水分及酸對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期運行過程中,受到電、熱、水分和有機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。水分和酸類物質對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對油紙絕緣微觀特性的影響對深入挖掘油紙介質的老化機理具有重要的意義。目前,主要以宏觀試驗的手段對油浸絕緣紙進行分析,但僅通過試驗無法了解水分和酸的微觀作用機理。故本文首先結合分子動力學(MD)和密度泛函理論(DFT)的分子模擬方法,研究了水分

2、對絕緣紙微觀特性的影響,計算了纖維素無定形區(qū)的力學常數、氫鍵和 Mulliken布居數,并對不同水分含量的油浸絕緣紙進行了拉伸試驗。然后對初始位置不同的有機酸分子的擴散行為進行模擬分析,最后研究了有機酸對纖維素微觀特性的影響。主要結論如下:
　　①絕緣紙纖維素體系中加入的水分子主要通過破壞纖維素分子間的氫鍵網絡,導致了纖維素機械強度的降低;水分會引起吡喃環(huán)上化學鍵強度的變化,開環(huán)熱解的引發(fā)鍵始終為C—O鍵;水分會導致纖維素糖苷鍵化

3、學強度降低,促進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,對相應化學基團羥基和氫基的脫落產生一定的影響。實驗室油浸絕緣紙拉伸試驗結果與模擬分析結果相一致。
　?、诔跏嘉恢迷诶w維素中的小分子有機酸與纖維素的相互作用能遠大于與絕緣油的相互作用能,纖維素可以將小分子有機酸緊緊束縛在纖維素內部。對于初始位置在絕緣油中的有機酸,甲酸、乙酸和乙酰丙酸三種小分子有機酸能從絕緣油中擴散到了纖維素的內部。而環(huán)烷酸和

4、硬脂酸等大分子有機酸在模擬前后一直存在于油中,并未擴散到纖維素的內部。此外,水分能使纖維素體系內自由體積增加,為粒子的擴散提供更多的活動空間,從而導致有機酸分子的擴散系數增大。
　?、塾袡C酸對纖維素微觀特性的影響規(guī)律與水分相似:大量的酸分子會導致MSD的顯著增加,表明纖維素鏈運動增強,結構穩(wěn)定性降低;酸分子引起纖維素的力學常數變化;酸分子導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絡,纖維素分子內和分子間的氫