溫度及電場(chǎng)對(duì)油浸絕緣紙微觀特性影響的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、油紙絕緣作為大型電力變壓器絕緣的主要形式，其絕緣性能直接決定變壓器的使用壽命。油浸絕緣紙?jiān)谧儔浩鏖L(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中受溫度、電場(chǎng)等因素的影響絕緣性能逐漸下降，并且在水分等的作用下加速老化，而傳統(tǒng)的油浸絕緣紙老化研究大多基于宏觀的實(shí)驗(yàn)，很難從微觀機(jī)理上對(duì)絕緣紙的老化過(guò)程進(jìn)行深入分析。近年來(lái)迅速發(fā)展的分子模擬技術(shù)則可以從分子水平上認(rèn)識(shí)材料的結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)材料在外界應(yīng)力作用下的物理和化學(xué)變化過(guò)程，已成為解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以分子動(dòng)力學(xué)模擬為

2、主要手段，結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果對(duì)比分析，研究了溫度及電場(chǎng)對(duì)油浸絕緣紙微觀特性的影響。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：
　　首先建立了絕緣紙纖維素?zé)o定形模型，研究了溫度對(duì)油浸絕緣紙的微觀特性的影響，探索了以玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)為核心的各種微觀特性的關(guān)聯(lián)機(jī)制。研究結(jié)果表明，溫度的升高會(huì)使絕緣紙無(wú)定形區(qū)勢(shì)能增加，纖維素鏈運(yùn)動(dòng)和小分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，氫鍵數(shù)目減少，靜態(tài)力學(xué)特性降低。玻璃轉(zhuǎn)化過(guò)程中均方位移、末端距及均方彎曲等鏈運(yùn)動(dòng)特性均一致地出現(xiàn)了明顯的

3、躍變，并導(dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)的自由體積突變。相對(duì)于油分子，水分子的加入會(huì)嚴(yán)重地降低絕緣紙無(wú)定形區(qū)的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，進(jìn)而降低絕緣紙穩(wěn)定工作的溫度。水分和纖維素鏈之間的氫鍵是使纖維素鏈柔順性增加乃至玻璃轉(zhuǎn)化溫度減小的重要原因，根據(jù)這個(gè)機(jī)理在絕緣紙防老化設(shè)計(jì)中應(yīng)注意消除水分的這種作用，提升絕緣紙的熱穩(wěn)定性。
　　其次，建立了纖維素單鏈和多鏈模型，研究了強(qiáng)電場(chǎng)下纖維素的屈服行為。研究結(jié)果表明，強(qiáng)電場(chǎng)作用下，纖維素單鏈和多鏈均會(huì)發(fā)生和電場(chǎng)方向一致的屈

4、服行為，這種電場(chǎng)應(yīng)力導(dǎo)致的屈服是纖維素鏈斷裂的根本原因，纖維素鏈的屈服可能引入局部空間電荷陷阱，加速纖維素的老化。
　　再者，建立了絕緣紙纖維素晶面和無(wú)定形區(qū)水分的擴(kuò)散模型，研究了電場(chǎng)極化作用對(duì)水分?jǐn)U散的影響。強(qiáng)電場(chǎng)的極化作用會(huì)束縛水分子在絕緣紙晶區(qū)表面的擴(kuò)散，使其擴(kuò)散系數(shù)減小，并表現(xiàn)出在X、Y和Z方向的差異性；電場(chǎng)還會(huì)使纖維素晶面和水分子的相互作用能增加，纖維素親水性增強(qiáng)，這在一定程度上影響水分?jǐn)U散系數(shù)的方向性。相比較而言，水分

5、在纖維素?zé)o定形區(qū)的運(yùn)動(dòng)受電場(chǎng)影響規(guī)律性較差。
　　最后，考慮到溫度及電場(chǎng)對(duì)絕緣紙纖維素鏈糖苷鍵的的斷裂作用，建立了纖維素晶區(qū)鏈斷裂模型，研究了絕緣紙纖維素晶區(qū)斷裂度、聚合度與機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系。纖維素鏈發(fā)生斷裂時(shí)，其鏈方向上的彈性系數(shù)C33和楊氏模量E、體積模量K以及剪切模量G具有高度的正相關(guān)性，并隨聚合度的減小和斷裂度的增加呈階梯型降低。當(dāng)模型斷裂度分別為50％及100%時(shí)，其聚合度和楊氏模量的關(guān)系服從相同的指數(shù)分布。聚合度的減少和