水分及酸對(duì)油浸絕緣紙微觀特性影響的分子模擬研究.pdf

1、油紙絕緣在電力變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,受到電、熱、水分和有機(jī)酸等多因素的作用而逐漸老化,而絕緣紙老化程度直接決定著變壓器的使用壽命。水分和酸類物質(zhì)對(duì)絕緣紙的老化有著明顯的加速作用,故研究水分及酸類物質(zhì)對(duì)油紙絕緣微觀特性的影響對(duì)深入挖掘油紙介質(zhì)的老化機(jī)理具有重要的意義。目前,主要以宏觀試驗(yàn)的手段對(duì)油浸絕緣紙進(jìn)行分析,但僅通過(guò)試驗(yàn)無(wú)法了解水分和酸的微觀作用機(jī)理。故本文首先結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)(MD)和密度泛函理論(DFT)的分子模擬方法,研究了水分

2、對(duì)絕緣紙微觀特性的影響,計(jì)算了纖維素?zé)o定形區(qū)的力學(xué)常數(shù)、氫鍵和 Mulliken布居數(shù),并對(duì)不同水分含量的油浸絕緣紙進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。然后對(duì)初始位置不同的有機(jī)酸分子的擴(kuò)散行為進(jìn)行模擬分析,最后研究了有機(jī)酸對(duì)纖維素微觀特性的影響。主要結(jié)論如下:
　?、俳^緣紙纖維素體系中加入的水分子主要通過(guò)破壞纖維素分子間的氫鍵網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致了纖維素機(jī)械強(qiáng)度的降低;水分會(huì)引起吡喃環(huán)上化學(xué)鍵強(qiáng)度的變化,開(kāi)環(huán)熱解的引發(fā)鍵始終為C—O鍵;水分會(huì)導(dǎo)致纖維素糖苷鍵化

3、學(xué)強(qiáng)度降低,促進(jìn)由糖苷鍵斷裂引起的纖維素降解老化;水分子能夠與纖維素鏈上的羥基形成氫鍵作用,對(duì)相應(yīng)化學(xué)基團(tuán)羥基和氫基的脫落產(chǎn)生一定的影響。實(shí)驗(yàn)室油浸絕緣紙拉伸試驗(yàn)結(jié)果與模擬分析結(jié)果相一致。
　?、诔跏嘉恢迷诶w維素中的小分子有機(jī)酸與纖維素的相互作用能遠(yuǎn)大于與絕緣油的相互作用能,纖維素可以將小分子有機(jī)酸緊緊束縛在纖維素內(nèi)部。對(duì)于初始位置在絕緣油中的有機(jī)酸,甲酸、乙酸和乙酰丙酸三種小分子有機(jī)酸能從絕緣油中擴(kuò)散到了纖維素的內(nèi)部。而環(huán)烷酸和

4、硬脂酸等大分子有機(jī)酸在模擬前后一直存在于油中,并未擴(kuò)散到纖維素的內(nèi)部。此外,水分能使纖維素體系內(nèi)自由體積增加,為粒子的擴(kuò)散提供更多的活動(dòng)空間,從而導(dǎo)致有機(jī)酸分子的擴(kuò)散系數(shù)增大。
　?、塾袡C(jī)酸對(duì)纖維素微觀特性的影響規(guī)律與水分相似:大量的酸分子會(huì)導(dǎo)致MSD的顯著增加,表明纖維素鏈運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低;酸分子引起纖維素的力學(xué)常數(shù)變化;酸分子導(dǎo)致了體系總氫鍵增加,但酸分子參與形成的氫鍵作用削弱了原有的氫鍵網(wǎng)絡(luò),纖維素分子內(nèi)和分子間的氫