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由于良好的電氣和熱力學(xué)特征，礦物絕緣油被廣泛應(yīng)用于多類主電力設(shè)備中，主要承擔(dān)保障電力設(shè)備絕緣強(qiáng)度和散熱的功能，因此油品質(zhì)量優(yōu)劣直接決定電力設(shè)備安全和電力系統(tǒng)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(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)，研究重點(diǎn)主要集中在油品老化特性、油流帶電特性、油紙絕緣結(jié)構(gòu)電氣特性、新配方體系油品研發(fā)等幾個(gè)方面。

在工程中，由于受多種因素影響，絕緣油不可避免地會(huì)引入雜質(zhì)相，所引入的雜質(zhì)相將和絕緣油構(gòu)成分散體系并隨油品流動(dòng)，雜質(zhì)相的自身理化屬性、濃度分布、聚集形態(tài)、界面結(jié)構(gòu)等諸多因素將直接影響混合體系下絕緣油的整體特性，進(jìn)而對(duì)電力設(shè)備可靠性產(chǎn)生影響?？紤]到絕緣油所承擔(dān)的電氣載荷和流動(dòng)散熱的兩大基本屬性，應(yīng)該將其視為具有兩相流流體特征的介質(zhì)材料，并從流、電、熱多物理場下流體動(dòng)力學(xué)行為的角度去開展研究工作，以便深入揭示雜質(zhì)相的物相分布和運(yùn)動(dòng)形態(tài)，并基于此進(jìn)一步深化關(guān)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(yùn)行及維護(hù)階段受到污染，導(dǎo)致油中出現(xiàn)不同種類的雜質(zhì)顆粒物。1969年，S. Palmer和W. A. Sharpley就已經(jīng)提出絕緣油中存在雜質(zhì)顆粒物是不可避免的基本事實(shí)。T. J. Gallagher在1975年的報(bào)告中也寫道盡管通過嚴(yán)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(xiàn). Abgrall和J. M. Cardon通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了顆粒物污染會(huì)嚴(yán)重影響變壓器油的介電強(qiáng)度。

從物相角度，常見雜質(zhì)相包括金屬顆粒、氣泡、水分、纖維和紙屑等，不同的污染方式?jīng)Q定了物相的類屬。而從流體力學(xué)角度，所混入的各類雜質(zhì)粒子將和絕緣油本體形成相對(duì)穩(wěn)定的分散體系，在絕緣油循環(huán)流動(dòng)形態(tài)下，雜質(zhì)相顆粒物的物理屬性、受力條件將直接決定其運(yùn)動(dòng)過程中因碰撞、團(tuán)聚、群集行為所導(dǎo)致的濃度分布。

從電介質(zhì)物理角度，雜質(zhì)相顆粒物將引入新的群體性界面結(jié)構(gòu)，從而對(duì)油品中靜電荷的形成及遷移產(chǎn)生影響，致使電場分布發(fā)生明顯畸變，進(jìn)一步對(duì)油品絕緣特性和老化機(jī)理產(chǎn)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(huì)影響顆粒物的濃度分布，另一方面，電場中顆粒物會(huì)因?yàn)楹呻?、極化等效應(yīng)而受到電作用力，也會(huì)影響其濃度分布，而雜質(zhì)相顆粒物濃度分布又反過來導(dǎo)致局部電場進(jìn)一步畸變并對(duì)其自身受力產(chǎn)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(dòng)態(tài)平衡過程，具有明顯的流、電、熱耦合特征。

西安交通大學(xué)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(nèi)外有關(guān)流-固兩相流和含固體雜質(zhì)油流基本特性的研究現(xiàn)狀。并基于油中雜質(zhì)相顆粒來源、針對(duì)受力、流-固耦合模型、運(yùn)動(dòng)特性觀測及油品電氣特性等相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)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(lǐng)域的研究無論是在理論分析、數(shù)值模擬還是實(shí)驗(yàn)觀測上仍存在許多問題需要進(jìn)一步探索。他們對(duì)此總結(jié)并展望如下：

1）工程實(shí)際中染污絕緣油雜質(zhì)相組成復(fù)雜

依據(jù)污染物來源可知，油中雜質(zhì)相種類多、含量差別大、理化屬性各異，在油中的運(yùn)動(dòng)特性及對(duì)油品影響也各不相同。針對(duì)油中固相雜質(zhì)，目前的檢測主要依靠測定不同尺寸顆粒數(shù)目來對(duì)污染度進(jìn)行定級(jí)，無法有效地區(qū)分顆粒屬性不同帶來的影響，需進(jìn)一步對(duì)油中物相組成及不同屬性顆粒對(duì)油品的影響進(jìn)行研究，完善絕緣油檢測標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，水分、氣泡等也會(huì)導(dǎo)致油品絕緣特性劣化、介電損耗增加，這也是后續(xù)需要關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

2）油中雜質(zhì)相受力分析是研究其運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)鍵命題

在工程中，油內(nèi)雜質(zhì)相粒子的存在背景為流、電、熱多物理場耦合環(huán)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(shí)仍需進(jìn)一步探索顆粒形狀、顆粒荷電過程和時(shí)變特性以及偶極子和粒子群對(duì)雜質(zhì)相受力的影響。

3）關(guān)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(jìn)行分析，研究主要集中在氣固兩相流和單一物理場環(huán)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(tuán)聚行為、壁面碰撞效應(yīng)以及流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜性對(duì)顆粒群運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響也是后續(xù)數(shù)值模擬研究中的關(guān)鍵問題。

4）運(yùn)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)觀測是研究油中雜質(zhì)相顆粒動(dòng)力學(xué)行為的重要手段

目前使用的CCD、LDV或PIV等技術(shù)大多基于二維成像方式，具有一定局限性。而PIV技術(shù)的多點(diǎn)測量功能可實(shí)現(xiàn)三維流場拍攝，為了真實(shí)反映設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的影響，如何將PIV技術(shù)應(yīng)用于三維結(jié)構(gòu)中的粒子運(yùn)動(dòng)研究也是后續(xù)研究的熱點(diǎn)。

5）目前針對(duì)雜質(zhì)相顆粒的運(yùn)動(dòng)特性及對(duì)絕緣油電氣特性影響研究多以單一雜質(zhì)相進(jìn)行分析，與實(shí)際染污絕緣油的運(yùn)行工況存在距離，絕緣油的電氣性能與油中雜質(zhì)相顆粒的屬性、含量和分布狀態(tài)密切相關(guān)，不同屬性雜質(zhì)顆粒對(duì)油品的絕緣強(qiáng)度影響程度不同，且在流動(dòng)過程中雜質(zhì)相顆?？赡軙?huì)發(fā)生積聚或分散導(dǎo)致濃度分布不均，因此，顆粒屬性不同和積聚形態(tài)差異如何影響油品的電氣特性也將成為后續(xù)研究的重點(diǎn)之一。

本文編自2022年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“多物理場中染污絕緣油內(nèi)雜質(zhì)相動(dòng)力學(xué)行為研究綜述”，作者為賀博、王鵬 等。