不同过热故障条件下呋喃分子在油-纸界面扩散行为的分子动力学研究

呋喃分子是油浸式变压器局部热故障时绝缘纸裂解的重要特征产物之一,变压器油中呋喃分子含量的检测是评估变压器运行状态的重要离线检测手段。为了明确绝缘纸中呋喃分子向植物油中的扩散过程及其与局部过热故障温度标签的对应关系,采用分子动力学的方法,研究了纳米尺度油-纸界面模型在室温(300 K)、低温过热(500 K)、中温过热(750 K)和高温过热(1000 K)条件下呋喃分子从绝缘纸向植物油中的扩散过程。结果表明:随着温度升高,油-纸绝缘中呋喃分子的扩散系数逐渐增大,而且从绝缘纸中扩散到植物油中的呋喃分子数量与温度密切相关。在300 K与500 K的条件下,鲜有呋喃分子扩散到植物油中;而在750 K和1000 K的条件下,部分呋喃分子扩散入植物油中,且温度越高,扩散到植物油中的呋喃分子数越多。上述仿真结果与油浸式变压器中、高温局部过热故障条件下可检测出呋喃族化合物的经验依据一致。

油浸式电力变压器内部游离气体运动汇集规律

轻瓦斯保护可靠性不足等问题突出,现阶段大多数轻瓦斯保护装置仅发出报警信号而不投跳闸。而近年来国内发生的多起变压器燃爆事故中,轻瓦斯保护均在事故前发出报警信号,这表明其性能具有一定的优越性。因此,对于变压器内部游离气体特性的研究具有重要意义。为分析油浸式变压器内部游离气体运动和汇聚规律,该文设计一个与实际变压器具有相似结构的模型试验箱体,开展典型绝缘缺陷在发展演化过程中的产气试验。基于ANSYS仿真软件,建立相应的气液两相流模型,对典型绝缘缺陷发展演化过程的不同阶段进行仿真分析。试验数据与仿真结果有良好的一致性,结果表明,随着绝缘缺陷的发展,游离气体从缺陷处转移到箱体内各类结构的表面;气体生成速率随着时间的推移而逐渐增加,在此期间气体呈现不同的运动模式并发生形态变化。基于相同理论模型对真型变压器内部气体行为进行仿真分析,得到其附着汇集规律。结果可为开发新型轻瓦斯保护装置提供有益参考。

基于分子动力学模拟的电-热耦合作用下改性纤维素纸的劣化微观机理

计算机技术的快速发展推动了分子模拟技术在变压器绝缘材料和纳米改性研究中的广泛应用。现有研究主要从静态下研究纳米颗粒对绝缘材料的改性效果,从电热联合老化的动态过程中揭示纳米颗粒对绝缘材料改性机制的研究尚未完善。文中建立了不同含量的SiO_(2)/纤维素分子模型,通过分子动力学模拟的技术手段对分子模型进行老化处理,研究电热耦合作用下SiO_(2)改性纤维素微观参数的变化规律。结果表明:纤维素模型的热力学与介电性能主要受温度影响,电场的引入加剧了温度对纤维素的影响,加速了纤维素的老化;添加SiO_(2)颗粒改性后纤维素的热力学和介电性能得到了显著提升,添加含量对改性效果的提升存在阈值,其中5%SiO_(2)/纤维素模型具有最佳改性效果。以上结论表明限制分子链的运动以及提升SiO_(2)与纤维素的相容性是提高绝缘材料抗老化性能的关键,为深入了解纳米改性机制和指导绝缘材料改良提供理论支持。

基于遗传算法及有限元仿真的变压器热点处纸绝缘老化状态表征方法

现有的基于频域介电谱(frequency domain spectroscopy,FDS)的评估方法无法反映热点处的绝缘老化状态,针对此问题,将多目标遗传算法和有限元仿真方法相结合,提出一种“反演模型”以获取变压器高温区域纸绝缘老化信息。构建非均匀老化下油纸绝缘有限元模型,建立不同老化区域油纸绝缘老化状态和FDS数据之间的映射关系。基于测量的油纸绝缘系统的FDS数据,设计多目标遗传算法求解有限元模型中的参数分布。实验结果表明,所提取的有限元仿真模型参数可以很好地表征热点区域绝缘纸的老化状态,在实验室条件下,模型的相对误差小于7%。

