Механизмы инициирования разрядных процессов в изоляционных жидкостях, содержащих включения

Целью настоящего проекта является создание физической модели предразрядных процессов в жидкой изоляции различных видов (минеральные масла, эфиры и эфиромасляные смеси) при переменном напряжении. Объектом исследования являются минеральные масла, эфиры и эфиромасляные смеси, применяющиеся в качестве жидкого диэлектрика в высоковольтном маслонаполненном электрооборудовании. В рамках выполнения второго (промежуточного) этапа проекта получены следующие результаты: 1) С использованием высокоскоростной оптической и электрической регистрации исследована форма пузырька перед формированием стримера с его кончика при переходе в объем жидкого диэлектрика. После развития ЧР в пузырьке на его полюсах (вдоль направления электрического поля) возникают неоднородности, дальнейшее развитие которых приводит к увеличению значений локальной напряженности электрического поля, формирующих условия для развития стримеров в изоляционной жидкости. 2) Исследованы 3 различных механизма формирования стримеров на полюсах пузырька и определены диапазоны напряжений, при которых наблюдается развитие стримеров: а) при низких электрических полях от 13 до 24 кВ/см после развития ЧР в пузырьке он удлиняется и в нем развиваются повторные ЧР, которые приводят к еще большему удлинению в направлении электрического поля. После очередного ЧР из полюсов пузырька в объеме жидкости развиваются стримеры. Процесс занимает ≈ 20 миллисекунд, начиная с момента образования ЧР в пузырьке; б) при средних электрических полях от 24 до 40 кВ/см после развития ЧР в пузырьке он удлиняется и делится на 2 заряженных пузырька, которые движутся в сторону противоположно заряженных электродов. При приближении к электроду происходит повторный ЧР между пузырьков и электродом, который приводит к пробою масляного промежутка Процесс занимает ≈ 10 миллисекунд, начиная с момента образования ЧР в пузырьке; в) при более высоких электрических полях от 40 до 51 кВ/см после развития ЧР пузырек не успевает порваться из из его полюсов развиваются стримеры в объеме изоляционной жидкости. Процесс занимает ≈ 1 миллисекунду, начиная с момента образования ЧР в пузырьке. 3) Экспериментальным методом выявлено влияние углеродных нанотрубок и микрокапелек воды на зажигание частичного разряда в пузырьке газа. Получены экспериментальные данные, демонстрирующие зависимость количества ЧР в пузырьках от напряжения и количества добавленного вещества. 4) Экспериментальным методом не подтверждено влияние наночастиц различной проводимости: меди, цинка, никеля, оксида цинка, оксида железа, оксида кремния на зажигание ЧР в пузырьках. Получены экспериментальные данные, демонстрирующие отсутствие зависимости количества ЧР в пузырьках от количества и типа добавленных наночастиц. Даны объяснения механизму влияния описанных выше включений на зажигание ЧР в пузырьках. 5) Экспериментальным методом определены значения коэффициентов газообразования для трансформаторного масла ТКП, эфиров Midel 7131 и Midel En, а также смесей на их основе. 7) Выявлены особенности поведения ЧР в эфирах Midel 7131 и Midel En, а также смесей на их основе. 8) Проведена проверка модели электропроводности на основе сравнения расчёта с имеющимися литературными данными по измерению электропроводности наножидкостей. Отмечена высокая точность моделирования при низких концентрациях частиц и расхождение экспериментальных данных с результатами моделирования при высокой доле содержания частиц. 9) Модель доработана путём учета того обстоятельства, что двойные электрические слои частиц могут перекрываться при высокой доле наночастиц, что требует учета в расчете зарядов изменения диэлектрической проницаемости наножидкости по сравнению с диэлектрической проницаемостью жидкости-основания. В результате повышена точность моделирования при высокой концентрации частиц. 10) Получены кривые растворимости воды в эфиромасляных смесях (масло ТКп с содержанием синтетического эфира 10, 20, 30 %, а также масло ГК с содержанием синтетического эфира 10, 20, 30 % по объему) в диапазоне температур от -20 °С до +60 °С. 11) Изучено влияние температуры на пробивное напряжение увлажненных изоляционных смесей масла и синтетического эфира в процессе охлаждения в диапазоне температур от плюс 60 °С до минус 20 °С, а также в процессе нагревания от минус 20 °С до плюс 60 °С. 12) Выявлено, что в процессе охлаждения масла и эфиромасляных смесей критическим диапазоном температур, где пробивная прочность масла и эфиромасляных смесей снижается до очень низких значений, является промежуток от плюс 10 °С до минус 10 °С. Пробивное напряжение в случае нагревания жидкостей имеет критическое значение в области температур от минус 10 °С до плюс 20 °С (для масла) и от минус 10 °С до плюс 10 °С (для смесей масла с эфиром 10-30 %). 13) Установлено, что в увлажненных смесях масла с содержанием эфира 10 %, 20 % и 30 % по мере их нагревания растворение избыточной воды происходит чуть быстрее, чем в пробах трансформаторного масла. 14) Показано, что в процессе нагревания увлажненного масла, а также масла с содержанием эфира меньше 10 % при переходе через ноль между электродами формируется сначала ледяной, а затем водяной мостик, снижая пробивное напряжение изоляции до критических значений. Напротив, образование мостиков из частиц льда или капелек воды не наблюдается при добавлении синтетического эфира к трансформаторному маслу в количестве более 20 % по объему. 