广西大学研究团队对雷电冲击下天然酯的长间隙击穿特性进行仿真模拟得到新思路和新依据（内含作者讲解视频）

阅读提示：本文约 2000 字

天然酯绝缘油变压器因其绿色环保和过载能力强等优势，成为高压大容量电力变压器的重要发展方向，但其在高场强、长间隙下的放电特性及绝缘机理尚未完全明晰。 广西大学的郑含博、杨杭、凤永吉和吕伟杰等以天然酯绝缘油为研究对象，基于电流体动理学方程建立了天然酯流注放电仿真模型，研究了不同雷电冲击电压和放电间隙的流注发展特性及典型分子的电离情况，分析流注模式转换与甘油三酯分子电离的联系，以及油隙对击穿电压的影响。其研究成果可为研究天然酯流注发展特性提供新的思路和依据。

论文简报视频

研究背景

天然酯绝缘油作为一种高燃点、易降解的低碳环保液体电介质，被认为是矿物绝缘油的良好替代品。但是在高压条件下，天然酯存在雷电冲击耐受性不足的缺陷，尤其在局部高场强和大放电间隙下，缺陷更为明显。

当电场强度超过电介质的电气耐受程度时，产生局部放电所形成的预击穿通道被称为流注。天然酯与矿物油在分子结构和成分上存在差异，导致它们在电气性能上表现不同。研究不同雷电冲击电压下天然酯的长间隙击穿特性，有助于为研究天然酯流注发展特性提供新的思路和依据。

论文所解决的问题及意义

针对目前对于天然酯在高场强下击穿特性差的机理以及长间隙下的放电机制尚不清楚，尤其是关于天然酯中甘油三酯分子电离与流注放电联系的研究还相对缺乏。本文利用电流体动力学方程构建了液体介质流注仿真模型。通过计算得到不同雷电冲击电压和放电间隙下的流注发展特性及分子电离情况。为研究天然酯流注发展特性提供新的思路和依据。

论文方法及创新点

1.模型构建

本文采用基于电流体动力学方程的液体介质流注仿真模型，利用流注中载流子的连续介质模型来解释电荷的产生与捕获机制。通过电流连续性方程表征正离子、负离子和电子的产生和捕获过程，通过泊松方程耦合了正负离子密度和电子密度，又引入热扩散方程来模拟液体中温度的变化及油气的产生。而电流体动力学又通过耗散项将电场和温度耦合在一起。

本文选择场致电离作为流注电荷的产生机制，同时利用密度泛函理论和波函数分析，从微观角度研究天然酯主要成分分子的电离性质，在高精度泛函分析中计算出天然酯主要分子液相下的电离能。其中，对电极的设置选取了符合IEC60897标准的针-球电极。

2.结果讨论

2.1 天然酯模型与矿物油模型的流注对比

图1 天然酯流注发展传播过程电场分布形貌

图1展示了流注放电的过程。采用上升时间为100ns的100kV雷电冲击电压，外加电压在间隙产生非均匀的拉普拉斯电场。在场致电离的带电粒子产生机制作用下，甘油三酯分子电离出正离子和电子，受外加电场作用，两者在油中沿着相反方向运动。

由于电子的迁移率要比正离子的迁移率高出大约 10 5 倍，这使得电子迅速离开电离区往阳极运动，留下的正离子形成了空间电荷区。空间电荷区与拉普拉斯电场产生叠加，使得流注沿着z轴往油中更深处发展。

图2 天然酯和矿物油不同电压下流注速度的对比

天然酯和矿物油不同电压下流注速度的对比情况如图2所示。由图可知，天然酯和矿物油在50mm间隙的流注传播速度存在着巨大差异：天然酯流注速度在突破1km/s后持续显著增加并快速突破10km/s，流注迅速完成了从第一模式慢流注到第三模式快流注的转变；而矿物油的流注速度则缓慢上升，当电压达到250kV时流注才转变成快流注，其加速电压是击穿电压的两倍多，具有较强的抵抗高场强快速流注的能力。

2.2 流注发展中不同电离分子的电离情况

图3 天然酯中各甘油三酯分子的电离情况

图3是天然酯中不同电离能的甘油三酯分子在不同电压下的电离情况。图中n1和n2分别代表电离能为7.50eV的甘油三亚油酸酯和电离能为7.62eV的甘油三油酸酯，n3和n4分别代表电离能为8.80eV的甘油三棕榈酸酯和电离能为8.88eV的甘油三硬脂酸酯；z轴是场致电离项的对数值，反映电离分子的电离情况。

2.3 不同间隙的流注发展情况

图4 不同间隙下液体电介质的击穿电压

图4是不同间隙下液体电介质的击穿电压。当放电间隙较小时，天然酯和矿物油的击穿电压相近；而随着间隙增大，天然酯的击穿电压缓慢上升，远远小于矿物油击穿电压。在较长间隙下，天然酯承受高压的能力相对较差。而天然酯与矿物油在电离能等方面的差异更加剧了二者在不同间隙下击穿性能的表现。

结论

本文基于天然酯流注放电仿真模型，对比了天然酯与矿物油在不同电压下的击穿特性，探究了天然酯流注传播过程中各甘油三酯分子的电离情况，并模拟分析了长间隙下天然酯的放电及发展特征。

团队介绍

广西大学电气工程学院拥有良好的学术环境和科研平台，拥有国家级电气工程实验教学示范中心和教育部首批虚拟教研室平台，“广西电力系统最优化与节能技术”、“广西电力装备智能控制与运维”自治区重点实验室，“广西电力输配网防雷工程技术研究中心”自治区级科研平台。近年来，学院对接服务国家重大战略和自治区经济发展需求，聚焦新型电力系统运行与控制、电力装备智能化与新型绝缘材料、高性能电机系统与电力电子、电力机器人与智能控制等特色方向，成果扎根八桂大地，在人才培养、教学和科研方面成绩显著。

本工作成果发表在2023年第23期《电工技术学报》，论文标题为“雷电冲击下天然酯的长间隙击穿特性仿真研究”。本课题得到国家自然科学基金和广西科技基地和人才专项资助项目的支持。

引用本文

郑含博,杨杭,凤永吉,吕伟杰,彭庆军.雷电冲击下天然酯的长间隙击穿特性仿真研究[J].电工技术学报,2023,38(23):6451-6460. Zheng Hanbo, Yang Hang, Feng Yongji, Lv Weijie, Peng Qingjun. Simulation study on Long gap breakdown characteristics of natural esters under lightning impact [J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2023,38(23):6451-6460.

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