КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-10198
НазваниеМеханизмы инициирования разрядных процессов в изоляционных жидкостях, содержащих включения
РуководительРидель Александр Викторович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет", Новосибирская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-304 - Электрофизические процессы в жидкостях, газах и твердых диэлектриках
Ключевые словаЭлектрический пробой жидкостей, газовый разряд, частичный разряд, минеральное трансформаторное масло, синтетический эфир, пузырек, капля, нановключения, зажигание разряда
Код ГРНТИ44.29.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Научные и технологические работы, нацеленные на увеличение срока эксплуатации и улучшение качества диагностики состояния высоковольтного электрооборудования, активно развиваются как в России, так и во всем мире. Исследования проводятся не только академическими научными учреждениями, но и большими корпорациями, такими, как Siemens, General Electric, ABB, Shneider Electric. Это говорит об актуальности проведения работ в данной области.
На одной из конференций, посвященной диагностике высоковольтного маслонаполненного электрооборудования прозвучала фраза «Еще ни один трансформатор не вышел из строя по причине высокой активности частичных разрядов, однако абсолютно все аварии сопровождаются их активностью». Частичные разряды являются своего рода сигнализаторами негативных процессов, развивающихся в маслонаполненном электрооборудовании. Увеличение их активности может привести к пробою жидкого диэлектрика в трансформаторах и конденсаторах, что может стать причиной серьезной аварии на электроподстанции или в электрической сети и привести к массовым отключениям электрической энергии как в малых поселках и городах, так и в мегаполисах (Москва, 2005 г.; Вашингтон, 2008; Мюнхен, Буэнос-Айрес, 2012; Баку, 2018 г. и другие). В процессе эксплуатации оборудования в жидкой части изоляции неизбежно образуются пузырьки газа, влага, проводящие включения и другие микро и нано объекты. Их роль в инициировании пробоя жидкости неоднократно исследовались, однако детальной картины, в особенности при воздействии переменного напряжения, сформировано не было.
Проект направлен на создание физической модели предразрядных процессов в жидкой изоляции различных видов (минеральные трансформаторные масла, синтетические сложные эфиры и их смеси) при переменном напряжении. Такая модель позволит связать микропроцессы в жидкости (образование и рост микровключений в объеме и на поверхности, их деформацию, образование и поведение эмульсий, перенос заряда в жидком диэлектрике, изменение распределения электрического поля в изоляции вследствие частичных разрядов, влияние частичных разрядов в соседних полостях друг на друга и другие) с характеристиками частичных разрядов, измеряемыми во внешней цепи (их амплитудой, длительностью и формой импульсов, статистикой, фазовым углом, мощностью и другими). А также, что еще более важно, со значениями электрической прочности жидкости. Авторы проекта имеют успешный опыт исследования таких явлений.
В рамках реализации проекта будут решены 4 задачи:
1) исследование условий возникновения безэлектродных стримеров в трансформаторном масле и эфиромасляных смесях с границ пузырька воздуха;
2) исследование условий формирования и эволюции водяного мостика в жидкой электроизоляционной жидкости при переменном напряжении;
3) выяснение механизма влияния проводящих нановключений и микрокапелек воды, распределенных в объеме трансформаторного масла и эфиромасляных смесях, на инициирование разрядных процессов, в том числе и в пузырьках, а также на электрическую прочность электроизоляционной жидкости при различных технологиях ее подготовки, увлажнения и термообработки;
4) построение теоретической модели инициирования ветвящегося стримера в жидком диэлектрике с поверхности газового пузырька.
Для решения поставленных задач предлагается использование как экспериментальных, так и теоретических подходов. Экспериментальные будут включать в себя одновременную оптическую, электрическую и электроннооптическую регистрацию разрядных процессов с высоким пространственно-временным разрешением. Научный коллектив имеет опыт решения подобных задач, результаты которых опубликованы в журналах с высоким импакт-фактором и регулярно представляются на российских и международных конференциях. Стоит отметить, что в 2018 году результаты совместной работы двух членов коллектива Ломана В.А. и Риделя А.В. были отобраны РНК СИГРЭ для представления на международном энергетическом форуме CIGRE Session 2018. По решению оргкомитета форума доклад Риделя А.В. был отобран для представления в устном, а доклад Ломана В.А. в стендовом форматах на секции А2 «Power Transformers and Reactors».