15) В опытах по продолжительному старению трансформаторных масел (ароматическое – ТКп, парафиновое – ГК, нафтеновое – Nytro 11GX) показано, что в наибольшей степени мелкодисперсный осадок образуется в ароматическом трансформаторном масле, затем в масле парафинового типа и практически отсутствует в нафтеновом нефтяном масле. 16) Установлено, что химическая стабильность склонного в высокой степени к осадкообразованию трансформаторного масла ТКп, заметно усиливается при смешивании его с синтетическим эфиром в соотношении ТКп:СЭ равном 80 % к 20 % по объему (в открытых системах) и 70 %:30 % по объему (в герметичных условиях). Для замедления процесса образования осадка в парафиновом масле ГК требуется добавка синтетического сложного эфира в количестве не менее 20 %. 17) Разработана методика определения газов, растворенных в изоляционных жидкостях, основанная на газовой хроматографии. Новая методика, в отличие от стандартной, позволяет определять не только водород - Н2, метан – СH4, ацетилен - С2Н2, этилен - С2Н4, этан - С2Н6, оксид углерода - СО, диоксид углерода - СО2, кислород - О2, азот - N2, пропан - С3Н8, но и газы состава С3 (пропилен - С3Н6, пропин - С3Н4), и С4 (н-бутан - С4Н10, бутен-1 - С4Н8). 18) Определены коэффициенты растворимости (Оствальда) газов (14 компонентов: водород - Н2, метан – СH4, ацетилен - С2Н2, этилен - С2Н4, этан - С2Н6, оксид углерода - СО, диоксид углерода - СО2, кислород - О2, азот - N2, пропан - С3Н8, пропилен - С3Н6, пропин - С3Н4, н-бутан - С4Н10, бутен-1 - С4Н8), растворенных в смесях траснформаторного масла ТКп и сложноэфирной диэлектрической жидкости Midel 7131. 19) Разработаны и апробированы новые методики испытания изоляционных жидкостей (ТКп и ГК, а также смеси масла с синтетическим биоразлагаемым эфиром), позволяющие контролировать образование перекисных соединений, содержание эфиросодержащих веществ, проводить оценку состояния диэлектрических жидкостей по ИК- и УФ-спектрам. Установлено, что интенсивность процесса старения эфиромасляных смесей целесообразно отслеживать по таким показателям, как оптическая мутность, индекс загрязненности, индекс деструкции (методом ИК-спектрометрии), площадь под кривой по УФ-спектрам, перекисное число, эфирное число. 20) Выполнено моделирование начальной стадии развития электронных лавин с переходом их в стримерный разряд в гелиевом пузырьке в жидком диэлектрике. 21) За очень короткий интервал времени (0.4 нс) концентрация электрического заряда в волне ионизации изменяется от начальных значений в затравке 4*106 м^(-3) до значений 1.8*10^18 см^(-3). В дальнейшем максимальная концентрация меняется очень плавно и медленно, увеличиваясь примерно до 5*10^19 м^(-3). На фронте волны ионизации значения напряженности электрического поля достигают E = 6*10^6 м^(-3). После формирования фронта волны напряженность поля меняется медленно в пределах (6-6.7)*10^6 В/м. 22) Смоделирован выход электронной волны на границу «пузырек-жидкий диэлектрик». На это требуется примерно 0.4 нс, что соответствует скорости распространения волны ионизации ~ 3000 км/с. Получены распределения плотности электронов на поверхности пузырька в разные моменты времени от 0.5 нс до 1 нс с момента инициирования электронной лавины. представлено распределение плотности электронов на поверхности пузырька в момент времени t = 0.68 нс с момента инициирования частичного разряда в пузырьке. 23) За фронтом волны ионизации формируется область нейтральной плазмы, примерно имеющая форму сплошного цилиндра радиуса 0.55-0.6 мм. Показано распределение плотности электрического заряда в центральном сечении разрядного промежутка. С противоположной стороны области формируется зона положительных ионов, которая движется в 100-200 раз медленнее по сравнению с фронтом электронов в сторону отрицательного электрода. Область максимума плотности положительных ионов (фронт положительного заряда) формируется на расстоянии 620 мкм от положения затравки, что соответствует расстоянию, на котором формируются электронные лавины. 24) Плотность плазмы в цилиндрической области между положительным и отрицательным фронтами растет, что приводит к падению напряженности электрического поля от E= 4.68*10^6 В/м до E = 10^3 В/м в интервале времени от 0.5 нс до 1 нс. Показаны кривые плотности электронов в разные моменты времени. По графикам видно, что электронейтральность нарушается только на фронтах волн положительного и отрицательного зарядов. 25) Выполнены расчеты максимальной напряженности электрического поля в трансформаторном масле на границе с пузырьком в электрическом поле после частичного разряда в пузырьке для пузырьков разного размера и степени деформации. Показано, что при расположении пузырьков в центральной части разрядного промежутка максимальная напряженность поля ~ 50 кВ/см. 26) Выполнен анализ полученных в расчетах и экспериментах данных, который позволяет считать, что механизмом формирования стримера может быть только развитие электрогидродинамической неустойчивости заряженной поверхности пузырька во внешнем электрическом поле. 25) Опубликовано 9 статей, из них: 1 статья, индексируемая WoS/Scopus Q1; 7 статей, индексируемых WoS/Scopus; 1 статья в журнале, входящем в перечень ВАК (входит в базу данных RSCI). 26) Результаты научных исследований представлены на 5 научных конференциях.