变压器绝缘老化引起预试电气绝缘参数变化的仿真研究

变压器绝缘的老化会影响其预试电气绝缘试验结果,但对于它影响试验结果的机理及程度,国内外尚未开展有效研究。为此,结合变压器油纸绝缘的扩展德拜模型,在国外研究者所提供的一套实际变压器的等效模型具体参数值的基础上,仿真研究了变压器油纸绝缘老化对其预试电气绝缘参数(绝缘电阻R60s、吸收比K、极化指数PI和工频电容量C、介损tanδ)的影响。结果表明,变压器预试电气绝缘参数的影响因素多而复杂,且绝缘油、纸的老化对不同电气绝缘参数的影响存在较大区别。初步认为,绝缘油的老化基本不影响绝缘电阻R60s、极化指数PI和工频电容C,但使介损tanδ小幅度增加,同时增大了吸收比K;而绝缘纸的老化对绝缘电阻R60s、吸收比K、极化指数PI的影响较大,会使它们减小,同时小幅度地增大了介损tanδ,但它对变压器的工频电容C没有影响。

电力变压器油纸绝缘热老化研究综述

综述了电力变压器油纸绝缘老化的研究现状,剖析了影响变压器油纸绝缘老化的各种因素。分析了变压器油纸绝缘热老化特征产物及规律,强调了水分对变压器油纸绝缘热老化的影响。分别总结了变压器油纸绝缘热老化的理化和电气特征量,并从微观形貌和分子动力学模拟层面探索绝缘纸内部纤维素的断链机理,从而讨论各种因素对绝缘热老化的影响机制。最后提出了电力变压器绝缘热老化领域后续关注的问题。

基于分子模拟的绝缘纸高温裂解过程水分产生及其破坏作用研究

绝缘纸高温裂解时有大量水分生成,为从微观层面研究水分子生成机制及其对绝缘纸的破坏作用,首先以绝缘纸纤维素链的结构单元纤维二糖(Cellobiose)为研究对象,结合Reax FF反应分子动力学模拟方法(Reax FF-MD),模拟绝缘纸高温裂解过程,发现裂解时有大量水分子产生,且水分子数量呈递增趋势,个别时间区间内水分子数量波动明显,存在水分子的消失及再生现象。因不同位置的O原子的活性存在差异,夺H脱H_2O反应分三种情况,即仲醇羟基夺H脱H_2O、醚基O原子夺H脱H_2O和伯醇羟基夺H脱H_2O。最后利用分子动力学模拟水分对纤维素链的破坏作用,发现水分子在纤维素链间自由空隙中局部运动,并与纤维素链上的羟基和醚基O原子结合氢键,既束缚水分子的运动,又破坏纤维素自身的氢键网络。模拟结果和实际实验结论相一致,可为变压器过热故障分析提供借鉴,表明利用分子模拟方法研究绝缘高分子材料老化微观过程及改性研究是一种行之有效的方法。

变压器绝缘纸热老化降解微观机理的分子模拟研究

基于原子水平的分子模型模拟分子的结构与行为,将有助于更深刻地分析变压器绝缘纸热降解的各种复杂现象的微观机理。为此,利用分子动力学(MD)方法与密度泛函理论(DFT)建立了绝缘纸纤维素的降解模型。采用COMPASS力场对绝缘纸纤维素分子在热场作用下的微观降解过程进行了分子动力学模拟研究。并结合原子力显微镜(AFM)观测分析了实验的绝缘纸热降解特性。模拟结果表明纤维素分子主链的β-1-4糖苷键连接处最易发生断裂,直接导致其聚合度降低,热对纤维素的降解很大程度上影响了绝缘纸的聚合度水平。分子模拟结果与实验实测结果比较相符。

变压器绝缘纸纤维素耐热老化性能提升的模拟及试验

电力变压器在运行过程中绝缘纸会出现热老化现象,而老化产生的水分又会进一步加速绝缘纸的热老化,故绝缘纸的老化状态在很大程度上决定着变压器的使用寿命,所以提升绝缘纸的耐热老化性能对变压器的安全运行具有很重要的意义。通过建立纤维素/水模型,胺类(双氰胺、三聚氰胺和聚丙烯酰胺)改性的纤维素/水模型,运用分子摸拟技术从力学特性、水分子扩散系数和纤维素的玻璃化温度等角度研究了胺类物质对纤维素耐热老化性能的改善效果。同时,将三种胺类添加到绝缘纸中制备了改性绝缘纸,并将其与普通绝缘纸一起在110℃下进行加速热老化试验,然后定期测量普通绝缘纸及改性绝缘纸的聚合度和水分含量。模拟结果表明,胺类改性纤维素/水模型中纤维素在变压器运行温度范围内力学性能得到提升,水分子运动剧烈程度弱于纤维素/水模型,其玻璃化温度较纤维素/水模型提高了41K。试验结果表明,随着热老化时间的增长,胺类改性绝缘纸的聚合度下降速度要比普通绝缘纸的缓慢,且其水分含量也相对较少。模拟分析与试验测试结果均表明胺类物质的加入对绝缘纸纤维素的耐热老化性能具有较好的提升效果。

