矿物绝缘油过热分解过程仿真分析与实验研究

摘要

过热性故障（又称热故障）是影响充油设备稳定运行的两大关键因素之一。加强充油设备过热性故障的研究，不仅能及时发现充油设备的热故障，还能及时避免热故障向电故障转化，在整体上降低充油设备故障发生率。以油浸变压器为例，内部油—纸绝缘结构故障温度最高可达到1000℃以上。过热故障点释放出的能量会破坏变压器油的化学键，造成变压器油分解生成低分子烃类气体以及氢气等，并溶于变压器油中。本文从热故障下矿物油热解机理和实验模拟两个角度，首先采用反应分子动力学模拟的方法研究了矿物油的热解过程及产气规律；其次研制了热故障下矿物油分解的实验模型并进行了实验研究，为故障类型和故障严重程度的诊断提供理论支持。本文主要研究内容为：
　　①采用基于 ReaxFF(reactive force field)力场的反应分子动力学模拟方法建立了含有30个分子的矿物绝缘油（简称矿物油）仿真模型，深入研究了不同温度下矿物油的动态热解过程和产气规律。通过Reactive-MD-analysis识别模块对矿物油热解产物的识别和统计，结合仿真的动态图像，分析了矿物油的微观反应过程，得出了矿物油热解的主要反应路径以及小分子气体的生成路径。
　　②分析了温度和时间对热解微观过程的影响以及伴随的能量变化。通过仿真结果与改良三比值法和热重差分实验不同角度的对比，验证了仿真结果的合理性，表明 ReaxFF反应动力学模拟为从分子上研究矿物油的热解提供了一种有效的途径。
　　③以变压器热故障实体模型为依据，研制了变压器等充油设备热故障下矿物油热解实验模拟装置，对发热体、箱体、温度控制及测量、气体测量以及功率测量等模块进行了设计，通过输入功率控制及多路温度传感器实现对温度的精确控制和实时测量，并通过功率计对反应能量进行了测量。通过COMSOL有限元仿真软件模拟了热故障下装置内的温度场，和实际变压器内温度场对比，验证了实验模拟装置设计的合理性和可靠性，从而实现对局部过热故障产生及发展过程的实验模拟。
　　④研究了热故障下矿物油热解实验模拟装置内的温度场分布和气体产生情况随热源表面温度、热源发热时间、热源功率以及热源产生能量的变化，分析了温度、时间、功率和能量对于矿物油热解的影响规律。并定性划分了矿物油热故障分解区域，为热故障的诊断提供理论依据。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容

2 矿物油热解反应分子动力学模拟研究及验证

2.1 引言

2.1 分子动力学模拟基础

2.2 矿物油反应分子动力学仿真建模

2.3 矿物油反应分子动力学仿真结果分析

2.4 热重差分实验对仿真结果的验证

2.5 本章小结

3 矿物油热故障分解实验模型及温度场仿真研究

3.1 引言

3.2 矿物油热故障分解模型设计

3.3 矿物油热故障分解模型温度场仿真

3.4 本章小结

4 矿物油热故障分解实验研究

4.1 引言

4.2 试验步骤

4.3 油中溶解气体检测

4.4 温度场分布测量

4.5 矿物油热解影响因素分析

4.6 矿物油热解反应分子动力学仿真与实验结果对比分析

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文