天然酯绝缘油中流注温度数值解析及气液两相放电仿真模型研究

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液体电介质中流注放电通道温度分布对带电粒子产生与消散过程具有显著影响,但流注放电通道温度分布测量十分困难。本文针对天然酯绝缘油中流注放电数值仿真需要,研究了流注放电通道温度分布的数值解析方法,分析了天然酯绝缘油中流注放电气液两相特性,对气液两相流注放电展开数值仿真研究,主要内容包括:(1)研究了天然酯绝缘油中流注放电的漫反射光路阴影成像方法。开展了天然酯绝缘油中流注放电超高速照相试验研究,针对平行光路与棱锥分光式超高速分幅相机难以兼容的问题,提出了油中流注放电阴影法成像光路改进方法,采用漫反射光源提升成像性能,显著提高了油中流注放电图像数据质量。搭建了改进的油中流注放电阴影法测量系统,获取了大量高质量油中流注放电图像数据,为更好地认知流注演变行为及特征、揭示流注发展机理提供了试验技术支撑。(2)研究了天然酯绝缘油中流注放电通道温度分布解析方法。通过分析流注放电阴影法成像光路,推导获得了流注放电通道折射率与流注图像灰度的关系方程组,利用有限差分法对流注放电通道折射率分布进行求解。获得了流注放电通道图像灰度、折射率、温度、分子数密度等参数间的本构关系,分析了影响流注放电通道折射率的影响因素及其影响规律,建立了流注放电通道折射率与温度的映射关系。分析结果表明,与分子解离、电子及正离子的数密度增大相比,温升对降低流注折射率作用显著。(3)研究了气液两相流注放电的电离源项数学模型。采用Reax FF反应力场模拟分析了甘油三酯分子在不同温度下解离产物,获得了流注通道气体分子相对数量占比以及流注通道质量密度,建立了描述气液两相流注放电离子迁移率、场电离速率、碰撞电离速率等参数随温度变化的数学模型;分析了气液两相流注发光通道的演变特性,利用高斯函数构建了气液两相流注放电的光电离源项。研究结果表明,流注发展速度的波动行为与流注气相状态下的带电粒子迁移率和临界温度密切相关,光电离促进流注沿轴向快速发展,改进的气液两相电离源项合理。(4)开展了天然酯绝缘油中气液两相流注放电数值仿真研究。在传统流注放电数学模型基础上,根据流注放电通道液态到气液两相的转变特性,研究并建立了气液两相流注放电数值仿真模型,引入流注放电气液两相电离源项,对天然酯绝缘油中流注放电进行了仿真,通过调整电离源项研究了温度对流注放电行为的影响规律。仿真及分析结果表明,气液两相流注放电模型实现了对油中流注分支演变行为的模拟,比传统模型能更好地反映实测流注放电图像数据。通过上述理论分析和试验研究,提出了基于天然酯绝缘油中流注放电通道折射率的温度分布解析方法,建立了流注放电通道折射率与温度的映射关系;提出了气液两相流注放电通道的电离源项数学模型,建立了气液两相流注放电数值仿真模型,实现了油中流注分支行为的数值仿真,符合实际油中流注放电特征。本文工作对于推动液体电介质放电计算的科学研究具有科学价值,同时为提升天然酯绝缘油电气性能研究提供数值计算方法支撑。
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