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變壓器油道中的懸浮氣泡在電磁場,、溫度場和流場的聯(lián)合作用下,，呈現(xiàn)出極其復(fù)雜的形態(tài)演變、運(yùn)動規(guī)律和動態(tài)放電特性,，對油品和局部結(jié)構(gòu)的絕緣性能造成極大影響,。東北電力大學(xué)和重慶大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)圍繞含氣泡絕緣油的放電特性，從理論分析,、仿真模擬和試驗(yàn)測量三個角度對現(xiàn)有成果進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和論述,，并結(jié)合分子模擬仿真、多物理場耦合仿真等方法展望了含氣泡變壓器油絕緣性能的潛在研究方向,。
大型油浸式電力變壓器作為輸變電系統(tǒng)中的核心設(shè)備,，當(dāng)油溫升高時，油浸絕緣紙纖維斷鏈分解,、變壓器油劣化分解,、油紙絕緣局部受潮等會引起氣體析出并在油道中形成懸浮氣泡，這些氣泡在電磁場,、溫度場和流體場等的綜合作用下,，呈現(xiàn)出極其復(fù)雜的形態(tài)演變和運(yùn)動規(guī)律，由此導(dǎo)致的氣泡局部放電和油道擊穿一直是造成大型油浸式變壓器高能電弧燃爆的主要因素之一,。變壓器油中氣泡放電是威脅變壓器絕緣性能的關(guān)鍵因素之一,，并且氣泡在油中的電流體動力學(xué)行為及其微觀放電機(jī)制難以精確把握，這導(dǎo)致變壓器油絕緣失效的機(jī)理研究成為電氣絕緣方面的重難點(diǎn)問題之一,。本文重點(diǎn)回顧了近二十年變壓器油中氣泡局部放電特性的相關(guān)研究成果,，從理論分析、仿真模擬和試驗(yàn)測量三個角度進(jìn)行了系統(tǒng)地梳理和概述,，以期建立多場耦合下氣泡-變壓器油氣液兩相流體系放電現(xiàn)象和規(guī)律的精準(zhǔn)描述與定量表征,，揭示變壓器油絕緣失效的微觀機(jī)理，為變壓器故障分析及油品性能管控的研究工作提供借鑒,。1.變壓器油中氣泡雜質(zhì)相放電機(jī)制理論分析眾多學(xué)者對含氣泡變壓器油的放電機(jī)理開展了大量研究,，針對氣相與液相相互作用機(jī)制的差異，采用不同的物理模型構(gòu)建了宏觀放電現(xiàn)象與微觀放電機(jī)理之間的聯(lián)系,，分析獲得了氣泡混合其他雜質(zhì)相對油紙絕緣放電特性的影響規(guī)律,，豐富了液體電介質(zhì)氣泡擊穿理論。變壓器油中氣泡聚集的宏觀物理模型如圖1所示,。
圖1 變壓器油中懸浮氣泡群擴(kuò)散成橋示意圖2.變壓器油中氣泡的動力學(xué)行為及其放電特性仿真分析氣泡動力學(xué)行為受氣泡的大小,、數(shù)量、成分,、界面結(jié)構(gòu),、初始位置、空間電場強(qiáng)度,、電場屬性以及變壓器油理化屬性,、溫度、流速等因素的共同影響,，會呈現(xiàn)出不同的受力情形,，如圖2所示，這主要表現(xiàn)為氣泡在變壓器油中的形變和運(yùn)動軌跡,，此直接影響氣泡的極化強(qiáng)度,、內(nèi)部電場分布、以及氣泡在油道中的存在時間,，進(jìn)而決定了油中氣泡放電的劇烈程度,。
圖2 電場-溫度場-流場耦合作用下油中懸浮氣泡受力分析3.變壓器油中氣泡動力學(xué)行為及其放電特性的試驗(yàn)分析針對變壓器油中氣泡復(fù)雜的動力學(xué)行為及其放電特性，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量試驗(yàn)研究,，分析了油中氣泡的運(yùn)動規(guī)律,、放電起始以及演變的物理過程，為放電模型的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐,?？傮w來看，試驗(yàn)研究可分為兩個方面,，一是氣泡動力學(xué)行為對油中局部放電的影響,，其涵蓋氣泡在電場作用下的生成、運(yùn)動,、形變以及破裂等行為的試驗(yàn)探究與氣泡運(yùn)動過程中宏觀放電現(xiàn)象,、放電參量以及放電規(guī)律的監(jiān)測與分析；二是變壓器油中氣泡在不同電壓型式下的放電特性,，主要包括單一電壓類型作用下和混合電壓作用下變壓器油中氣泡的放電特性研究,。（1）基于分子模擬仿真技術(shù)的變壓器油中氣泡放電機(jī)制研究針對氣泡與變壓器油共存的物理環(huán)境，以流體動力學(xué)模型為基礎(chǔ),，盡可能完備地考慮放電過程涉及的化學(xué)反應(yīng),，豐富典型粒子產(chǎn)生與消失的源項(xiàng)，從而構(gòu)建流體動力學(xué)與粒子化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的混合數(shù)值模型,，實(shí)現(xiàn)氣泡放電機(jī)制的精準(zhǔn)描述,，建議進(jìn)一步開展研究的框架如圖3所示。
圖3 變壓器油中氣泡放電機(jī)理的分子模擬邏輯框架（2）電-熱-流聯(lián)合應(yīng)力作用下變壓器油中氣泡運(yùn)動特性及其放電機(jī)制研究在研究氣泡形態(tài)演變,、運(yùn)動規(guī)律和放電行為時,，多數(shù)學(xué)者考慮的物理場類型偏少且是松散耦合，忽略了場的強(qiáng)耦合過程及其對氣泡復(fù)雜行為特性的瞬時影響,。因此,，研究油中懸浮氣泡在多物理場強(qiáng)耦合模式下的瞬時電流體動力學(xué)行為及完備的數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的工程意義和科學(xué)價值,，本文提出的一種電-熱-流多場耦合作用下油中氣泡運(yùn)行行為及其放電特性仿真研究建議如圖4所示,。
