В НГТУ НЭТИ разрабатывают модель пробоя масла для повышения надежности электросетей
Старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Физико-математические основы электромагнитной безопасности и транспорта электроэнергии» Новосибирского государственного технического университета НЭТИ Александр Ридель при финансовой поддержке Российского научного фонда работает над проектом «Механизмы инициирования разрядных процессов в изоляционных жидкостях, содержащих включения». Основная цель — разработка физической модели электрического пробоя трансформаторного масла на переменном напряжении. Работы, проводимые в этом направлении, позволяют уменьшить количество аварий оборудования электросетевого комплекса.
В НГТУ НЭТИ активно развивается научная школа, основанная и возглавляемая доктором физико-математических наук, профессором Сергеем Мироновичем Коробейниковым. Одним из направлений научной деятельности является исследование электрофизических процессов в трансформаторном масле при переменном напряжении.
«В 2022 году мною в качестве руководителя научного коллектива была подана заявка на грант Российского научного фонда в рамках конкурса «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными». Спустя три года работы я могу уверенно сказать: на базе нашего университета сформирован научный коллектив, обладающий высочайшими компетенциями, о чем свидетельствуют научные результаты. Стоит отметить, что к выполнению научных работ мы активно привлекаем студентов», — рассказывает Александр Ридель.
По его словам, ключевым элементом в транспорте электроэнергии является высоковольтное маслонаполненное электрооборудование. Его срок службы обусловлен, главным образом, качеством и состоянием электрической изоляции. Именно она является наиболее проблемной и аварийной частью трансформаторов. Электрическая изоляция состоит из двух компонентов: бумаги и масла, электро- и теплофизические процессы в которых вызывают ее деградацию, что приводит к аварийным ситуациям на объектах энергетики. В области электрической изоляции самым принципиальным и спорным вопросом является зажигание разряда, которое происходит в жидкости и, в свою очередь, провоцируется включениями в ней. Эффективная и безопасная эксплуатация силового высоковольтного оборудования основана на физических процессах. Однако не все они до конца изучены. В настоящее время коллектив занимается изучением фундаментальных процессов, которые приводят к появлению частичных разрядов и электрическому пробою изоляции при рабочих значениях напряженности электрического поля. Так, в результате работ, проведенных в 2024—2025 годах, была разработана трехмерная модель развития электрического разряда в гелиевом пузырьке в конденсированном диэлектрике. Расчеты позволяют говорить о четырех стадиях развития разряда в пузырьке: взрывной рост концентраций зарядов, распространение волны электронов до стенки пузырька с медленным ростом концентрации электронов, распространение волны положительных ионов до стенки пузырька, остаточная релаксация заряда на стенку пузырька.
«Членами научного коллектива под руководством основного исполнителя проекта Дениса Карпова были получены распределения концентраций зарядов на поверхности пузырька, что позволяет нам исследовать процессы, которые предшествуют пробою промежутка. Помимо этого, реализована сквозная модель расчета частичного разряда в пузырьке и последующего формирования разрядной структуры в диэлектрике с поверхности пузырька. Модель позволяет следить за изменением зарядов в каналах структуры и электрическими полями в них», — отмечает Александр Ридель.
Выделенные Российским научным фондом средства были направлены на закупку современного оборудования, представление результатов исследований на различных научных мероприятиях, а также вовлечение в исследовательскую среду молодых специалистов. На следующем этапе коллектив на основе экспериментальных и теоретических исследований будет заниматься разработкой и описанием единой физической модели разряда в пузырьке — от появления первичного электрона, инициирующего частичный разряд, до развития неустойчивости границы пузырька, приводящей к образованию каналов разряда в жидкой фазе. Такая задача ставится впервые и является актуальной, так как позволит повысить уровень предсказуемости пробоя жидких диэлектриков при наличии пузырьков в них. Ее решение позволит существенно повысить уровень знаний об электрофизических процессах в конденсированных диэлектриках.
На фото: Распределение горизонтальной компоненты напряженности электрического поля в центральном сечении пузырька. Время с момента появления затравки: $t = $ 0.3 ns (a), 0.9 ns (b), 1.2 ns (c), 1.7 ns (d).
