变压器多物理场下针板电极气泡动态演化模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法及系统，包括：建立针板电极模型，针板电极模型包括容纳有绝缘油的容器，容器内安装相对设置的针电极和板电极，板电极上表面设置绝缘纸；设定针电极表面的电压，采集该电压下针板电极模型的针电极放电过程中流体数据和材料属性参数；基于针板电极模型的结构设置边界条件；选定计算域并对所述计算域进行网格划分；基于流体数据、材料属性参数、边界条件和计算域，构建多耦合场气泡动力模型，用于变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟，能够模拟单体悬浮气泡在工频周期内随电压幅值的速度分量变化与形体伸缩改变，诠释多场耦合下变压器油内气泡对放电的空间演变影响。演变影响。演变影响。

【技术实现步骤摘要】
变压器多物理场下针板电极气泡动态演化模拟方法及系统


[0001]本专利技术属于电力装备
，具体涉及变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]电力变压器的重要构件普遍采用油
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纸复合绝缘，其中变压器油起着绝缘和冷却的作用，其品质对油纸绝缘性能有很大影响。变压器油内频繁的局部放电会以传热形式使变压器油逐渐升温，发生裂解而产生新的气体，当绝缘油中气体溶解度达到饱和时，就会形成微型气泡，气泡的存在会加速空间电场畸变，使得放电沿气体通道发生击穿，这种循环性的正向反馈作用使得油中气泡数量越聚越多，放电因此愈发剧烈对绝缘造成不可逆的严重损伤，将破坏运行设备以及电力系统的稳定性和可靠性。因此，有必要对悬浮气泡的运动与形变特性开展深入研究，解析其中的缓变累积效应。
[0004]近年来，国内外学者通过现场试验、模拟试验等方式对各种形式的气泡产生机理、物理特性、运动规律等开展了一系列的研究，取得了较为丰富的研究成果。伊朗大不里士大学热流体流动通过对高速视频图像(600fps)进行数字处理，研究了均匀和非均匀直流电场对单个粗泡在介质中上升的运动和变形的影响；澳大利亚莫纳什大学NickLelekakis等人研究了植物油浸渍纸系统过载时气泡的形成，并将结果与之前使用类似测试设备和方法研究的矿物油进行了比较；日本电力工业中央研究院的TadashiAmakawa等人分析了气泡体积对电弧能量的影响，给出了单位能量所产生的气泡体积，针对空气绝缘油两相密闭容器中绝缘油中电弧引起的压力升高现象，研究了绝缘油中电弧产生的气泡与气液相压力的关系；印度科学研究所的GauravTomar等人使用耦合的水平集和流体体积方法对两相流耦合的气泡进行了数值模拟，研究了交流电场频率对小孔和针头处气泡形成过程的影响[49]；日本日立集团的ToshiakiRokunohe等人建立了变压器绝缘结构模型，研究了局部放电发生与气泡产生之间的相互作用以及多次雷击后气泡的产生对局部放电发生的影响；夫连耶夫水力发电研究所的Korobeynikov等人对均匀电场作用下变压器油中气泡的变形进行了实验研究，基于晶格玻尔兹曼方程方法建立了此过程电流体流动的模型，研究了局部放电后不同的单个浮动气泡的动力学过程；意大利比萨洛萨大学能源与系统工程系的DiMarco等人对气泡分离的原始实验进行了分析，通过有限元方法计算了上升气泡的电作用力，阐明了不同机制对两相流体电液动力学的增强的作用。
[0005]综上所述，现阶段对液相悬浮气泡的相应研究大多以实验与仿真建模为主。然而在气泡实验的观测研究方面，现有实验研究的油内气泡多为探针或气泡发生器连串注射生成，这种人为干预产生的气泡动态变化与真实工况下悬浮气泡的自然运动差异较大，且实验多以单体气泡的形成过程作为研究重点，对气泡生成后的运动与形变规律却鲜有描述；在气泡仿真模型的设计方面，现有模型多以单一场作为气泡的有限元仿真环境，而实际工
况下的气泡处于交变电场、重力场及层流液相场耦合而成的多物理场中，多气泡之间常常发生聚并融合反应，其对局部放电的影响在现有的实验中无法进行分析获得。
[0006]由此可知，当前油内悬浮气泡的动态研究背景不符合实际变压器油纸绝缘内的多耦合场环境，更多的单体气泡与复数气泡的迁移形变规律仍处于初步探索阶段，其与局部放电击穿的密切相关性尚未细致诠释，如何对变压器多耦合物理场下的针板电极气泡进行仿真模拟，以获取多场耦合下变压器油内气泡对放电的空间演变影响是需要解决技术难题。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决上述问题，提出了变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法及系统，建立了变压器多耦合物理场下的针板电极气泡动力模型，对比了实验和仿真得到的单体悬浮气泡迁移轨迹，验证了模型的可靠性；模拟了单体悬浮气泡在工频周期内随电压幅值的速度分量变化与形体伸缩改变，分析了迁移过程中电致伸缩力在气泡内外形成压强的波动规律；模拟了针电极附近强场区的多气泡的容并吸收过程，分析了气体通道形成时周围液相压强与空间电场分布变化，诠释了多场耦合下变压器油内气泡对放电的空间演变影响。
[0008]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提供了变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法，包括：
