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《Model moisture transport in oil-paper insulation of transformer: Theory and experiment》
题目：变压器油纸绝缘中水分迁移建模：理论与实验
作者：周俊杰，吴治诚，郭怡冉，张锐，朱文兵，张乔根
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在运行条件下，变压器内部存在着包括温度、电场在内的多物理场，这些物理场形成驱动势，使水分随着场的变化而不断迁移。其中温度梯度在纸中形成蒸气压梯度引起水分迁移，而电场会促进电渗，驱动水分移动。油纸中的水分总是处于动态变化中，很难达到平衡，现有的稳态测量方法，如卡尔费休法，无法表征水分的动态变化。因此，提出水分迁移计算模型，准确获取多物理场下绝缘材料内水分迁移特性，对评估局部受潮风险具有重要作用。
本研究建立了温度和电场作用下绝缘纸中水分动态迁移计算模型，可为变压器内部水分积累和局部受潮提供指导，为评估放电风险提供参考。
1） 水分迁移热湿耦合模型
温度、电场和水分三者之间存在复杂的耦合关系，温度差异形成蒸气压梯度，驱动水分迁移。在电场作用下，水合阳离子附着在绝缘纸内部的毛细微管、孔壁和通道壁上，在直流电场作用下可发生迁移，且与电位梯度呈正相关。水分迁移可以传导热量，改变传热和电场分布的参数，温度和电场也通过这些参数相互影响。结合上述耦合关系，建立了如图1所示的多物理模型。
图1 水分、电场、温度耦合多物理场模型概述
首先，水分与温度的耦合关系包括水分相变吸热和迁移过程中的传热，而温度变化通过改变油层中的蒸气压来影响水分的平衡分布和迁移速度；水分与电场的关系为水分含量改变油层电导率影响电场分布，电场为水分迁移提供驱动力。电场与温度的耦合关系包括受温度影响的电导率和电磁热。考虑所有耦合关系的模型可以实现水分动态分布的计算，例如在类正弦温度变化条件下，水分分布趋势与温度相反，滞后于温度变化数小时，形成水分的动态演化，同时还可以计算温度梯度的不均匀分布。
模型的控制方程及边界条件如下：
2） 模型参数测量
本文选取换流变围屏的绝缘纸板作为研究对象，确定了其参数。通过实验测量了蒸汽渗透率、热导率和边界系数，以前的研究中尚未有相关测量结果。测量方法也适用于变压器其他部位的绝缘纸。
图3 蒸汽渗透率以及热导率测量
3）模型实验验证
在温度梯度下进行了两次水分稳态分布试验，结果如图4所示。
图4 温度梯度下不均匀水分分布的实验装置及结果
实验与仿真结果均表明在温度梯度作用下，水分具有趋冷效应。高温端蒸汽压高，迫使水分向低温端输送，降低了高温端的绝对水分含量，温度升高导致水分从绝缘纸向油中迁移，降低了绝缘纸内水分含量。不同于Fick定律模型只考虑水分浓度梯度，认为绝缘纸内水分平衡分布始终是均匀的，本研究模型实现了对温度梯度作用下水分不均匀分布的模拟，改进了Fick定律，更符合实际。
结论
本文建立了水分迁移的热湿耦合模型。通过温度梯度下稳态水分不均匀分布实验，验证了模型能够准确表征水分的趋冷效应。通过对水分时空分布的实验，验证了模型可以表征绝缘油纸之间的水分吸附过程以及绝缘纸中水分的动态分布变化。
Zhou, J., et al.: Model moisture transport in oil-paper insulation of transformer: theory and experiment. High Voltage. 9(4), 879–887 (2024).
张乔根，西安交通大学教授，博士生导师，国家重点研发计划首席科学家、国务院特殊津贴获得者、陕西省三秦学者特聘教授、福建省百人计划特聘教授、教育部新世纪优秀人才，主要从事电力设备绝缘与结构设计技术及新一代智能输变电技术等方面的研究工作。主持过国家自然科学基金3项，国防预研项目2项，完成局部放电监测、高压试验等方面课题多项，出版“高电压技术”、“高电压工程基础”教材2本。近5年来，获得陕西省、江苏省等省部级科技进步一等奖3项、二等奖2项，获得授权发明专利20余项。
吴治诚，西安交通大学副教授，硕士生导师。主要从事GIS/GIL设备绝缘可靠性评估与提升、高性能环保型电工环氧材料制备与研发、电力设备状态评估的先进传感技术等方面的研究工作。
周俊杰，博士研究生，主要从事变压器油纸绝缘放电特性与声发射传感检测的研究工作。
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