油浸绝缘纸热老化机理的分子动力学研究

摘要

2011年，发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术已经明确写入十二五规划，特高压输电已经上升为国家战略。电力电压等级的提高，对电力绝缘材料的绝缘性能提出了更为苛刻的要求。油纸复合绝缘介质作为电力变压器的重要绝缘材料，其性能的优劣直接决定着变压器的使用寿命，影响整个电网的运行安全。油纸绝缘在变压器的长期运行过程中，受热、电、机械等多种因素的影响逐渐劣化，导致其绝缘性能逐渐下降，给电网的安全运行造成重大隐患。变压器油纸绝缘老化机理研究是绝缘老化状态评估、寿命预测和制定抗老化措施的前提和基础，故油纸绝缘老化的微观机理及热特性研究具有重要工程价值和学术意义。
　　 热老化是变压器油纸绝缘的主要老化形式之一。在油油绝缘的热老化过程中，将会产生水分、酸等一系列有害物质，而它们又会在热场的作用下更一步加速油纸绝缘的老化。长期以来，国内外学者对油纸绝缘的热老化宏观特性进行了广泛的研究，而宏观现象背后的微观机制的基础理论研究，由于涉及到电气、物理、化学等多学科交叉，同时也受传统实验手段的制约，主要实验数据的总结和归纳为主。近年来飞速发展起来的模拟计算技术，为研究油纸绝缘老化的微观机理，提供了可行、有效的手段。本文充分利用分子动力学的优势，在考虑油纸复合绝缘介质的实际运行环境基础上，采用微观、介观、宏观多尺度联合的方法，研究热场对绝缘纸热稳定性的影响，以及由热老化产生的有机酸和水分在油纸绝缘中的扩散规律及分布特点，水分对绝缘纸热稳定性影响等基础问题。论文取得主要创新性成果有：
　　 ①利用分子动力学对纤维素非晶区和晶区的热稳定性能模拟计算表明，热场作用下纤维素非晶区的拉伸模量小，且随温度的升高，非晶区的力学模量和氢键结构被破坏程度均大于晶区。纤维素非晶区内氢键数随温度升高，下降明显，链运动增加明显，而晶区内氢键数和链运动变化不大。模拟与实验结果对比分析表明，变压器绝缘纸的热老化首先从非晶区开始，并随温度增高，非晶区的老化程度大于晶区。
　　 ②首次利用分子动力学对油和纤维素对其热老化生成的有机酸的束缚行为及有机酸与纤维素的相互作用进行了研究。油和纤维素对五种有机酸的束缚行为由以下两方面决定：一方面，纤维素的极性和介质中的相对自由体积共同作用下，导致油对有机酸的束缚远小于纤维素对有机酸的束缚；另一方面，小分子有机酸的在纤维素表面的形变能小于吸附能，其溶解度参数与纤维素溶解度参数相近，而大分子有机酸的形变能大于吸附能，其溶解度参数与油的溶解度参数相近。两方面综合，小分子酸将附着于纤维素表面或进入内部，进而对纤维素老化产生影响，大分子酸将吸附于油中，对绝缘纸的老化未形成影响。
　　 ③利用分子动力学研究了油和纤维素对其热老化生成的水分子的束缚行为以及水分子在油-纤维素复合介质中的扩散行为。油与纤维素均对水分有吸附作用，但由于介质极性的不同，油对水分的束缚作用远小于纤维素对水分的束缚作用，使水分子向纤维素绝缘纸中扩散并停留于纤维素绝缘纸中。模拟结果从微观上阐明了实验研究中绝大部分水份存在于绝缘纸中，油中水份含量很小的原因。
　　 ④首次利用分子动力学研究了水分对纤维素热稳定性的影响。水分含量对纤维素的稳定性有重要的影响：水分不但降低了纤维素的机械性能，而且影响了纤维素的结构稳定性；水分含量越大，纤维素的氢键被破坏程度越大，分子动力学模拟结果阐明了实验中随着水份含量增加，纤维素绝缘纸的聚合度加速下降的原因。