西安交通大学张宁、王鹏 等：流-电耦合场中金属颗粒群的荷电计算及影响因素研究

阅读提示：本文约 2500 字

在流-电耦合场的应用背景下，染污绝缘油中金属颗粒群的荷电特性复杂，荷电粒子群运动及分布规律对于揭示染污绝缘油放电与击穿机理、染污后油品老化过程，多物理场耦合下仿真分析模型及计算精度提升具有重要的参考价值。西安交通大学电气工程学院贺博教授团队从多物理场两相流动力学行为观测出发，基于粒子图像测速技术对流-电耦合场下绝缘油中金属颗粒群的运动特性进行了较为系统的模拟观测，据此以颗粒动力学模型为基础提出了一种计算金属颗粒荷电量的方法，并分析了电场强度、电压类型及流场速度对金属颗粒群荷电分布的影响，可为涉及绝缘油流中颗粒群荷电过程的相关研究提供参考。

研究背景

绝缘油由于其良好的电气及热力学性能而被广泛应用于多类电力设备。然而，在电力设备的制造、运输、安装、运行及维护等环节中，油品存在金属、纤维等固体杂质颗粒染污风险。染污后杂质颗粒群在电场与流场共同作用下随油品低速流动，存在多途径荷电行为，杂质颗粒荷电对于颗粒受力、运行、分布、电场畸变影响显著，有引发局部放电和油品劣化风险。相较于非金属颗粒，金属颗粒浸染对油品性能的影响更大。因此，有必要开展针对绝缘油中金属颗粒群荷电分布及运动特性方面的研究，为深化理解其力学行为及影响机理提供借鉴。

论文所解决的问题及意义

本文基于PIV粒子图像测速法以非接触方式对流-电耦合场下绝缘油金属颗粒群的运动特性进行了观测实验，以颗粒动力学模型为基础提出了一种计算金属颗粒荷电量的方法，并分析了电场强度、电压类型及流场速度对金属颗粒群荷电分布的影响，为进一步揭示含金属颗粒绝缘油的放电特性和击穿机理提供理论参考。

论文方法及创新点

1.荷电量计算

本文以液固两相流中Euler-Lagrangian模型为基础，构建流-电耦合场下金属颗粒的动力学方程，基于此获取颗粒荷电量计算模型。然后，结合PIV观测实验测量的颗粒运动参数，求取金属颗粒群在流-电耦合场中的荷电分布。

图1中记录了金属颗粒群在流-电耦合场中的运动特性实验云图及荷电量分布，图中所统计的最大电荷量对比传统模型计算出的颗粒荷电量偏小，表明传统模型未曾考虑到实际情况中粒子颗粒较多以及绝缘介质流动导致金属颗粒之间发生的电荷转移等的影响。

图1 荷电量计算速度云图与荷电量分布占比

2.基于PIV计算的荷电分布影响与作用机理

图2 不同油流流速下荷电量分布曲线对比

图2展示的金属颗粒荷电量分布曲线表明，当油流速增大时颗粒受到的水平拖曳力增大，使得颗粒群流经电场区域的时间缩短，而流速的增大使颗粒在y方向上的偏移量减小，导致颗粒与电极的碰撞次数以及参与碰撞的颗粒数都减少。促使已经荷电的颗粒更加迅速地逸出平板电极之间的区域，极板附近传递电荷的概率也会相对变小颗粒群的荷电量就越少。绝缘油流速的增加使得颗粒群在电极间的电场中运动时间减少，减小了颗粒之间发生碰撞传递电荷概率，导致未与电极发生碰撞的颗粒占比增多。

图3 不同电压等级与电压类型时荷电量分布曲线

通过图3中不同电压等级的分布曲线可以发现，随着外施直流电压由10kV提升至30kV，颗粒的最大荷电量变大，荷电量较大的颗粒占比增多。颗粒电极碰撞的概率增大与电极之间的放电变得更加频繁，则会有更多的与电极碰撞而荷电的颗粒出现，颗粒之间电荷传递的过程变得较为容易；而不同外施电压类型不影响荷电量的分布，当外施电压变为交流时颗粒群流线平缓，由于电场强度在一个周期的大部分时间内数值较小，使得荷电量大的颗粒占比较少。

结论

本文采用动力学分析的方法，构建了液固耦合系统中金属颗粒的运动模型，并在此基础上通过粒子图像测速（PIV）来计算颗粒荷电量，结果表明基于PIV计算出的荷电量与传统模型的计算结果相比较小，荷电量占比分布曲线接近高斯分布，其原因是颗粒与颗粒之间碰撞也会发生电荷转移或中和；同时借助电荷量分布曲线分析了在直流电压下流速的增加会阻碍颗粒之间的电荷传递导致颗粒荷电量减小，电压等级的增加则会使颗粒群的流线由平缓变为振荡使荷电量普遍增加，而相比于直流电压，在交流电压下荷电量大的颗粒占比较多。

团队介绍

贺博

西安交通大学教授，博士生导师。主要从事高电压与绝缘技术领域的教学和科研工作，完成国家自然科学基金项目 4 项， 国家重点研发计划课题 2 项， 中国博士后科学基金、教育部博士点基金、总装预研课题、军口配套课题等纵向课题 6 项， 校企横向课题20 余项，获省级以上科技奖励 3 次，授权发明专利 20+项，发表 SCI/EI 科技论文 70 余篇，参与电力行业相关国家标准 4 项。

张宁

硕士研究生，主要研究方向为绝缘介质特性以及电力设备绝缘结构仿真。

王鹏

博士研究生，主要研究方向为绝缘油电气特性分析及多物理场耦合环境的液固两相流等。

本工作成果发表在2024年第17期《电工技术学报》，论文标题为“流-电耦合场中金属颗粒群的荷电计算及影响因素研究“。本课题得到国家自然科学基金的支持。

引用本文

张宁, 王鹏, 刘智捷, 刘恭智, 贺博. 流-电耦合场中金属颗粒群的荷电计算及影响因素研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(17): 5534-5544. Zhang Ning, Wang Peng, Liu Zhijie, Liu Gongzhi, He Bo. Study on the Charge Calculation and Influencing Factors of Metal Particle Groups in Fluid-Electric Coupling Field. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(17): 5534-5544.

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