Таким образом можно утверждать, что постановка задачи и предлагаемые методы ее решения сформулированы впервые, поэтому исследования опережают мировой уровень.
Ожидаемые результаты
На основании данных, ранее полученных нашим научным коллективом, можно утверждать, что в ходе проведения экспериментальных исследований будут получены следующие научные результаты:
1) Экспериментальным методом будут исследованы условия возникновения безэлектродных стримеров в трансформаторном масле и эфиромасляных смесях. Ранее, с использованием средств оптической регистрации, они впервые были обнаружены нашим научным коллективом. Будут детально исследованы следующие три ранее впервые зарегистрированных процесса:
а) После развития частичного разряда в свободно плавающем пузырьке он разрывается на два заряженных противоположными зарядами пузырька за счет действия кулоновских сил на осевшие заряды после частичного разряда. Далее пузырьки движутся в противоположные стороны и, при приближении к одному из электродов, между пузырьком и электродом возникает стример, который приводит к пробою масляного промежутка.
б) Иногда после развития частичного разряда в свободно плавающем пузырьке он не успевает удлиниться в направлении электрического поля и, соответственно, не разделяется на два пузырька. При этом из кончиков пузырька начинают развиваться стримеры непосредственно в трансформаторном масле. Подчеркнем, что электрод находится достаточно далеко и эти стримеры можно назвать "безэлектродными".
в) При использовании рентгеновского излучения для инициирования частичных разрядов при меньших напряжениях замечено, что после развития первого частичного разряда в пузырьке он удлиняется, однако не разрывается на два. При смене полюса напряжения в уже деформированном пузырьке происходит повторный частичный разряд, который вызывает еще большую деформацию. После очередного частичного разряда полюсы пузырька вытягиваются, образуя заостренные фигуры, и с их границ наблюдается развитие стримеров, по которым происходит пробой масляного промежутка. Здесь стримеры также безэлектродные.
Будет получена более детальная информация об электрических и оптических характеристиках частичных разрядов в пузырьках и стартующих с их поверхности стримеров, с использованием средств регистрации с высокими пространственно-временным разрешением. А именно, будут зарегистрированы электрические токи и заряд, протекающий во внешней цепи, выполнена скоростная видеорегистрация с высоким пространственным разрешением изменения формы пузырьков и структуры развивающихся в электроизоляционной жидкости ветвящихся стримеров. Будут определены заряды, оседающие на полюсах пузырька и формирующие условия для перехода стримера с его границ в трансформаторное масло и эфиромасляные смеси. Также будет детально исследована форма пузырька перед развитием стримера и дан однозначный ответ - в первых 2 случаях, в отсутствии рентгеновского излучения, имеет ли пузырек форму конуса на полюсе или происходит удлинение с утончением на полюсе пузырька в направлении электрического поля? Возникает ли в этих случаях неустойчивость типа конуса Тейлора? Или механизм перехода разряда в жидкость другой? Будет проведена серия экспериментов и выполнено сравнение картины развития стримеров с границ свободно плавающих пузырьков и пузырьков, соприкасающихся с электродом.
Выяснение этого вопроса имеет как теоретическое, так и практическое значение. С теоретической точки зрения зажигание разряда с помощью пузырьков при переменном напряжении ранее упоминалось многократно. Однако непротиворечивая модель зажигания разряда, позволяющая объяснить целый ряд экспериментальных зависимостей, была разработана только для импульсного воздействия напряжения. Физической картины разрядных процессов при переменном напряжении до сих пор сформировано не было. Инициирование разряда в жидкости с поверхности пузырька с простым газом внутри впервые позволит рассматривать это явление в «чистом» виде, то есть без влияния приэлектродных процессов. Предполагается, что самосогласованное моделирование преобразования разряда в пузырьке в разряд в жидкости позволит ответить на один из важнейших вопросов физики разряда в жидкости – при какой минимальной локальной напряженности поля возможно появление ветвящихся (дозвуковых) стримеров в жидкости. С практической точки зрения это важно, так как пузырьки есть всегда в жидкости, и их электрическая прочность намного меньше, чем прочность масла. Предотвращение зажигания разряда за счет пузырьков повышает надежность эксплуатации высоковольтного электрооборудования.
