西安交通大学科研人员发表多物理场中染污绝缘油内杂质相动力学行为的研究综述

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固体颗粒物染污是导致绝缘油品质劣化的重要原因之一。杂质相颗粒的理化属性和浓度分布会从微观界面效应、电场分布等方面对绝缘油的电气性能构成影响。电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）、西安西电变压器有限责任公司、动力工程多相流国家重点实验室（西安交通大学）的研究人员贺博、王鹏、吴锴、胡小博、杨冬，在2022年第1期《电工技术学报》上撰文，从近年来国内外学者所发表的有关流-固两相流和含杂质油流基本特性领域研究成果出发，分析油中杂质相颗粒的来源、受力、流-固耦合模型、运动特性观测及油品电气特性等方面的研究进展和存在的问题。

他们从理论模型、数值模拟和实验观测三个角度出发，提炼出流、电、热多物理场耦合作用下含杂质油流领域研究动向和关键问题，以期为建立多场耦合和多杂质物相下油-流介质的综合动力学方程，揭示固相影响作用和过程机理，以及为染污绝缘油研究工作提供借鉴。

由于良好的电气和热力学特征，矿物绝缘油被广泛应用于多类主电力设备中，主要承担保障电力设备绝缘强度和散热的功能，因此油品质量优劣直接决定电力设备安全和电力系统可靠性。长期以来，开展绝缘油理化、电气特性的研究一直是业内关注的热点，研究重点主要集中在油品老化特性、油流带电特性、油纸绝缘结构电气特性、新配方体系油品研发等几个方面。

在工程中，由于受多种因素影响，绝缘油不可避免地会引入杂质相，所引入的杂质相将和绝缘油构成分散体系并随油品流动，杂质相的自身理化属性、浓度分布、聚集形态、界面结构等诸多因素将直接影响混合体系下绝缘油的整体特性，进而对电力设备可靠性产生影响。考虑到绝缘油所承担的电气载荷和流动散热的两大基本属性，应该将其视为具有两相流流体特征的介质材料，并从流、电、热多物理场下流体动力学行为的角度去开展研究工作，以便深入揭示杂质相的物相分布和运动形态，并基于此进一步深化关于混合体系下油品电气特性的研究。

以目前在电气工程上广泛采用的油浸式电力变压器为例，在工程中，绝缘油很容易在变压器制造、运行及维护阶段受到污染，导致油中出现不同种类的杂质颗粒物。1969年，S. Palmer和W. A. Sharpley就已经提出绝缘油中存在杂质颗粒物是不可避免的基本事实。T. J. Gallagher在1975年的报告中也写道尽管通过严格的过滤控制手段，绝缘油中的微小颗粒物仍然存在。1975年，F. Abgrall和J. M. Cardon通过实验证实了颗粒物污染会严重影响变压器油的介电强度。

从物相角度，常见杂质相包括金属颗粒、气泡、水分、纤维和纸屑等，不同的污染方式决定了物相的类属。而从流体力学角度，所混入的各类杂质粒子将和绝缘油本体形成相对稳定的分散体系，在绝缘油循环流动形态下，杂质相颗粒物的物理属性、受力条件将直接决定其运动过程中因碰撞、团聚、群集行为所导致的浓度分布。

从电介质物理角度，杂质相颗粒物将引入新的群体性界面结构，从而对油品中静电荷的形成及迁移产生影响，致使电场分布发生明显畸变，进一步对油品绝缘特性和老化机理产生影响。由于绝缘油工作在热场、电场的共同作用下，一方面，温度梯度会影响颗粒物的浓度分布，另一方面，电场中颗粒物会因为荷电、极化等效应而受到电作用力，也会影响其浓度分布，而杂质相颗粒物浓度分布又反过来导致局部电场进一步畸变并对其自身受力产生影响，因此最终颗粒物的浓度分布是集合流体、电场、热场相互作用的动态平衡过程，具有明显的流、电、热耦合特征。

西安交通大学等单位的科研人员以固体颗粒物染污绝缘油为背景，综述了国内外有关流-固两相流和含固体杂质油流基本特性的研究现状。并基于油中杂质相颗粒来源、针对受力、流-固耦合模型、运动特性观测及油品电气特性等相关研究进展进行了汇总和分析，梳理了流、电、热多物理场耦合作用下液-固两相流的研究思路。

然而，科研人员指出，该领域的研究无论是在理论分析、数值模拟还是实验观测上仍存在许多问题需要进一步探索。他们对此总结并展望如下：

1）工程实际中染污绝缘油杂质相组成复杂。依据污染物来源可知，油中杂质相种类多、含量差别大、理化属性各异，在油中的运动特性及对油品影响也各不相同。针对油中固相杂质，目前的检测主要依靠测定不同尺寸颗粒数目来对污染度进行定级，无法有效地区分颗粒属性不同带来的影响，需进一步对油中物相组成及不同属性颗粒对油品的影响进行研究，完善绝缘油检测标准。除此之外，水分、气泡等也会导致油品绝缘特性劣化、介电损耗增加，这也是后续需要关注的热点问题。

2）油中杂质相受力分析是研究其运动特性的关键命题。在工程中，油内杂质相粒子的存在背景为流、电、热多物理场耦合环境，其受力情况受三种基本场的制约。近些年研究主要考虑了流场、电场作用，极少引入热场影响。另外，在分析颗粒受力时仍需进一步探索颗粒形状、颗粒荷电过程和时变特性以及偶极子和粒子群对杂质相受力的影响。

3）关于流-固两相流耦合模型研究，近些年多采用TFM、DNS和DPM等三种模型进行分析，研究主要集中在气固两相流和单一物理场环境下的耦合模拟。由于各类模型本身的局限性，如何全面考虑颗粒理化属性、团聚行为、壁面碰撞效应以及流场结构复杂性对颗粒群运动规律的影响也是后续数值模拟研究中的关键问题。

4）运动特性实验观测是研究油中杂质相颗粒动力学行为的重要手段。目前使用的CCD、LDV或PIV等技术大多基于二维成像方式，具有一定局限性。而PIV技术的多点测量功能可实现三维流场拍摄，为了真实反映设备内部复杂结构带来的影响，如何将PIV技术应用于三维结构中的粒子运动研究也是后续研究的热点。

5）目前针对杂质相颗粒的运动特性及对绝缘油电气特性影响研究多以单一杂质相进行分析，与实际染污绝缘油的运行工况存在距离，绝缘油的电气性能与油中杂质相颗粒的属性、含量和分布状态密切相关，不同属性杂质颗粒对油品的绝缘强度影响程度不同，且在流动过程中杂质相颗粒可能会发生积聚或分散导致浓度分布不均，因此，颗粒属性不同和积聚形态差异如何影响油品的电气特性也将成为后续研究的重点之一。

本文编自2022年第1期《电工技术学报》，论文标题为“多物理场中染污绝缘油内杂质相动力学行为研究综述”，作者为贺博、王鹏 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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