绝缘纸高温裂解的分子动力学模拟研究

借助分子反应动力学模型,基于Reax FF力场,从原子层面模拟研究了高温作用下纤维素单体纤维二糖的裂解机理。模拟结果表明,纤维二糖、1-吡喃环和4-吡喃环初始键断裂的位置分别集中在O′4-O,C5-O5和C1-O5,C′5-O′5处。纤维二糖继续分解生成了乙醇醛(CH2O H C H O)、甲酸(C H2O2)、C O2、自由基(C H O2)、1,2-二羟基乙烯(CHOH=CHOH)、H2O以及其他小分子碎片。其中乙醇醛主要是由两个吡喃环上第5个位置上的C和O原子从环上脱落形成的。甲酸和CO2多是由O′1-O′5从4-吡喃环上断裂形成。自由基CHO2由甲酸脱氢生成,也会由C1-O5从1-吡喃环上脱落生成。1,2-二羟基乙烯主要是由4-吡喃环上的两个C原子同时脱落生成。H2O主要由不同分子上的-OH和-H脱落后结合形成。裂解小分子产物可作为新的微观特征量,在变压器过热故障诊断中具有潜在应用价值。

基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型

风机叶片遭受雷击现已成为风电场亟需解决的问题之一。该文将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合,提出了针对风机叶片的电气几何分析模型。通过引入风机叶片动态击距的概念及分析方法,模拟了雷电先导的发展过程,使得击距的物理意义更加清晰,并进一步推导了叶片防雷系统效率的计算方法,最后基于风机叶片长间隙下击穿实验验证了该模型的有效性。利用提出的风机叶片电气几何模型,分析了叶片角度、雷电流幅值和接闪器布置对防雷系统效率的影响,分析发现叶片越接近水平、雷电流幅值越小叶片防雷系统效率越低,增设叶片侧接闪器能够有效提高防雷系统效率。该文提出的方法拟为风机叶片的防雷设计与评估提供理论依据。

变压器绝缘纸中酸值测试及其时效老化特征

纸中酸是反映和影响绝缘纸老化程度的重要因素,但是目前尚没有测量纸中酸值的标准方法。为此建立了变压器绝缘纸中酸值测量方法,即先用纯水将纸中小分子羧酸分萃取出来并制成萃取液,然后使用氢氧化钾的异丙醇溶液进行滴定,并采用BTB(溴百里香酚蓝)指示滴定终点,测量萃取液酸值进而计算纸中酸值。通过对比实验确定了纸中酸值测量的最佳温度(25℃)和萃取时间(6 h)等环境条件。对老化过程中油纸中酸值和水分进行测量发现,所测纸中酸值能较好地反映实际纸中酸值变化规律;纸中酸值与纸中水分变化趋势类似均随老化时间呈波动变化趋势;油纸中酸值并无明显相关关系。

微量硫化物对变压器油纸绝缘热老化特性的影响

针对变压器出现的硫腐蚀故障,利用添加不同浓度的二苄基二硫(DBDS)或十二硫醇的变压器油、普通绝缘纸和铜片组成试品,在130℃下进行加速热老化实验,研究不同硫化合物对油纸绝缘系统热老化特性的影响。对实验过程定期取样,观察铜片表面颜色变化,并测量试品老化过程中绝缘纸聚合度、油中糠醛、油纸中酸值、油中微水质量分数以及油中溶解气体随老化时间的变化情况。研究结果表明,油中DBDS和十二硫醇浓度越高,绝缘纸降解速率和油中糠醛含量以及纸中酸值、油中水分的波动幅度越大,铜片腐蚀程度越严重,且铜片的腐蚀程度与氧气含量有关。添加十二硫醇的油样中,油中酸值随其浓度增大而增大;在添加DBDS的油样中,低氧时,油中酸值随DBDS浓度增大而增大,而高氧时,油中酸值随DBDS浓度增大先减小后增大。油中不同浓度的DBDS和十二硫醇对油纸绝缘系统老化产气特性表现为不同程度的促进作用。

风机桨叶用PVC和巴塞木雷击电弧损伤的分子模拟研究

雷击电弧热效应下风机桨叶夹层材料PVC和巴塞木的损伤机制尚不明晰。该文对PVC和巴塞木开展冲击大电流实验,发现在雷击电弧热效应下,PVC和巴塞木残余强度明显下降,且PVC下降速度更快。采用分子反应动力学仿真手段,对PVC和巴塞木的损伤机制进行研究,发现:冲击热场下,纤维素(巴塞木主要成分)大分子链逐渐断裂,聚合度呈波动下降,而PVC聚合度下降幅度比纤维素小。峰值温度为1498K时,PVC产气量远大于纤维素,而当峰值温度升至2998K时,纤维素产气量逐渐与PVC持平。纤维素分子通过氢键吸附较多水分子,在高温作用下水分受热膨胀成为纤维素损伤的关键因素,而PVC中水分含量较少。上述结果可为不同环境的风机叶片夹层材料优化选型提供参考。