2) Экспериментальным методом будет исследован обнаруженный ранее нашим коллективом процесс на переменном напряжении, при котором в трансформаторном масле возникает водяной мостик. Подчеркнем, что данный процесс был обнаружен именно на переменном напряжении, хотя ранее он неоднократно отмечался при постоянном напряжении. При переменном напряжении периодические изменения кулоновских диэлектрофоретических сил значительно изменяют и усложняют картину процесса, что требует дополнительных исследований. Будет разработана математическая модель данного процесса и определены условия, при которых возможно его формирование. А именно, будет проанализировано соотношение величины: капель воды, межэлектродного промежутка, температуры масла и электрического поля при которых возможно формирование водяного мостика.
Помимо этого будет всесторонне исследовано поведение воды, содержащейся в изоляционной жидкости в растворенном и эмульгированном состоянии, при различных температурных режимах и воздействии электрического поля. Будут исследованы возможные разрядные процессы, миграция влаги и газов на границе сред в свежих и окисленных эфиромасляных смесях. Ожидается, что в результате этих исследований будут получены не только теоретические, но и важные для практики результаты по особенностям смешения, эмульгирования, диффузии влаги и газов в смесях.
3) Будет выяснен механизм влияния проводящих нановключений и микрокапелек воды, распределенных в объеме жидкого диэлектрика, на инициирование частичных разрядов в пузырьках, а также на его электрическую прочность при различных технологиях подготовки, увлажнения и термообработки. Помимо этого будет выбрано оптимальное соотношение между минеральным трансформаторным маслом и синтетическим эфиром при их смешивании, с точки зрения устойчивости к эксплуатационным воздействиям.
Эти исследования имеют высокую практическую и теоретическую ценность, так как на электрическую изоляцию в заземленном экранированном корпусе трансформаторов не воздействуют ионизирующие излучения, значит не появляются инициирующие электроны и причиной возникающих все таки ионизационных процессов могут являться как раз микровключения в масле. Поэтому выяснение роли микро и нановключений в зажигании разрядов важно для предотвращения разрядных явлений в жидкой изоляции.
4) Будет построена теоретическая модель инициирования ветвящегося стримера в жидком диэлектрике с поверхности газового пузырька. Для этого будет решена самосогласованная задача о развитии электронных лавин в деформируемом газовом пузырьке в условиях, соответствующих нашим экспериментам, о зарядке поверхности пузырька и распределении поля вблизи границы в трехмерной постановке на больших пространственных сетках. Далее будет создана модель развития трехмерной ветвящейся стримерной структуры в жидкой фазе с учетом ограниченной величины заряда на стенке пузырька (в том числе в случае развития ветвящихся структур с обоих полюсов). Таким образом, будет разработана самосогласованная модель пробоя масляного промежутка с пузырька.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1) Разработана модель инициирования стримера с поверхности пузырька на основе плотности вероятности инициирования с единицы его поверхности в единицу времени. Интеграл от плотности вероятности инициирования по поверхности пузырька с учетом распределения электрического поля и зависимости поля от времени дает вероятность инициирования стримера. Модель позволяет рассчитать вероятность инициирования стримера с поверхности пузырька в зависимости от вида приложенного напряжения (форма, частота колебаний для переменного напряжения, амплитуда) и от степени деформации пузырька, и согласована с вероятностной моделью роста стримера в жидком диэлектрике.
2) Рассчитана функция плотности вероятности зарождения стримера в трансформаторном масле с поверхности пузырька, имеющего форму вытянутого эллипсоида вращения. Получено, что при напряжениях на промежутке, соответствующих экспериментальным, и деформации (5-5.5):1 вероятность формирования стримера за один период напряжения становится более 0.74, что вполне согласуется с экспериментами.