[0009]建立针板电极模型，针板电极模型包括容纳有绝缘油的容器，容器内安装相对设置的针电极和板电极，板电极上表面设置绝缘纸；
[0010]设定针电极表面的电压，采集该电压下针板电极模型的针电极放电过程中流体数据和材料属性参数；
[0011]基于针板电极模型的结构设置边界条件；
[0012]选定计算域并对所述计算域进行网格划分；
[0013]基于流体数据、材料属性参数、边界条件和计算域，构建多耦合场气泡动力模型，用于变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟。
[0014]第二方面，本专利技术提供了变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟系统，包括：
[0015]针板电极模块，包括容纳有绝缘油的容器，容器内安装相对设置的针电极和板电极，板电极上表面设置绝缘纸；
[0016]实验数据采集观测模块，用于设定针电极表面的电压，并采集该电压下针板电极模型的针电极放电过程中流体数据和材料属性参数；
[0017]气泡动态演化模拟模块，基于针板电极模型的结构设置边界条件；选定计算域并对所述计算域进行网格划分；基于流体数据、材料属性参数、边界条件和计算域，构建多耦合场气泡动力模型，用于变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0019]1、本专利技术通过建立针板电极模型，针板电极模型包括容纳有绝缘油的容器，容器内安装相对设置的针电极和板电极，板电极上表面设置绝缘纸，基于流体数据、材料属性参数、边界条件和计算域，构建多耦合场气泡动力模型，对变压器多物理场下的针板电极气泡
动态演化模拟，对比了实验和仿真得到的单体悬浮气泡迁移轨迹，验证了模型的可靠性；模拟了单体悬浮气泡在工频周期内随电压幅值的速度分量变化与形体伸缩改变，分析了迁移过程中电致伸缩力在气泡内外形成压强的波动规律；模拟了针电极附近强场区的多气泡的容并吸收过程，分析了气体通道形成时周围液相压强与空间电场分布变化，诠释了多场耦合下变压器油内气泡对放电的空间演变影响，解决了如何对变压器多耦合物理场下的针板电极气泡进行仿真模拟的技术问题。
[0020]2、本专利技术为分析微型气泡的存在对电极周围空间的影响，建立纵向排列的三气泡聚并模型，三气泡聚并模型为在多耦合场气泡动力模型中设置三个半径依次递减的正圆气泡并按球心径向排列，通过流体体积分数在设定时间内发生的变化，分析微型气泡的存在对电极周围空间的影响。
[0021]3、本专利技术提供了研究气泡在交变电场、流体相场、重力场综合作用下的复杂动态过程，建立了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法，其特征在于，包括：建立针板电极模型，针板电极模型包括容纳有绝缘油的容器，容器内安装相对设置的针电极和板电极，板电极上表面设置绝缘纸；设定针电极表面的电压，采集该电压下针板电极模型的针电极放电过程中流体数据和材料属性参数；基于针板电极模型的结构设置边界条件；选定计算域并对所述计算域进行网格划分；基于流体数据、材料属性参数、边界条件和计算域，构建多耦合场气泡动力模型，用于变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟。2.如权利要求1所述的变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法，其特征在于，所述多耦合场气泡动力模型的流动系统由绝缘油和气泡两相流体物质组成，在两相流
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相场界面的领域内通过纳维
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斯托克斯方程表征系统的流体动力学特征。3.如权利要求1所述的变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法，其特征在于，所述多耦合场气泡动力模型采用相场法得到的卡恩
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希利亚德方程，用于描述并区分气液两相流体界面的变化。4.如权利要求1所述的变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法，其特征在于，所述多耦合场气泡动力模型的电场与两相流
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相场耦合的电动力由麦克斯韦应力张量以散度形式表示。5.如权利要求1所述的变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法，其特征在于，所述计算域的选择采用针尖与针板电极的金属表面间的铅垂线设置为网格控制边。6.如权利要求1所述的变压器多物理场下的针板电极气泡动态演化模拟方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙飞，刘磊，张飞，张勇，葛志杰，刘俊杰，周利兵，杜兆广，温锦韬，袁曼曼，刘洪顺，张子越，王一凡，张启昭，
申请(专利权)人：国家电网有限公司直流技术中心山东大学，
类型：发明
国别省市：