极化/去极化电流测试技术的仿真研究

极化/去极化电流方法(PDC)是一种非破坏性、不需要变压器吊罩处理的变压器油纸绝缘老化评估方法。为了深入理解油纸绝缘的介质响应机理与PDC测量结果之间的内在关系,本文建立了变压器主绝缘的介质响应等效电路,通过现场测量数据对等效电路的参数进行求取,仿真研究了等效电路中的支路参数变化对PDC测量结果的影响。结果表明等效电路中的较小时间常数支路与油的状态相关;中等时间常数支路与绝缘结构相关;较大时间常数支路与纸板的状态相关。

变压器油纸绝缘介质响应等值电路的仿真分析

为了探究油纸绝缘老化状态与回复电压特征量之间的关系,结合油纸绝缘介质响应的扩展德拜模型,利用一套实际变压器的等效模型参数建模仿真,采用回复电压分析法分析总结了各种因素下油纸绝缘系统的最大回复电压和主时间常数的变化规律。结果表明:采用最大回复电压值和主时间常数相结合的诊断方法能较好地反映出变压器绝缘状态的变化,对实际工程中的应用有一定的指导意义。

一种抗老化绝缘油对绝缘纸热老化影响及原因分析

通过在90℃和110℃下的264天的热老化试验,研究了所研制的抗老化绝缘油和纸组成的油-纸绝缘热老化特性,包括油的颜色、糠醛浓度、微水含量以及绝缘纸聚合度、纸中酸值等重要参数的变化规律,结果表明该油既能提高油本身的抗老化性能,又能明显抑制绝缘纸老化,并提出了所研制的抗老化油的抗老化机制。该文首次在分子层面上提出抗老化油具有束缚水分子的作用;用红外光谱证明了该油通过酯交换反应抑制绝缘纸热应力下的水解作用;首次提出了酯交换反应和酯中羰基氧原子与水分子形成氢键具有联合抗老化能力。

干式变压器绝缘气隙放电特性研究

以矿用干式变压器绝缘纸内部气隙缺陷为研究对象,制作了含有气隙缺陷的绝缘模型,采用常规的脉冲电流法进行了恒压下的局部放电试验,统计了气隙放电测量信号随时间的变化趋势,分析了气隙放电的产生机理。结果表明:绝缘纸气隙放电的发展过程主要包括纤维毛刺烧蚀阶段、空气消耗阶段、放电发展阶段以及临近击穿阶段4个阶段,平均放电幅值与放电次数随着气隙放电的发展均表现出先增大后减小再增大的趋势,为矿用干式变压器绝缘状态评估与故障诊断提供了一定的理论依据。

升温过程中水分子在油纸界面处的迁移和聚集行为的分子模拟

水分在油纸绝缘中的分布及扩散一直为大家所关注,但受取样及测量等技术手段的限制,水分在油纸界面位置的迁移和聚集行为缺乏深入的研究。为此从分子层面对升温过程中水分子在矿物油与纤维素界面的迁移和聚集行为进行了研究。建立了105原子量级的矿物油与纤维素复合介质模型,对其从20℃快速升温到80℃的过程进行了模拟,分析了水分子的聚集程度、运动轨迹、扩散系数以及水分子间氢键的数量。研究结果表明,升温过程中,纤维素中的水分子会向矿物油中迁移。当纤维素中水分质量分数>5%时,快速升温会导致水分子在油纸界面通过分子间氢键作用聚集成水分子簇,形成局部液态水;当水分质量分数>7%时,则会形成较大的液态水分区,严重危害变压器安全。

基于分子模拟技术的变压器油纸绝缘老化研究综述

量子力学、分子动力学和介观动力学等分子模拟技术在油纸绝缘领域的应用日益广泛,可以从微观上揭示油纸绝缘的老化机理。本文介绍了分子模拟技术的基本原理及应用特点,对其在变压器油纸绝缘老化领域的研究现状进行了综述。同时还介绍了油纸绝缘热老化、电老化及环境老化的分子模拟技术研究现状。最后指出了分子模拟技术在油纸绝缘老化领域发展过程中的不足并对其解决方法进行了展望。

