基于分子模擬的油紙絕緣老化機(jī)理及氣體擴(kuò)散行為研究.pdf

1、變壓器油紙絕緣的老化是一個非常復(fù)雜的物理和化學(xué)變化過程，它不僅涉及電場應(yīng)力的作用，而且還涉及熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等其它環(huán)境應(yīng)力的作用。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始選擇老化過程中的物理化學(xué)變化作為重點(diǎn)研究對象，并試圖從微觀角度揭示油紙絕緣材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，解釋油紙絕緣微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)的聯(lián)系。九十年代初，隨著高科技學(xué)科的飛速進(jìn)步，分子模擬作為一種完全獨(dú)立而新穎的研究手段，在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)入一個新的階段。分子模擬技術(shù)是用計算機(jī)基于原子水平

2、的分子模型來模擬分子的結(jié)構(gòu)與行為，它除了能獲得準(zhǔn)確的物性數(shù)據(jù)外，還可以對各種復(fù)雜現(xiàn)象的機(jī)理有更深刻的了解，分子模擬被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 本文以分子動力學(xué)為主，結(jié)合計算量子化學(xué)，對分子模擬在變壓器油紙絕緣老化機(jī)理和氣體擴(kuò)散行為方面的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。 首先，建立了絕緣紙纖維素分子模型，模擬計算了絕緣紙纖維素分子LUMO-HOMO能隙隨直流電場強(qiáng)度的變化，得出了纖維素分子可能發(fā)生絕緣擊穿的場強(qiáng)：利用分子動力

3、學(xué)方法，分析了在一定外界環(huán)境下(溫度、電場)纖維素分子斷鏈過程，發(fā)現(xiàn)纖維素分子最先在薄弱的苷鍵位置上進(jìn)行斷鏈。將動力學(xué)模擬結(jié)果與絕緣紙老化前后原子力顯微鏡觀測結(jié)果比較，證明了實(shí)際中纖維素的電熱老化會破壞其葡萄糖單體的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生一些活性基團(tuán)；對比分析絕緣紙纖維素紅外光譜的分子模擬結(jié)果與實(shí)測值，確定了纖維素分子振動特征基團(tuán)部位，提出了可以利用特征基團(tuán)來分析纖維素的降解機(jī)理。 然后，通過分子模擬石蠟基油裂解可能性分析，確定了石蠟

4、基油裂解溫度，并分析了溫度對石蠟基油熱裂解反應(yīng)速率的影響，擬合計算了裂解反應(yīng)的活化能。研究表明，石蠟基油熱裂解反應(yīng)速率隨溫度的升高而加快，具有一級反應(yīng)的明顯特征。此外，從分子動力學(xué)出發(fā)分析了油中溶解氣體產(chǎn)生機(jī)理及過程。結(jié)果顯示，高溫加速分子運(yùn)動是造成分子裂解的主要原因，而電場力會沿電場作用方向?qū)Ψ肿渔溒鸬骄薮蟮睦熳饔?，促進(jìn)分子的裂解。在油裂解過程中都有甲基、次甲基、含氧基、烴類等自由基產(chǎn)生，并含有大量的碳正離子和氫負(fù)離子。這些極不穩(wěn)定

5、的中間體經(jīng)過重排、鍵的斷裂、氫的轉(zhuǎn)移等步驟形成穩(wěn)定的小分子烴類氣體。 最后，利用分子動力學(xué)法，采用COMPASS力場，計算了7種小分子在石蠟基油、紙體系中的自擴(kuò)散系數(shù)，并模擬了溫度對油、紙絕緣中二氧化碳分子自擴(kuò)散性的影響。提出了利用自由體積理論來描述油中氣體擴(kuò)散傳質(zhì)現(xiàn)象，自由體積理論對于理解小分子氣體在油絕緣中的擴(kuò)散行為具有重要意義。 通過本論文的研究，增進(jìn)了對油紙絕緣微觀老化機(jī)理和氣體擴(kuò)散現(xiàn)象本質(zhì)的了解，同時也進(jìn)一步豐