圖4 變壓器油中氣泡放電的電-熱-流多物理場耦合模型（3）基于數(shù)字孿生技術(shù)的變壓器油中氣泡生成及放電監(jiān)測與分析基于電-熱-流-振動等多物理場耦合作用下含氣泡變壓器油的絕緣狀態(tài)演變機(jī)理,，利用多尺度多區(qū)域仿真數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)構(gòu)建模型與數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的數(shù)字孿生體,，實(shí)現(xiàn)變壓器油中氣泡局部放電特征的實(shí)時監(jiān)測與評估,，其建議的實(shí)現(xiàn)框架如圖5所示。
圖5 變壓器油中懸浮氣泡放電的數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)框架（1）針對變壓器油中氣泡放電的理論分析,，眾多學(xué)者通過建立不同的理論模型研究了宏觀放電現(xiàn)象與微觀放電機(jī)理之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制,，正在逐步實(shí)現(xiàn)放電模型從定性描述到定量表征的過渡，但其整體進(jìn)展緩慢,，未來可借助多物理場耦合方法,、數(shù)字孿生以及分子模擬技術(shù)等來加速這一進(jìn)程。（2）氣體放電以及氣泡動力學(xué)行為仿真模擬已具備較完善的理論體系,，國內(nèi)外學(xué)者通過仿真實(shí)現(xiàn)了放電過程的可視化,，同時彌補(bǔ)了試驗(yàn)測量的短板，與試驗(yàn)研究手段相得益彰,。今后研究應(yīng)加強(qiáng)與理論模型的結(jié)合,，提高仿真的精確度。（3）目前國內(nèi)外學(xué)者從氣泡動力學(xué)行為以及電壓作用類型兩個方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究,，所得結(jié)果為后續(xù)的理論分析提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),，但放電的實(shí)驗(yàn)室模擬與工程實(shí)際還存在較大差距，因此基于模擬真實(shí)物理環(huán)境的試驗(yàn)裝置開展相關(guān)研究是今后努力的方向,。博士研究生,，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備絕緣在線監(jiān)測與故障診斷。 教授,，博士生導(dǎo)師,，主要從事電力裝備運(yùn)行性能演化分析、運(yùn)行狀態(tài)評估與故障診斷研究,；主持國家自然科學(xué)基金面上和青年基金項(xiàng)目各1項(xiàng),、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子任務(wù)2項(xiàng)、重慶市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng),；獲重慶市技術(shù)發(fā)明一等獎1項(xiàng),、重慶市科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)；擔(dān)任IEEE PES 電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障預(yù)警分專委會（中國區(qū)）常務(wù)理事,、CIGRE WG D1.76工作組成員,。 博士，副教授,，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院教師,，主要從事高電壓與絕緣技術(shù)、電磁場數(shù)值分析等方面的教學(xué)和科研工作。 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院教授,，博士生導(dǎo)師,，東北電力大學(xué)副校長，吉林省電工技術(shù)學(xué)會副理事長,，國務(wù)院政府特殊津貼獲得者,，吉林省優(yōu)秀教師,、第五批拔尖創(chuàng)新人才,，吉林省第十四批有突出貢獻(xiàn)的中青年專業(yè)技術(shù)人才；獲國家科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng),、省部級科技進(jìn)步獎8項(xiàng),；主持和承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題2項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目3項(xiàng),；獲國家科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng),、省部級科技進(jìn)步獎8項(xiàng)；授權(quán)發(fā)明專利6件,，發(fā)表SCI/EI期刊論文70余篇,，ESI熱點(diǎn)1篇、高被引4篇,。 本工作成果發(fā)表在2023年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,，論文標(biāo)題為“變壓器油中氣泡雜質(zhì)相局部放電特性研究綜述”。本課題得到國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體基金資助項(xiàng)目的支持,。張寧, 劉士利, 郝建, 陳厚合. 變壓器油中氣泡雜質(zhì)相局部放電特性研究綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2023, 38(10): 2757-2776. Zhang Ning, Liu Shili, Hao Jian, Chen Houhe. Review on Partial Discharge Characteristics of Bubble Impurity Phase in Transformer Oil. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(10): 2757-2776.
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