致水滴聚合时间长短的一个重要因素,研究发现随着半径逐渐增大,水滴之间聚合的时间越短。本文的研究为深入探究油水两相流的特性和流动机制提供了理论基础,对提高变压器的运行安全性和效率具有重要意义。     

换流变压器电荷赋值型直流电场外推计算方法

直流电场计算校核是换流变压器设计的重要环节。研究表明直流电压下油纸界面电荷积聚分布与传统阻容模型计算结果之间存在很大差异,基于理想模型的电场校核方法失效。该文提出一种基于油纸界面电荷特性、直接在换流变压器实际结构中进行电荷分段赋值的外推方法。首先,对于均匀场区域,用离子迁移模型计算出各个油纸界面的电荷密度,进行均一化赋值。其次,对于非均匀场区域,从均匀场区域向非均匀场区域推算,根据具体赋值部位的界面电荷分布曲线,划分区间并分段赋值。最后,将电荷场与外施电场叠加合成,获得全域内直流电场分布情况。在换流变压器阀侧出线结构模型中的实测验证表明,电荷分段映射叠加外推方法得到的电场计算值与电场实测值之间偏差较小。该方法解决了传统方法依赖材料宏观参数、无法准确计算和反映大尺寸油纸绝缘系统电场分布真实情况的问题。     

非线性复合结构的界面极化特性

为了探讨非线性复合绝缘结构的界面极化特性,以平板电极结构下线性/非线性复合介质为研究对象,仿真分析了不同幅值阶跃电压和极性反转电压作用下双层介质中的电荷分布及电场分布。仿真发现:当线性介质与非线性介质的时间常数有交点时,在阶跃电压作用下,界面积聚电荷随外施电压幅值的增大而减少;当外施电压增加到2层介质时间常数相交的临界电压时,界面电荷极性反转,且随外施电压幅值增大而增多;外施电压幅值越高,界面极化建立速度越快,退极化速度越慢;在极性反转电压作用下,最大瞬时界面电荷和双层介质中的电场强度均比阶跃电压下的最大初始电场强度值高。从上述结果可以看出:阶跃电压作用下,场致增强型电导率非线性介质对界面积聚电荷具有一定的改善作用;但在电压极性反转瞬间,由于非线性介质承受较高电场强度,所以可能使绝缘系统的可靠性下降。     

新型组合式验电器的设计与实现

为设计一款具有接触式与非接触式验电功能的10 kV高精确度验电器,提出一种新型高压验电方法。利用空间杂散电容分压原理和平板电容型电场传感器的电荷感应原理研制出一种10 kV新型组合式验电器。分析了工频电场分布,研究了空间杂散电容的分压原理并推导电场传感器的感应电压计算公式。利用Ansoft Maxwell对多种验电环境下的电磁场进行仿真并进行抗干扰能力分析,同时设计硬件电路和软件程序。在搭建的高压试验平台下进行接触式验电试验和非接触式验电试验。试验结果表明,在高电压输电环境下,非接触式验电的感应电压变化符合电场强度的变化规律,接触式验电和非接触式验电具有较高的验电准确度。     

均匀场中负流注放电形成过程粒子模拟

为研究均匀场中负流注放电的形成过程,采用粒子模拟方法对平行平板间隙中均匀场作用下高电压流注放电通道的形成和发展进行模拟,获取流注形成发展过程的瞬态物理图像和流注通道中心场强的变化图像。模拟结果表明:电子崩向阳极发展过程中,头部呈辐射状发展,尾部细长,电子集中在电子崩头部,当电子崩转变为流注后,流注通道中形成非平衡等离子体,通道头部和尾部局部场强增大,流注头部存在高能电子;在流注通道内的电子数密度分布图中观察到流注通道存在明显的分叉现象,不同气压和场强下通道分叉现象存在差异;场强一定时,流注发展速度受气压影响较小;气压一定时,随着场强增大,高能电子出现时间缩短,流注发展速度明显提高,通道中电子数密度显著增大,电离程度加深。     

电老化过程中直流电场对油纸绝缘空间电荷特性的影响

通过研究不同电老化过程中直流电场对油纸绝缘的空间电荷特性的影响,可为换流变压器在长期高场强运行下油纸绝缘的空间电荷特性提供试验依据。利用电声脉冲法研究了油纸绝缘在20 k V/mm的直流电场下老化1 000 h不同阶段下的空间电荷特性,结果表明:在电老化的不同阶段,油纸绝缘在极化过程中的空间电荷特性主要表现为都出现了同极性电荷注入和积聚;随着老化程度的加深,油纸绝缘内部积聚电荷量越大,去极化电荷消散速率越慢,老化过程中陷阱密度和深度都在增大,促进空间电荷被陷阱捕获而积聚;整个电老化过程中,快速运动电荷量变化不大,而慢速运动电荷量逐渐增大主要是由于陷阱密度的增大,导致电荷迁移率下降;电老化过程中电荷的积聚导致极化过程中电场畸变明显,容易产生大电流而使击穿电压下降。     

不同电压类型下油流中纤维杂质颗粒运动特性仿真研究

变压器油中纤维杂质颗粒受到油体流动的影响,其运动特性将发生变化,为详细探究其运动规律,采用动力学分析方法构建了单颗粒纤维杂质在流动绝缘油中固-液两相流多物理场模型,对交、直流电场下绝缘油中的不同尺寸纤维杂质颗粒在不同速度油流中的运动特性进行了系统分析。研究结果表明：油流速度对直流和交流电场下的纤维杂质颗粒影响较大,较高流速下纤维杂质颗粒不易发生碰撞,转移电荷机率降低,形成集聚的可能性减小;在直流准均匀电场中,纤维杂质颗粒在油流状态下的最大运动速度以及与电极碰撞次数和颗粒尺寸半径几乎成线性关系,且随着油流速度的增大,线性关系曲线的斜率逐渐减小;与直流电场相比,交流电场下的纤维杂质颗粒在油流作用下更加不易发生碰撞,不易在电极间转移电荷,形成“杂质小桥”的机率进一步降低。     

电场作用下表面张力对液滴运动特征的影响

为研究电场作用下表面张力对液滴运动特征的影响,基于润滑理论和漏介电质模型,在考虑受电场影响的表面张力变化的基础上,建立了电场作用下液滴铺展的演化模型,采用PEDCOL程序模拟了在不同底部电势影响下导电液滴的运动特征。研究表明:两极板间的液滴铺展过程不仅与电势类型有关,还与因电场作用下改变的表面张力有关;表面张力比例系数对液滴运动过程的影响总趋势大体相同,但最大液膜厚度和铺展半径的变化速率明显不同。施加均匀电势和线性电势时,并不改变液滴铺展的抛物线外形,随比例系数增大,液滴铺展加快;施加非线性电势时,可控制液滴的破裂过程;液滴铺展过程中,受表面张力变化影响最大的是线性电势,最小的为指数电势。