西安交通大学 李元 等:变压器油中脉冲电弧放电压力波的产生过程研究

科技   2024-11-08 16:54   北京  


本期精选

2024年第10


变压器油中脉冲电弧放电压力波的产生过程研究

李元,王亚桢,施沛澍,袁磊,石亚轩,   张冠军  

DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20241275

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研究背景





油中电弧产生的陡强压力波是导致变压器燃爆事故的直接原因,研究变压器油中压力波的产生过程与传播特性对增强变压器防灾御灾能力具有重要意义。本文采用油中脉冲电弧放电法产生压力波,减弱工频电弧中持续产气、重燃对压力波基本过程观测的干扰,搭建了油中脉冲放电压力波光-电联合诊断平台,实验采集电压、电流和压力时序信号以及动态纹影图像,研究油中电弧放电压力波的产生过程。






重点内容





1、油中脉冲放电压力波的产生过程

电弧放电在油中产压过程可分为电弧膨胀、气泡脉动2个具有典型特征的阶段。

1)电弧膨胀阶段:随着外部能量快速注入,放电区域电离程度加剧,形成高温高压电弧等离子体通道。等离子体-液体两相界面形成巨大的压力差,推动液体介质形成一系列激波,完成电能向机械能的快速转换。激波的波速随气液两相边界加速膨胀而增大,最终这些不同速度的激波叠加形成的一次压力波(图1(d))。


2)气泡脉动阶段:电弧放电的热效应形成气泡,放电结束后,气泡继续膨胀,直到内部压强与周围液体的压强接近平衡时,气泡达到最大直径(约10 cm,图1(f))。随后气泡开始坍缩,当内外压力再次平衡时,气泡由于惯性继续缩小直至溃灭,产生二次压力波。注意,气泡坍缩过程中,其形态会发生明显变化,分为体积上大下小两部分(图1(i)-1(j))。


图1 典型条件下压力波产生、传播与气泡脉动过程


2、油中电弧放电压力波形分析

压力传感器可以有效测量压力波的压强,进一步研究压力波的传播与衰减规律。油中电弧压力波形主要由正向压力波(图2中点线框)以及反射压力波(图2虚线框)部分构成。


1)正向压力波形:二次压力波的幅值大于一次压力波,主要原因在于气泡在膨胀过程中积累了更多能量,在坍缩至最小时集中释放,形成强烈的压缩效应。二次的压力波频率远低于一次压力波,一方面,由于气泡坍缩过程中体积的缓慢收缩导致二次压力波的压力渐进变化;另一方面,电弧通道膨胀溅射出许多小气泡会以不同的频率脉动,导致二次压力波频率分布更宽。


2)反射压力波形:反射压力波形中出现了明显的负压信号,主要是因为压力波传播至油上方空气界面时产生了反射稀疏波。当正压压力波在从高阻抗介质(绝缘油)传播到低阻抗介质(空气)的界面时,由于介质间声阻抗的显著差异会产生反射稀疏波,这一过程可以通过波动方程的边界条件和相位反转现象解释。

图2 典型油中脉冲电弧放电压力波波形(传感器距放电中心20cm)


3、电极间距对油中电弧产压的影响

电极间距对压力波和气泡形态有显著影响。较小间距时,压力波呈点源波,气泡形状接近球形(图3);随着间距增大,压力波由球面波转变为柱面波,气泡体积也增大,形态趋向椭球形。在较大间距下,气泡坍缩时会产生多点压力波叠加,并溅射出小气泡,进一步增加了压力波的波前厚度。


图3 不同电极间隙下压力波与气泡的纹影图像






结论





1、在微秒时间尺度内,油中电弧通道迅速膨胀并压缩液体介质,产生一系列激波,叠加形成高频一次压力波;放电过程产生的气泡经历多个膨胀和坍缩循环,溃散时产生二次压力波,其压强更高、频率更低(5 kHz);当压力波传播至油与空气接触面时,因声阻抗的巨大差异,产生负压稀疏波。


2、随电极间距增加,油中一次压力波波前形态由点源波转变为柱面波;衰减振荡阶段伴生气泡的体积随间隙距离(电弧长度)同步增大,在坍缩过程中受电极金属壁面和气泡内部压力不均影响。


引文信息:

李元 , 王亚桢 , 施沛澍 , 等. 变压器油中脉冲电弧放电压力波的产生过程研究[J]. 高电压技术. 2024, 50(10): 4349-4357 


作者及团队介绍





李元,西安交通大学电气工程学院副教授、博士生导师,荷兰埃因霍温理工大学访问学者,兼任《电工技术》执行编委、中电协特定环境电气设备试验与安全评价标准化委员会委员。主要研究方向为气液介质高压放电机理与应用、电力设备状态感知与智能预警技术等。近五年以第一或通讯作者在Carbon、PSST、High Voltage、中国电机工程学报等国内外期刊发表论文40余篇,授权中国发明专利15项。牵头制定近红外检测技术相关电力行业标准DL/T 2410-2021,获省部级科技进步二等奖及陕西省高等学校优秀成果一等奖等奖项。


张冠军,西安交通大学领军学者教授,高电压与等离子体中心主任,国家杰出青年基金和全国优秀博士论文获得者、万人计划科技创新领军人才。主要从事高电压绝缘与放电等离子体技术研究,涉及电气与材料、生物医学、农业和航天等交叉。获教育部首届新世纪优秀人才、霍英东青年教师奖、王宽诚育才奖和师德先进个人,IEEE查特顿青年研究者奖(首位中国学者),获省部级教学和科技奖励10多项等。


西安交通大学“高压放电与等离子体团队”由张冠军教授领衔,团队现有教授5人、副教授/副研究员5人、助理教授1人、工程师2人、在读硕博研究生80余人。团队多年来专注高电压绝缘与放电等离子体领域,开展气、液、固与真空的复合绝缘放电与状态评价、等离子体技术研究与工程应用,涉及电气工程与材料、航天、生物医学、农业和国防等多个领域和学科交叉。




责编:曾文君



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