不同含水率下电-热耦合应力对油纸绝缘界面小分子气体扩散特性的影响机制

油纸绝缘在实际运行过程中,受到电—热耦合应力作用,其内部产生的气体以气泡的形式从界面处析出,造成局部放电甚至绝缘击穿,危害变压器的运行安全。文中通过搭建油纸绝缘电—热耦合实验平台,分别对不同温度、不同电场强度以及不同含水率条件下的油纸绝缘模型进行实验,实验结果表明,随着电场强度以及含水率的提高,气泡析出的起始温度逐渐下降。由此进一步建立油纸绝缘界面分子动力学仿真模型,以绝缘纸老化裂解过程中产生较多的CO_(2)为例,对其在油纸绝缘界面处的聚集状态、相对浓度,扩散系数,氢键作用以及自由体积分数进行了研究。模拟结果表明,升温提高了自由体积分数,促进了CO_(2)分子的布朗运动,较多CO_(2)分子扩散至界面处与绝缘油中,扩散系数提高了187.96%。相同温度作用下,随着电场强度的增大,CO_(2)分子与其他分子间形成的氢键数量减少,导致CO_(2)受到的分子间作用力减小,290K时,电场从50kV/m增大到200kV/m时,扩散系数平均提高了90.41%;360K时,提高14.02%。含水率的提高使得CO_(2)分子的扩散系数平均提高了367.17%。结果表明,温度和含水率在油纸界面气体分子扩散过程中起主要作用。研究通过微观分子动力学仿真手段,揭示了电—热耦合应力对气体分子扩散的影响机制,为变压器安全运行提供了新的监测评估依据。

典型缺陷油浸纸套管绝缘劣化特性研究

油浸纸电容式套管是目前电力系统中应用最为广泛的套管,发生的故障也相对较多。为研究油浸纸套管缺陷发展过程及绝缘劣化规律,采用多只72.5 kV油浸纸套管分别模拟进水受潮、极板边缘尖端、极板偏差及油中气泡等典型缺陷,在60℃油温下同时对缺陷套管施加42 kV电压和630 A电流进行长时电热联合试验,测量并分析套管绝缘电阻,tanδ、电容量、局部放电特征、频域介电谱曲线等参数的变化规律。测试结果表明,tanδ及电容量对套管绝缘受潮缺陷较为敏感,通过tanδ-f曲线及C-f曲线可分析套管内部水分热扩散过程;通过局部放电测试能有效发现套管油中气泡、极板偏差和极板边缘尖端缺陷,3种缺陷的主要区别在于局部放电t-f图谱中的脉冲放电等效频率范围不同;长时电热联合作用下,油中气泡缺陷套管最早出现绝缘劣化,总体劣化速率相对平缓。极板尖端缺陷套管前期劣化速度慢,但累积效应明显,tanδ及电容量在稳定一段时间后呈阶跃式增长。极板偏差缺陷套管出现绝缘劣化的时间最晚,出现劣化后的趋势与极板边缘尖端缺陷套管类似。研究结果可为套管故障分析及绝缘诊断提供参考。

SiO2表面改性对间位芳纶绝缘纸性能的影响

为了分析SiO2纳米颗粒表面接枝硅烷偶联剂KH550对间位芳纶绝缘纸(PMIA)性能的影响,利用分子动力学方法,建立了表面改性SiO2掺杂PMIA的复合模型。研究了表面接枝率分别为6%和12%的SiO2对PMIA玻璃化转变温度、热稳定性和力学性能的影响。结果表明:对纳米SiO2适当的接枝改性能够进一步提升间位芳纶绝缘纸的热稳定性和力学性能。与不接枝硅烷偶联剂的SiO2相比,表面接枝率为6%的SiO2对PMIA玻璃化转变温度的提升幅度更大,同时在均方位移方面展现出的减弱分子链运动能力以及在力学性能方面表现出的抗形变、抗剪切能力均更加突出。但当SiO2表面接枝率为12%时,对绝缘纸热稳定性与力学性能的提升幅度和作用效果均不显著,与不接枝时相近。最后,对两种接枝率SiO2的影响效果进行了机理分析。

纳米SiO2掺杂对有水环境下间位芳纶绝缘纸性能影响的研究

为了进一步了解SiO2纳米粒子掺杂对有水环境下间位芳纶绝缘纸性能的影响以及有、无水环境下芳纶绝缘纸性能的变化,本文利用分子动力学的方法建立了有水存在的芳纶分子模型、经SiO2纳米掺杂后的芳纶分子模型以及无水参与的芳纶分子模型,研究了SiO2纳米掺杂和水分对芳纶绝缘纸在玻璃转化温度、均方位移及力学模量方面的影响.研究结果表明,水分的存在使得芳纶绝缘纸的玻璃转化温度由原先的549 K降为523 K,在此基础上进行纳米SiO2掺杂后玻璃转化温度可以由523 K提升到530 K.与无水环境芳纶绝缘纸的均方位移相对比可以发现,水分的存在在一定程度上提高了芳纶分子的链运动进而削弱了绝缘纸的热稳定性,而SiO2纳米改性可以减弱水分对芳纶绝缘纸的这种不利影响.改性后的绝缘纸在有水环境下的力学性能得以提升,通过对比有、无水环境下芳纶绝缘纸的力学模量可以发现,一定水分的加入反而使得绝缘纸的力学性能得到了一定的提升.最后对所得模拟结果进行了理论分析,为提升芳纶绝缘纸的性能提供了有益的参考.