昆明理工大学等单位学者发表酯基绝缘油流注放电模拟的研究成果

抖音推荐 2025年08月22日 18:28 1 admin

随着我国特高压输电技术的不断进步，变压器的电压等级不断提高，绝缘问题也变得越来越突出。绝缘油作为油浸式变压器重要的组成部分之一，在变压器的安全运行中扮演着关键的角色。酯基绝缘油具有高燃点、易降解、能延长变压器寿命等优点，在绿色低碳发展的大环境下，酯基绝缘油取代矿物油的趋势也被越来越多的研究者认可和接受。

目前，基于酯基绝缘油的流注放电特性研究主要集中在试验观察，然而与矿物油相比，酯基绝缘油在放电过程中易产生快速流注，进而导致其在极不均匀电场下的击穿电压偏低。为了获得抑制酯基绝缘油快速流注产生的方法和机理，有必要对酯基绝缘油在冲击电压下流注放电的微观物理过程展开研究。但目前的试验仅能得到放电过程中物理现象的宏观特征，而无法深入了解详细的微观物理过程。因此需要借助数值模拟方法，探究酯基绝缘油流注放电的微观机理。

近年来，许多学者采用电流体动力学模型研究液体电介质放电的微观过程。然而，相关流注放电模型均基于场致电离理论，通常假定电离仅在液相中发生，而忽略了气相中的电离过程。试验研究表明，在放电过程中有气相区域的产生，其中，放电产生的焦耳热被认为是气相形成的重要原因。由于气相和液相内的载流子迁移率和介电常数存在极大差异，因此，有必要研究气相过程对流注放电的影响。

此外，快速流注的产生伴随着强烈的光信号，施加电压越大、流注传播越快，产生的光照越强。建立光电离模型需要多个参数，如光强、光电离截面和吸收系数等，由于这些参数极难测量，目前很少有学者对液体电介质中光电离的数学模型进行研究。因此，需要对光电离进行一定程度的简化建模以探究光电离对流注放电过程的影响机理。

流注放电是一个非常复杂的多尺度、多物理场耦合过程，目前尚无准确的模型能描述其发展过程。相变及光电离是影响流注演变的重要因素，但现有流注放电模型很少将其影响考虑到模型内。为分析二者对流注放电的影响，昆明理工大学电力工程学院、输变电装备技术全国重点实验室（重庆大学）的王开正、王帅旗等，基于电流体动力学模型，建立了以相变温度为临界点的气相碰撞电离项，以及与电场阈值相关的光电离项的酯基绝缘油流注放电模型，模拟了酯基绝缘油流注放电过程，探究了流注形态特征、流注通道温度分布、传播特性和空间电荷分布规律。

图1 流注结构示意图

研究者发现，光电离产生的大量载流子会导致局部电场发生畸变，促进了优势流注分支的产生，而针尖处密集的小流注分支则是由气相区域发生碰撞电离造成的，改进模型在流注形态上更符合试验观察到的流注多分支特点。相变对主流注的传播速度几乎无影响，这主要是由于主流注的发展是由光电离和场致电离所控制。

图2 无相变模型和改进模型的流注形态对比

此外，流注速度变化趋势与试验结果相似，呈现先增加后减小的变化趋势。光电离项的引入使模型产生更多的载流子，促进了流注的传播，因此在三种不同电压下原始模型的主流注传播速度均低于改进模型，且在较高电压下改进模型的主流注传播速度率先实现了从第二模式（慢速）到第三模式（快速）的转换。因此，酯基绝缘油易产生快速流注可能是由于光电离导致的。

研究模拟结果显示，高温区域主要集中在针尖处，随着温度的升高而引起相变，此时碰撞电离在气相区域内产生更多的空间电荷。在电场的作用下，这些电荷在针尖处引发了更多的扰动，这可能是导致针尖区域形成更多密集小流注分支的原因。

他们表示，本研究有助于改进和完善酯基绝缘油流注放电模型，为酯基绝缘油快速流注的产生机理的研究提供了新思路，在一定程度上可为提升酯基绝缘油的击穿电压提供理论指导。同时也表明在未来酯基绝缘油流注放电的研究工作当中，应需关注相变和光电离等因素影响，这对放电模型的建立和放电机理的完善具有重要意义。

本工作成果发表在2024年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于气液两相及光电离的酯基绝缘油流注放电模拟”。本课题得到国家自然科学基金青年项目、云南省科技厅基础研究专项青年项目、国家自然科学基金面上项目和国家自然科学基金重点项目的支持。