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气泡影响液体绝缘性能的模拟研究.pdf

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    • 分类号 TM855 学号 09070001 UDC 密级 公 开 工学硕士学位论文 气泡影响液体绝缘性能的模拟研究 气泡影响液体绝缘性能的模拟研究 硕士生姓名 蔡 丹 学 科 专 业 物理电子学 研 究 方 向 高功率脉冲驱动源技术 指 导 教 师 刘 列 教授 国防科学技术大学研究生院 二〇一一年十二月 国防科学技术大学研究生院 二〇一一年十二月 Simulation study on the effects of bubble on liquid dielectric insultion Candidate::Cai Dan Advisor::Liu Lie A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Physical Electronics Graduate School of National University of Defense Technology Changsha,,Hunan,,P.R.China ( December 2011)) 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 I 页 目 录 目 录 摘 要 . i ABSTRACT.ii 第一章 绪 论 1 1.1 液体介质击穿机制的研究现状. 1 1.1.1 电子电离理论 1 1.1.2 经典热模型 2 1.1.3 质子传输理论 2 1.1.4 气泡击穿模型 3 1.1.5 小结 5 1.2 电场下气泡行为. 5 1.2.1 气泡击穿的两种物理模型 6 1.2.2 电场下气泡行为 6 1.2.3 气泡生成后对液体绝缘介质性能的影响 10 1.2.4 小结 10 1.3 论文的立题背景和研究内容. 11 1.3.1 论文的立题背景 11 1.3.2 论文的主要内容 11 第二章 气泡对电场的畸变作用及其对液体绝缘的影响 . 12 2.1 均匀电场中气泡内外电场分布. 12 2.2 电场畸变的物理解释. 14 2.3 气泡存在对液体介质耐压的影响的初步分析. 15 2.4 帕邢定律. 16 2.5 场畸变的模拟和讨论. 17 2.5.1 模型的建立 17 2.5.2 模拟结果和讨论 17 2.6 小结. 21 第三章 非均匀电场下的气泡运动及其对液体绝缘的影响 22 3.1 流体介质上的电场力. 22 3.1.1 静电场中的能量及流体介质受到的电场力 22 3.1.2 偶极子受力观点求解流体介质所受的电场力 25 3.2 圆柱-平板电极间气泡的运动方程 31 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 3.2.1 一种典型的非均匀场圆柱-平板电极的电场分布. 32 3.2.2 气泡运动的动力学方程 33 3.3 模拟结果和讨论. 35 3.3.1 气泡的运动轨迹 35 3.3.2 小桥效应 38 3.3.3 气泡半径对气泡运动的影响 39 3.3.4 结论 41 3.4 小结. 41 第四章 电场作用下的气泡形变及其对液体绝缘的影响 . 42 4.1 电场体积力转化为表面力. 42 4.2 气-液交界面上的受力分布 45 4.3 追踪气泡形变的水平集法及其控制方程. 46 4.3.1 水平集法 46 4.3.2 水平集法控制方程 47 4.4 模拟和讨论. 48 4.4.1 模拟结果与讨论 48 4.4.2 结论 50 4.5 小结. 50 第五章 总结和展望. 52 5.1 主要工作总结. 52 5.2 今后工作展望. 52 致 谢 54 参考文献. 55 攻读硕士学位期间发表(或录用)的论文. 58 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 2.1 气泡内部场增强对液体绝缘的影响 21 表 3.1 镜像法得到的电势分布与 Comsol 模拟结果的对比(U=50kV,L=16mm) 33 表 3.2 模拟气泡运动的输入参数 35 表 4.1 模拟气泡形变的输入参数 48 表 4.2 气泡形变对液体绝缘的影响 50 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 1.1 质子运动机制 3 图 1.2 Grotthuss 机制的图示 3 图 1.3 τnuc∼j⋅E 4 图 1.4 τnuc , τbd∼ Ebd(j 为参数). 4 图 1.5 开关结构示意图 5 图 1.6 击穿前的照片 5 图 1.7 开关击穿后的照片 6 图 1.8 椭球气泡模型 6 图 1.9 气桥模型 6 图 1.10 气泡分布示意图 7 图 1.11 观测气泡形变过程的实验装置图 8 图 1.12 相机拍到的气泡形变过程 8 图 1.13 三种电极分布的情况下气泡运动轨迹 9 图 1.14 圆柱-平板电极结构示意图. 9 图 1.15 观测气泡运动的实验装置图 9 图 1.16 电极两端加不同电压时气泡的运动轨迹 10 图 1.17 气泡初始释放位置不同时气泡的运动轨迹 10 图 2.1 电场畸变示意图 12 图 2.2 极化电荷的电场分布 14 图 2.3 空气的帕邢曲线 17 图 2.4 模型示意图 17 图 2.5 均匀电场中气泡内外电场分布 18 图 2.6 与电场线垂直方向气泡内外电场分布 18 图 2.7 与电场线平行方向气泡内外电场分布 19 图 2.8 气泡水平分布的电场分布 19 图 2.9 气泡垂直分布的电场分布 19 图 2.10 水平分布气泡内外的电场强度 20 图 2.11 垂直分布气泡内外的电场强度 20 图 3.1 计算有效电场的参考图 27 图 3.2 σ5和σ6对 O 点的电场 1 E ?? ? 的参考图 . 27 图 3.3 计算电场强度 2 E ??? 的参考图. 28 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图 3.4 圆柱-平板电极结构. 32 图 3.5 镜像法等效示意图 32 图 3.6 气泡在电极间的运动轨迹(U=0.1MV, d=35mm, RA=1mm) 36 图 3.7 气泡运动速度和运动时间与 y 的关系(U=0.1MV,d=35mm,RA=1mm). 36 图 3.8 气泡的运动轨迹(U=0.1MV,d=35mm, RA=1mm). 37 图 3.9 沿运动轨迹气泡受到的电场梯度力和粘滞力(U=0.1MV,d=35mm, RA=1mm) . 37 图 3.10 特征时间 t1、t2与电极两端电压的关系(U=0.1MV,d=35mm) 38 图 3.11 多气泡成桥的初步模拟图 38 图 3.12 气泡大小对气泡运动轨迹的影响(U=0.1MV,d=35mm) 39 图 3.13 气泡初始释放位置对气泡运动轨迹的影响(U=0.1MV,d=35mm, RA=1mm,B1(0.0029,-0.0014),B2(0.0012,-00003)) 40 图 3.14 初始释放位置不同的两个气泡的运动轨迹(U=0.1MV,d=35mm, RA=1mm,B1(0.0029,-0.0014),B2(0.0012,-00003)) 40 图 4.1 表面电场作用力分布 46 图 4.2 模型示意图 48 图 4.3 气泡在不同电场强度 E0或者不同初始半径下的形变. 49 图 4.4 长短轴之比随电场强度和气泡半径的变化 49 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 VI 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 液体介质具有击穿场强高、自行恢复性能好、费用低廉和易于操作等方面的 优点,因而作为绝缘介质被广泛应用于强流电子束加速器。

