变压器油的击穿特性与流注放电过程的数值模拟

摘要

在变压器的日常运行中，其最重要的内绝缘介质是变压器油，由此可见变压器油在保障电力系统的稳定运行中扮演着至关重要的作用。因此，其绝缘性能的好坏直接影响到电网能否稳定运行。人们研究变压器油中放电理论基本上都是从研究带电粒子在电场中的运动规律及推广应用方面入手。无论是实验研究或是理论探讨油中放电的原理过程，分析不同的条件或是电极系统下的液体放电规律，进而保障各类电力设备能够稳定安全地运行都有十分重要的研究价值和应用意义。
　　目前，在研究变压器油中放电现象的过程中，经过大量的研究工作与试验，现已取得了丰硕的成果。本文在参考和比较国内外一系列变压器油中放电理论和试验成果的同时，由基础物理过程定律入手，构建了变压器油流注放电发展过程的物理模型，包括电极结构以及仿真计算区域。在变压器油流注放电的发展过程中，影响其发展的物理过程的因素主要有两方面，一方面是带电粒子在电场中的运动过程，另一方面是空间电荷对电场的影响。经过实践对比和大量参考文献的查阅，确定了切实可行的带电粒子连续性方程，以及反应带电粒子对电场影响的空间泊松方程。同时，在查阅许多相关文献之后，找出了由国内外学者从变压器油流注放电试验中获取到的经验公式计算出来的变压器油流注放电仿真的输运和反应系数。之后，分别考量物理模型、带电粒子连续性方程以及空间泊松方程的不同条件，确定了相应的边界条件和参数选择。考虑到在带电粒子的连续性方程的求解过程中，其对流项是远远大于扩散项的，因此适当引入了人工扩散项用来抑制求解过程的数值振荡问题。通过对空间电荷在变压器油中的产生与消失机理的研究，确定了其在带电粒子连续性方程中的表达式，进而明确了场致电离为影响流注放电发展过程的主要电离机制。
　　采用COMSOL Multiphysics仿真软件进行变压器油中流注放电数值模拟，建立相应的二维轴对称流体模型，模拟脉冲电压下油中球板电极的放电过程，分析不同电压幅值与间隙距离对油中流注放电发展过程的影响。通过对油中流注放电这一过程进行仿真，比对不同条件下的流注发展情况和特性，并依据得到的流注放电过程的仿真结果，分析流注放电这一过程中影响其发展特性的一些影响因素进行对比分析。
　　由于变压器油所处的工作环境极其复杂，因此在变压器的实际运行过程中，变压器油的绝缘性能受多种外部因素的影响。为了了解不同因素对变压器油绝缘特性的影响，设计试验，研究了不同温度以及间隙距离条件下，变压器油的击穿电压变化情况，并基于流注放电的理论和仿真对试验结果进行探讨。

目录

第1章 绪 论

1.1 本课题研究背景及意义

1.2 国内外的研究现状和发展趋势

1.3 主要工作内容

第2章 变压器油流注放电的仿真模型

2.1 引言

2.2 流体模型

2.3 电场计算

2.4 输运和反应系数

2.5 边界条件

2.6 空间电荷的产生与消失

2.7 本章小结

第3章 变压器油流注放电特性研究

3.1 引言

3.2 仿真条件

3.3 流注的发展特性

3.4 其他因素对流注发展特性的影响

3.5 本章小结

第4章 变压器油的击穿特性试验

4.1 引言

4.2 试验电路

4.3 不同温度下变压器油击穿特性

4.4 不同间隙距离下变压器油击穿特性

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