- 頭條西安交大專家發表多物理場中染污絕緣油內雜質相動力學行為的綜述2022-06-06 作者：賀博、王鵬 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語固體顆粒物染污是導致絕緣油品質劣化的重要原因之一。雜質相顆粒的理化屬性和濃度分布會從微觀界面效應、電場分布等方面對絕緣油的電氣性能構成影響。電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）、西安西電變壓器有限責任公司、動力工程多相流國家重點實驗室（西安交通大學）的研究人員賀博、王鵬、吳鍇、胡小博、楊冬，在2022年第1期《電工技術學報》上撰文，從近年來國內外學者所發表的有關流-固兩相流和含雜質油流基本特性領域研究成果出發，分析油中雜質相顆粒的來源、受力、流-固耦合模型、運動特性觀測及油品電氣特性等方面的研究進展和存在的問題。 他們從理論模型、數值模擬和實驗觀測三個角度出發，提煉出流、電、熱多物理場耦合作用下含雜質油流領域研究動向和關鍵問題，以期為建立多場耦合和多雜質物相下油-流介質的綜合動力學方程，揭示固相影響作用和過程機理，以及為染污絕緣油研究工作提供借鑒。
由于良好的電氣和熱力學特征，礦物絕緣油被廣泛應用于多類主電力設備中，主要承擔保障電力設備絕緣強度和散熱的功能，因此油品質量優劣直接決定電力設備安全和電力系統可靠性。長期以來，開展絕緣油理化、電氣特性的研究一直是業內關注的熱點，研究重點主要集中在油品老化特性、油流帶電特性、油紙絕緣結構電氣特性、新配方體系油品研發等幾個方面。
在工程中，由于受多種因素影響，絕緣油不可避免地會引入雜質相，所引入的雜質相將和絕緣油構成分散體系并隨油品流動，雜質相的自身理化屬性、濃度分布、聚集形態、界面結構等諸多因素將直接影響混合體系下絕緣油的整體特性，進而對電力設備可靠性產生影響。考慮到絕緣油所承擔的電氣載荷和流動散熱的兩大基本屬性，應該將其視為具有兩相流流體特征的介質材料，并從流、電、熱多物理場下流體動力學行為的角度去開展研究工作，以便深入揭示雜質相的物相分布和運動形態，并基于此進一步深化關于混合體系下油品電氣特性的研究。
以目前在電氣工程上廣泛采用的油浸式電力變壓器為例，在工程中，絕緣油很容易在變壓器制造、運行及維護階段受到污染，導致油中出現不同種類的雜質顆粒物。1969年，S. Palmer和W. A. Sharpley就已經提出絕緣油中存在雜質顆粒物是不可避免的基本事實。T. J. Gallagher在1975年的報告中也寫道盡管通過嚴格的過濾控制手段，絕緣油中的微小顆粒物仍然存在。1975年，F. Abgrall和J. M. Cardon通過實驗證實了顆粒物污染會嚴重影響變壓器油的介電強度。
從物相角度，常見雜質相包括金屬顆粒、氣泡、水分、纖維和紙屑等，不同的污染方式決定了物相的類屬。而從流體力學角度，所混入的各類雜質粒子將和絕緣油本體形成相對穩定的分散體系，在絕緣油循環流動形態下，雜質相顆粒物的物理屬性、受力條件將直接決定其運動過程中因碰撞、團聚、群集行為所導致的濃度分布。
從電介質物理角度，雜質相顆粒物將引入新的群體性界面結構，從而對油品中靜電荷的形成及遷移產生影響，致使電場分布發生明顯畸變，進一步對油品絕緣特性和老化機理產生影響。
由于絕緣油工作在熱場、電場的共同作用下，一方面，溫度梯度會影響顆粒物的濃度分布，另一方面，電場中顆粒物會因為荷電、極化等效應而受到電作用力，也會影響其濃度分布，而雜質相顆粒物濃度分布又反過來導致局部電場進一步畸變并對其自身受力產生影響，因此最終顆粒物的濃度分布是集合流體、電場、熱場相互作用的動態平衡過程，具有明顯的流、電、熱耦合特征。
西安交通大學等單位的科研人員以固體顆粒物染污絕緣油為背景，綜述了國內外有關流-固兩相流和含固體雜質油流基本特性的研究現狀。并基于油中雜質相顆粒來源、針對受力、流-固耦合模型、運動特性觀測及油品電氣特性等相關研究進展進行了匯總和分析，梳理了流、電、熱多物理場耦合作用下液-固兩相流的研究思路。
然而，科研人員指出，該領域的研究無論是在理論分析、數值模擬還是實驗觀測上仍存在許多問題需要進一步探索。他們對此總結并展望如下：
1）工程實際中染污絕緣油雜質相組成復雜
依據污染物來源可知，油中雜質相種類多、含量差別大、理化屬性各異，在油中的運動特性及對油品影響也各不相同。針對油中固相雜質，目前的檢測主要依靠測定不同尺寸顆粒數目來對污染度進行定級，無法有效地區分顆粒屬性不同帶來的影響，需進一步對油中物相組成及不同屬性顆粒對油品的影響進行研究，完善絕緣油檢測標準。除此之外，水分、氣泡等也會導致油品絕緣特性劣化、介電損耗增加，這也是后續需要關注的熱點問題。
2）油中雜質相受力分析是研究其運動特性的關鍵命題
在工程中，油內雜質相粒子的存在背景為流、電、熱多物理場耦合環境，其受力情況受三種基本場的制約。近些年研究主要考慮了流場、電場作用，極少引入熱場影響。另外，在分析顆粒受力時仍需進一步探索顆粒形狀、顆粒荷電過程和時變特性以及偶極子和粒子群對雜質相受力的影響。
3）關于流-固兩相流耦合模型研究
近些年多采用TFM、DNS和DPM等三種模型進行分析，研究主要集中在氣固兩相流和單一物理場環境下的耦合模擬。由于各類模型本身的局限性，如何全面考慮顆粒理化屬性、團聚行為、壁面碰撞效應以及流場結構復雜性對顆粒群運動規律的影響也是后續數值模擬研究中的關鍵問題。
4）運動特性實驗觀測是研究油中雜質相顆粒動力學行為的重要手段
目前使用的CCD、LDV或PIV等技術大多基于二維成像方式，具有一定局限性。而PIV技術的多點測量功能可實現三維流場拍攝，為了真實反映設備內部復雜結構帶來的影響，如何將PIV技術應用于三維結構中的粒子運動研究也是后續研究的熱點。
5）目前針對雜質相顆粒的運動特性及對絕緣油電氣特性影響研究多以單一雜質相進行分析，與實際染污絕緣油的運行工況存在距離，絕緣油的電氣性能與油中雜質相顆粒的屬性、含量和分布狀態密切相關，不同屬性雜質顆粒對油品的絕緣強度影響程度不同，且在流動過程中雜質相顆粒可能會發生積聚或分散導致濃度分布不均，因此，顆粒屬性不同和積聚形態差異如何影響油品的電氣特性也將成為后續研究的重點之一。
本文編自2022年第1期《電工技術學報》，論文標題為“多物理場中染污絕緣油內雜質相動力學行為研究綜述”，作者為賀博、王鵬 等。