      但是,到目前为止, 液体介质因其复杂的物理化学性质,仍然没有形成类似于气体的成熟的击穿模型 和机理解释液体绝缘的气泡击穿理论,能够解释加压和电导率变化对液体介质 击穿的影响,为我们研究液体击穿机理打开了新的思路本文基于气泡在电场下 的三种行为,从理论推导和仿真模拟等方面对气泡在强电场下的行为规律及其对 液体绝缘性能的影响进行了初步研究 论文首先推导了均匀电场下气泡内外电场分布,发现气泡内部出现明显的电 场增强,对于变压器油中空气气泡,场增强系数达到 1.4结合帕邢曲线,验证了 外加气压是避免气泡击穿的有效方法之一模拟有气泡存在时,浸没在变压器油 中的平行板电极间的电场分布发现:当电极间距为 1cm,电极两端电压为 50kV, 气泡半径为 1mm 时,外加气压的最小为 2.03 atm 才能避免气泡击穿 然后在推导得到气泡运动的控制方程的基础上利用多物理仿真软件Comsol的 移动网格技术,模拟了气泡在非均匀电场下运动,并对多气泡成桥进行了初步验 证结果表明:(1)气泡运动包括三个阶段:第一个阶段气泡刚被释放时电场梯 度力起决定作用,倾向于向电场强度变化缓慢的区域运动,其运动速度很快达到 最大;第二阶段气泡在电场梯度力、粘滞力和浮力共同作用下速度开始下降,并 运动到一个称为截止线的区域;第三阶段气泡到达截止线后受力基本平衡,在电 极间缓慢移动。

      2)气泡运动到截止线后速度很小,因而在电极间有长时间的驻 留,容易形成聚集并沿气泡运动轨迹形成桥 最后,本文推导了均匀电场下变压器油中气泡的电场表面力分布,并在此基 础上结合 Comsol 的水平集模块模拟了气泡在电场下气-液交界面的变化,模拟发 现:(1)气泡沿电场线方向拉伸形变,其长短轴之比与气泡初始半径和外加电场 强度成正比,因此当外加电场较大或液体中出现大气泡时,气泡可能会被拉断形 成多个小气泡;(2)液体中的气泡一方面内部电场增强,另一方面由于形变导致 电场方向气体通道延长气泡更容易击穿,为了避免气泡击穿需要外加气压,其最 小值与气泡大小和外加电场强度成正比 关键词:液体绝缘;气泡理论;电场增强;气泡运动;气泡形变;帕邢定律 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT Liquid dielectric with high electric breakdown strength, self-healing, low cost and easy operation is extensively used in intense electron-beam accelerators. But until now, liquid medium, because of its complex physical and chemical properties, didn’t establish advanced breakdown model and mechanism as air dielectric. The bubble discharge theory of liquid breakdown, which successly explain the impact of pressure and conductivity on liquid electric breakdown strength, creates a new thought for us to study the liquid breakdown mechanism. Based on the bubble behaviors under the electric field, the pattern of bubble behaviors and its influence on liquid insulation are studied through the theoretical analysis and simulation in this paper. At first, the electric fiel。

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