变压器油,工业白油,抗磨液压油专业厂家—淄博勤润

液体电介质的击穿机理是“高电压技术”教学中的重要内容，其中“小桥”击穿是解释含杂质工程用变压器油击穿过程的理论，是电气工程专业学生必须掌握的知识点。“小桥”的形成是诱导工程用变压器油击穿的前提，因此深入理解“小桥”的形成机制对于掌握“小桥”击穿理论具有重要作用，同时有助于建立工程化的思维方式。
在几乎所有与高电压技术相关的教科书中，都有关于“小桥”形成的论述，可概括为：杂质微粒在电场的作用下极化定向，之后排列形成“小桥”。由此可见，“小桥”的形成包括定向和排列两个阶段，但关于这两个阶段内在作用机制的分析教科书中并未涉及。这导致学生在学习这一知识点时，很难理解“小桥”到底是如何形成的，也就是杂质为何会定向，之后因为什么原因又会排列成桥。
另外，经典的“小桥”击穿理论都是假定变压器油处于静止状态，并不涉及油处于流动状态的情形。然而，变压器在实际运行中由于各种冷却装置和温差的作用，绝缘油实际上处于流动状态。可以预见，处于流动状态的油对“小桥”的形成会有显著影响，导致经典的“小桥”击穿理论可能并不适用于流动变压器油。但是，由于相关研究的缺失，在“小桥”击穿理论的教学中常常忽略了油流速度这一重要影响因素的作用。
在“流动状态下工程纯油绝缘介质的放电特性与击穿机理及影响因素研究”（51377181）和“考虑介质阻挡和多状态油流的换流变压器油道内金属微粒运动规律及放电特性”（51977158）两项国家自然科学基金面上项目的资助下，笔者针对流动变压器油中“小桥”形成及其对击穿的影响开展了长期研究，研究成果能够指导“小桥”击穿理论的教学。本文拟首先分析静止变压器油中“小桥”的形成机制，然后探讨流速对“小桥”形成以及击穿特性的影响。
1 静止变压器油中“小桥”形成
以球—球电极之间的含纤维微粒变压器油为研究对象，施加高电压到上电极、下电极接地，保持变压器油静止，首先利用试验手段获得了纤维微粒在加压一段时间后的成桥特性，如图1所示。可以发现，施加电压后，纤维微粒逐渐向间隙中心汇聚，率先在靠近电极处成链。随着加压时间的延长，纤维链汇合，连接形成长链贯通油隙，形成了连接两电极的“小桥”。
进一步，为了厘清“小桥”形成机制，对上述过程进行了仿真分析。建立了固—液两相流模型，其中电极间隙内的变压器油为连续相，纤维微粒为离散相。连续相采用Navier–Stokes方程求解，离散相运动采用Eulerian–Lagrangian方法求解，仿真结果如图2所示。可以看出，加压后纤维微粒先在电极中轴线位置定向排列，之后在靠近电极处形成局部“小桥”，再汇聚形成贯穿整个油隙的“小桥”。仿真与试验结果有很好的比拟性，都证实了“小桥”的形成包含定向和排列两个阶段。
以No.1微粒为对象，计算其在成链过程中的受力情况，如图3所示。在定向阶段，该微粒极化后受到介电泳力（FDEP）的作用（其大小约为300 nN），在此力作用下向高压电极表面运动，与已形成的其他微粒堆相接触。在排列阶段，微粒与微粒间的距离缩短，致使次级介电泳力（FPDEP）和弹性碰撞力（Frep）瞬间增加，同时微粒的速度迅速降低为0并被微粒链吸附，介电泳力、次级介电泳力和反方向的碰撞力相互平衡，维持微粒链的稳定。
2 油流对“小桥”和击穿的影响
2.1 油流速度对“小桥”形成的影响
图4所示为实验观测到的流动变压器油中纤维微粒成桥行为。当流速为5 mm/s时，杂质“小桥”仍然可以在油隙中形成，只是“小桥”在垂直于流速方向发生倾斜。然而，当油流速度增加到40 mm/s后，杂质“小桥”的形成受到抑制，无法观测到贯穿油隙的“小桥”，纤维微粒仅在电极表面形成短链。
进一步，仿真研究了不同流速下微粒的成链特性，如图5所示。当油流速度为5 mm/s时，靠近电极表面的纤维微粒会率先吸附在电极表面上，油隙中间的微粒随着油流迁移至高场强区域，并会逐渐向电极弧顶处的微粒堆上汇聚。在10 s时，油隙形成了完整的微粒长链。由于油流的作用，微粒链沿油流方向发生了些许偏移，偏移处微粒链的厚度相对较低。随着流速升高至40 mm/s后，微粒的迁移速度也随之提高，能够相互吸附的微粒数减少。20 s时，微粒仅能够在球电极弧顶处聚集成堆，但无法形成贯穿油隙的微粒长链。总的说来，仿真与试验有较好的一致性。
从以上试验与仿真结果看出，油流对于纤维微粒的成桥有抑制作用，贯穿油隙的微粒长链无法在流速较高时形成。为了探究流速对于微粒成桥行为的影响机制，计算了纤维微粒小桥上某颗（No.2）微粒的受力情况，如图6所示。位于油隙中心处的纤维微粒主要受到介电泳力（FDEP）、次级介电泳力（FPDEP）、碰撞力（Frep）以及曳力（FD）的作用。水平方向上的油流曳力阻碍了纤维微粒的极化定向与排列成桥。当流速较低时，极化定向阶段微粒所受介电泳力在水平方向上与曳力相互平衡，此时微粒能够排列形成“小桥”。但是，随着流速的进一步升高，曳力显著增加，介电泳力无法抵消其作用，致使纤维微粒的极化定向与排列成桥均被影响，微粒“小桥”无法形成。
2.2 油流速度对击穿电压的影响
图7为不同油流速度下含纤维微粒变压器油的击穿特性。静止时特征击穿电压仅为55.84 kV，当油流速度升高至0.02 m/s时特征击穿电压变化不明显。然而，当流速升高至0.04 m/s及以上时，特征击穿电压显著升高。由此可见，变压器油击穿电压会随着流速的升高而逐步增加。这主要是由于在较高流速下，纤维“小桥”的形成受到抑制，变压器油更不容易发生“小桥”击穿。
3 结语
高电压技术相关的教科书在解释工程用变压器油的“小桥”击穿理论时，都将“小桥”形成机制叙述为杂质微粒在电场的作用下极化定向，之后排列形成“小桥”，并未涉及具体的作用机制，导致学生很难理解。另外，“小桥”击穿理论是以变压器油处于静止状态为前提，这与工程实际不符。
通过含纤维微粒变压器油在静止和运动两种状态下的试验与仿真对比分析，发现微粒的定向主要是因为外加电场的作用，而排列主要是因为微粒之间的相互作用（一般是次级介电泳力）。随着流速的升高，油流对微粒的曳力增加，会影响微粒的定向排列，导致“小桥”形成受到抑制，而击穿电压逐随之升高。