基于分子模拟的油纸绝缘介质机械性能及水分与酸类物质对其老化影响的微观机理研究

油纸混合绝缘介质作为电力变压器的主要绝缘材料，其性能的优劣直接决定着变压器的使用寿命，影响整个电网的运行安全。长期以来，国内外学者对油纸绝缘介质的宏观特性进行了广泛的研究，而宏观现象背后的微观机制的基础理论研究，由于涉及到电气、物理、化学等多学科交叉，同时也受传统实验手段的制约，进展缓慢。近半个世纪以来，分子动力学模拟作为一种研究微观现象的有效手段在物理、化学化工、材料科学等诸多领域取得了巨大的成功。本项目充分利用分子模拟技术的优势，在考虑变压器实际运行环境的前提下，采用微观、介观、宏观多尺度联合的方法，研究"电、热环境下油纸绝缘介质机械性能的微观影响机制"和"水分与酸类物质对油纸绝缘介质理化特性影响的微观机理"这两大基础理论问题，其研究方法和研究成果既可为绝缘纸的改性提供有益参考，亦可为变压器绝缘老化的状态评估及故障诊断等提供理论支撑。

本课题引入分子模拟技术，在充分考虑油纸混合绝缘介质的实际运行环境前提下，研究纤维素的机械强度随温度变化关系、油纸介质之间的相互作用、水分在有无电场时的扩散规律及分布特点、油中不同酸类物质对绝缘纸的影响机理等相关问题。研究表明：(1) 热场作用下纤维素非晶区的拉伸模量小，且随温度的升高，非晶区的力学模量和氢键结构被破坏程度均大于晶区。模拟与实验结果对比分析表明，变压器绝缘纸的热老化首先从非晶区开始。电场的有无对绝缘纸静态力学常数的影响并不明显。但在强电场的作用下，纤维素链可发生断裂，从而导致机械性能的降低。(2) 分析在一定外界环境下(温度、电场)纤维素分子断链过程，发现纤维素分子最先在薄弱的苷键位置上进行断链。纤维素的电热老化会破坏其葡萄糖单体的环状结构，并产生一些活性基团；(3) 考虑到温度及电场对绝缘纸纤维素链糖苷键的的断裂作用，建立了纤维素晶区链断裂模型，研究了绝缘纸纤维素晶区的断裂度、聚合度与机械强度的关系。聚合度的减少和断裂度的增加，伴随体系的弹性系数C33的减少以及分子间氢键数量减少，最终会导致机械强度的减少。(4) 油纸绝缘体系界面的模拟仿真结果表明，油分子不可能进入到纤维素的晶区和非晶区的内部，因此，纤维素机械性能和结构稳定性几乎不受浸油的影响。试验数据较好地验证了仿真结果，浸油和未浸油样品的机械强度相差不大。(5) 油对水分的束缚作用远小于纤维素对水分的束缚作用，使水分子向纤维素绝缘纸中扩散并停留于纤维素绝缘纸中。而电场会会使纤维素晶面和水分子的相互作用能增加，纤维素亲水性增强。水分在纤维素无定形区的运动受电场影响规律性较差。(6) 水分子主要通过破坏纤维素分子间的氢键网络，导致纤维素机械强度的降低，而纤维素分子内氢键对拉伸强度影响并不显著；水分会引起吡喃环上化学键强度变化，开环的热解引发键始终为C—O键；水分会导致纤维素糖苷键化学强度降低，促进糖苷键断裂引起的纤维素降解老化；水分子能够与纤维素链上的羟基形成氢键作用，对相应化学基团羟基和氢基的脱落产生一定的影响。(7) 利用分子动力学对油和纤维素对其热老化生成的有机酸的束缚行为及有机酸与纤维素的相互作用进行了研究。小分子酸将附着于纤维素表面或进入内部，进而对纤维素老化产生影响，大分子酸将吸附于油中，对绝缘纸的老化未形成影响。