硫腐蚀反应定量表征方法及其对绝缘纸老化的影响机制

为研究硫腐蚀反应的定量表征方法及其对绝缘纸老化的影响机制，对运行6年的腐蚀性尼纳斯油样开展了加速老化实验，并与普通25#变压器新油进行比对。对老化过程中变压器油样总硫浓度、油样质量测试后发现，油中硫元素的绝对含量随老化时间延长呈增大趋势，说明绝缘纸裂解使硫成分进入油中，造成总硫浓度升高。通过引入绝缘纸聚合度fdegreeofpolymerization，DP）、总硫浓度和油样质量三个特征参量，建立了定量表征硫腐蚀程度的新判据。对老化过程中内、外层纸的含水量、酸值和聚合度进行比较分析，结果表明：在一定氧气含量环境下，因硫腐蚀反应的影响，老化初期内层纸的含水量小于外层纸，但随着老化时间增加，二者差距逐渐减小，到老化后期，内层纸水含量反超外层纸；肚24h内，外层纸酸值略大于内层纸，24～72h内，内层纸酸值迅速增长，明显大于外层纸；内层纸聚合度大于外层纸聚合度，而随着老化时间增加，内、外层纸的聚合度差距越来越小。

大型风机叶片雷击多通道电弧气爆损伤的实验

风机叶片雷击事故多发,而雷击下桨叶机械损伤机理的研究很少。通过调研风电场雷击数据和实验模拟,获得雷击位置分布规律,结合桨叶材料损伤得到雷击电弧多通道路径。采用极细镍铬丝铺设电弧路径,对5m长风机叶片开展大电流注入实验,发现引下线在两腹板之间,会减小后缘开裂长度,但将对后缘腹板及两腹板之间区域造成巨大损伤;引下线在后缘腹板外侧,可将损伤控制在后缘腹板之外。引弧孔距叶尖较远时,损伤以引弧孔为中心向两侧等距延伸;引弧孔距叶尖越近,叶尖方向的损伤越严重,直至危及叶尖接闪器。高速相机拍摄的动态过程表明,叶尖方向的损伤主要缘于电弧气流的多次回流冲击。研究成果可帮助揭示叶片动态损伤机制,指导其防雷设计。

基于雷电上行先导起始物理机制的风机叶片雷击概率评估模型

风机叶片雷击损伤事故严重威胁风电场正常运行,传统分析方法无法给出叶片表面任意点雷击概率,现有叶片防雷系统设计尚无成熟理论作为指导。该文基于上行先导起始物理机制,提出了风机叶片表面任意位置雷击概率计算方法,建立了风机叶片雷击概率评估模型。考虑不同叶片姿态、下行先导侧面距离、接闪器布置方式等因素,分析了1.5MW典型风机在不同工况下雷击概率分布,并与试验结果相对照,验证了模型的有效性。结果表明：接闪器保护范围随叶片角度变化而变化,呈现不对称的特点,雷电下行先导侧面距离对接闪器保护范围的影响具有方向性,叶尖接闪器的防护效果优于叶身接闪器。该评估模型可为叶片防雷系统优化设计提供理论分析工具。

风机叶片雷击上行先导的起始物理机制与临界长度判据

作为风机叶片防雷研究过程中的关键物理问题,关于叶片上行先导起始机制及其判据的研究尚待深入。该文利用线电荷和头部点电荷的等效模型模拟雷电下行先导电荷分布,考虑到叶片附近空间电荷的运动、扩散与中和现象,计算了叶片表面电荷密度曲线,发现正电荷集中分布在叶片尖端。利用有限元仿真软件COMSOL计算发现,在雷电下行先导通道内电荷与叶片表面电荷的共同影响下,叶片尖端附近电位发生明显的畸变。基于叶片上行先导发展过程的简化模型,提出了临界长度判据:在叶片尖端上部存在空间背景电势大于流注区域电势的区域,当该区域长度大于临界长度时,稳定连续的上行先导起始。雷电参数(雷电流幅值,下行先导侧面距离等)和风机叶片参数(叶片长度,接闪器半径等)对临界长度无影响;临界长度随空气相对密度、湿度的增加而减小,随海拔的增加而增大。仿真结果与长间隙放电观测数据相符合,验证了该判据的有效性。

海上风电场雷击演化物理机制的研究综述

海上风力资源以其自身优势与丰富的储量,已成为未来风力发电重要的发展方向。随着陆上风力发电的饱和,风力发电逐渐呈现出向海上发展的趋势。但因海上风电具有不同于陆上的特点,许多关键问题有待进一步研究解决,尤其是海上风电机组极易遭受雷击,而雷电灾害是威胁风力发电安全的重要因素。对此本文从海上风电场的机组尺寸、地理位置和海洋环境等方面归纳总结了海上风电场雷击防护的特点,从雷电先导发展机理、叶片接闪器与导流通道雷击放电物理特性、雷击风机叶片机械爆裂损伤机理和海上风电机组雷电强场电磁暂态过程等方面分析了国内外现有海上风电雷击演化物理机制方面的研究现状,并据此提出海上风电防雷方面有待深入研究的四个课题方向。

分子模拟技术在高电压绝缘领域的应用进展

对用于分子模拟计算的三种主要方法:量子化学方法、分子动力学方法以及反应分子动力学方法进行了综述,对比分析几种分子模拟方法的数学原理、发展历程和适用范围。在此基础上,从高压输变电装备固/液体绝缘特性以及新材料研发等视角论述了分子模拟的科学价值,特别是反应分子动力学在高电压工程学中的应用潜力,指出借助分子模拟方法可深化研究电介质绝缘在电、磁、机、热复合应力作用下的老/劣化过程,预测绝缘材料极化、介质损耗等性能,并有效指导新型绝缘材料的研发过程。综合分析现有研究进展后指出,分子模拟技术可为揭示电绝缘微观物理与化学特性、解决电力装备绝缘劣化与破坏机制提供基础方法论和定量解析手段,但根据高电压与绝缘技术学科的发展现状,还应结合多物理场数值仿真、电磁暂态分析等计算机模拟方法,构建日趋完善的"计算高电压工程学"学科体系,实现对高电压工程实践的有效理论支撑。