3) Реализована в виде параллельного алгоритма на графическом ускорителе одномерная модель, в рамках которой возможно тестировать устойчивость численного метода для расчета развития электронных лавин в газовом пузырьке. Выполнены расчеты устойчивости одномерного алгоритма в диффузионно-дрейфовом приближении и определены границы устойчивости в зависимости от коэффициентов модели. Тестовые расчеты подтвердили корректность работы алгоритма, его устойчивость при изменении плотностей до 10^9 раз и сохранение заряда при выходе волны ионизации к границам области. Реализован на GPU параллельный алгоритм динамики электронных лавин в двумерном случае в диффузионно-дрейфовом приближении, который обеспечивает корректный расчет зарядов на границе пузырька.
4) Выполнен анализ экспериментальных данных по инициированию частичного разряда во всплывающих газовых пузырьках рентгеновским излучением. Показано, что в случае использованного нами импульсного источника рентгеновского излучения основной вклад в ионизацию дают фотоны с энергией от 20 до 100 кэВ, а при свинцовых барьерах толще 0.5 мм – фотоны с энергией 70-90 кэВ. Рассчитано изменение спектра фотонов при прохождении свинцовых экранов разной толщины. Измерена зависимость частоты возникновения ЧР от напряжения при различных толщинах свинцового экрана. Сопоставление зависимости вероятности возникновения ЧР от напряжения с экспериментальными данными по частоте событий позволили сделать вывод, что механизм появления инициирующих электронов путем ионизации газа в пузырьке больше соответствует экспериментальным данным, чем механизм образования электронов путем ионизации приповерхностных молекул жидкости.
5) Была определена оптимальная пропорция смешения трансформаторного масла ТКп, имеющего в своем составе большое количество ароматических углеводородов, и сложноэфирной диэлектрической жидкости Midel 7131. С целью улучшения эксплуатационных свойств трансформаторного масла ТКп в пределах нормируемых значений содержание сложного эфира в смеси с маслом должно быть в пределах 20-30 % по объему.
6) Выявлено, что добавление синтетической сложноэфирной жидкости Midel 7131 к трансформаторному маслу ТКп в количестве 20-30 % способствует улучшению физико-химических показателей трансформаторного масла (растворимость воды; пробивное напряжение; диэлектрическая проницаемость; температура вспышки; стабильность против окисления; индукционный период; коррозионная активность).
7) На основе метода хромато-масс-спектрометрии разработана методика определения кислотного состава диэлектрических жидкостей с выделением содержания низкомолекулярных кислот, высокомолекулярных кислот и фенольных соединений. Выявлено, что при старении масла в наибольшем количестве в нем образуются высокомолекулярные кислоты и фенольные соединения, которые не оказывают существенного влияния на электроизоляционные свойства жидкого диэлектрика, а некоторые из них (соединения фенольной природы), наоборот, даже улучшают стабильность против окисления.
8) С помощью новой газохроматографической методики исследован химический состав эксплуатационного масла из высоковольтных трансформаторов, в результате чего установлена тенденция: по мере выработки антиокислительной присадки ионола в жидком диэлектрике возрастает массовая концентрация других фенольных соединений: 2,6-ди-трет-бутил-фенол (2,6-ДТБФ) и 2,6-ди-трет-бутил-p-бензохинон. При этом наиболее интенсивно расходуется ионол, и, соответственно, образуется 2,6-ди-трет-бутил-фенол, в трансформаторах «со свободным дыханием».
9) На основе ИК-спектроскопии нами разработана экспресс-методика, позволяющая проводить количественную оценку степени окисленности трансформаторного масла, степени деструкции сложного эфира и эфиромасляных смесей в процессе их старения под влиянием различных факторов. Были введены понятия индекса окисленности (для оценки состояния трансформаторного масла) и индекса деструкции (для оценки состояния сложного эфира и смесей на его основе).
10) Согласно полученным значениям индекса деструкции смесей добавление синтетического эфира к трансформаторному маслу усиливает его химическую стабильность, как в герметичных, так и в негерметичных условиях старения. Особенно улучшение противоокислительных свойств масла ТКп происходит в смеси с долей синтетического эфира 20 % и 30 %. В этом случае срок службы жидкой изоляции по сравнению с самим маслом увеличится на 43 % и 68 %, а в герметичных условиях на 46 % и 69 %.
11) Эксперименты по моделированию условий старения бумажной изоляции в эфиромасляных смесях позволили установить, что добавление синтетического эфира к минеральному трансформаторному маслу в количестве от 10 до 30 % по объему улучшает термическую стабильность не только самого масла, но и бумаги, погруженной в эти смеси (при температуре 110 °С - на 4-10 %; при температуре 130 °С - на 16-36 % относительно к значению степени полимеризации бумаги, состаренной в масле).
12) В результате проведенной работы выработаны рекомендации по смешиванию трансформаторного масла и сложноэфирной жидкости и обозначены возможные области применения.
13) Методом высокоскоростной оптической регистрации исследованы условия формирования водяного мостика в трансформаторном масле при воздействии переменного напряжения. Обнаружено отличие в поведении водяных мостиков с различной проводимостью. Так, при использовании дистиллированной воды в момент амплитудного значения напряжения жидкость равномерно распределяется по длине вдоль промежутка, формируя цилиндрический столб между электродами. В момент перехода напряжения через ноль водяной столб распадается на отдельные капли, соединенные между собой тонкими перемычками. Отметим, что капли в различных полупериодах возникают в разных местах мостика, а именно, капли и перемычки меняются местами. При использовании воды с высокой проводимостью при соприкосновении водяного мостика с электродами наблюдается сильное парообразование и водяной мостик разрушается.
14) Проведены экспериментальные исследования частичных разрядов в пузырьках, расположенных на электроде. Обнаружено, что после развития частичного разряда на поверхности пузырька, обращенной к противоположному электроду, формируются неоднородности. Развитие стримеров с границ пузырька, находящегося на электроде, в объем изоляционной жидкости может происходить, только если средняя напряженность поля превышает 2.6 кВ/мм. Механизмом появления стримера является неустойчивость заряженной поверхности пузырька. Показано, что стримеры, развивающиеся с поверхности пузырька, находящегося на электроде, движутся с большей скоростью по сравнению со стримерами, развивающимися с границ свободных пузырьков. Оценки критической напряженности поля для развития неустойчивости границы дают значения ~ 21 кВ/см, что согласуется с условиями проведенных нами экспериментов.
Публикации
1. Лютикова М.Н., Артемов А.М., Коновалов А.А., Ридель А.В. Применение смесей трансформаторного масла и биоразлагаемых эфиров в качестве изоляции высоковольтного оборудования Электричество, № 5, с. 72–83 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.24160/0013-5380-2023-5-72-83
2. Лютикова М.Н., Коробейников С.М., Ридель А.В. Применение хромато-масс спектрометрии для определения кислотного состава трансформаторного масла Омский научный вестник, № 1 (185), с. 109–113 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.25206/1813-8225-2023-185-109-113
3. Лютикова М.Н., Коробейников С.М., Ридель А.В., Коновалов А.А. Оценка влияния эфиромасляных смесей на состояние бумажной изоляции Электроэнергия. Передача и распределение, - (год публикации - 2023)
4. Лютикова М.Н., Ридель А.В. Модификация влагомера для усовершенствования электрохимического метода определения содержания воды в трансформаторном масле Известия высших учебных заведений. Приборостроение, Т. 66, № 3., с. 223—233 (год публикации - 2023)
5. Лютикова М.Н., Ридель А.В., Коробейников С.М. Контроль параметров качества трансформаторного масла методом газо-жидкостной хроматографии Контроль. Диагностика, - (год публикации - 2023)
6. Лютикова М.Н., Ридель А.В., Коробейников С.М. Evaluation of the Effect of Essential Oil Blends on the Condition of Paper Insulation 2023 IEEE 24rd INTERNATIONAL CONFERENCE OF YOUNG PROFESSIONALS IN ELECTRON DEVICES AND MATERIALS (EDM) (Publisher: IEEE), - (год публикации - 2023)
7. Лютикова М.Н., Ридель А.В., Коновалов А.А. Диэлектрические жидкости. Прошлое, настоящее, будущее: Обзор Электрические станции, - (год публикации - 2023)
8. Лютикова М.Н., Ридель А.В., Коновалов А.А., Коробейников С.М. Опыт применения диэлектрических жидкостей в высоковольтном оборудовании: Обзор Энергетик, - (год публикации - 2023)