油纸绝缘介质的直流空间电荷行为机理及其电荷陷阱的模拟研究

"十二五"是我国特高压电网发展的重要阶段，在高压直流输电网络飞速发展的大背景下，对电力设备运行稳定性、安全性的要求日益提高。然而，针对大型电力设备中最为常用的油纸绝缘材料空间电荷特性的研究，受到分析、测量手段的制约，进展缓慢。本项目以在不同外界条件下的油纸介质直流空间电荷特性的宏观测试及分析为基础，引入数值模拟、分子模拟等交叉学科的研究方法，创新性地建立切合油纸材料特质的电荷陷阱的理论模型及缺陷纤维素分子模型，探索电子- - 空穴对在缺陷纤维素中的特性及其与油纸介质空间电荷行为之间的关联机制，进而系统地研究油纸绝缘材料直流空间电荷行为的内在机理这一基础理论课题。项目研究成果既填补了国内外在本领域的空白，具有一定学术价值，亦对提高绝缘材料的物理化学性能及其电气性能提供积极参考，对提升电力系统特别是高压直流输电系统中关键电力设备的运行可靠性有着指导意义。

本项目以不同外界条件下的油纸介质直流空间电荷特性的宏观测试及分析为基础，按照“宏观试验+数值模拟+分子模拟”的研究方法，多方面、多角度地研究油纸绝缘材料直流空间电荷行为的内在机理这一基础理论课题。.本项目通过对比性试验分析了直流电场、温度场、水分以及不同热老化程度条件下，油纸绝缘材料的空间电荷行为特性；通过比较直流电压下不同电老化程度低密度聚乙烯的空间电荷衰减特性，并借助于提出的离散陷阱模型，获得了能够反映老化程度的空间电荷陷阱参数；通过纤维素无定形区的分子模拟及其在变压器运行环境下的力学参数、径向分布函数、均方回旋半径等参数的分析；通过分子动力学模拟测量纤维素与水模型，纤维素与水及胺类模型中的力学特性、水分子的扩散系数、纤维素的链间距；通过分子模拟来研究了AI2O3与绝缘纸纤维素的作用机理，并加以试验的方法来研究纳米AI2O3对改性绝缘纸的耐热性能的提升效果。.项目研究成果表明，外加直流电压主要影响注入及汇聚的空间电荷量，而测试温度则影响电荷迁移运动速率及空间电荷分布位置，热老化能够明显加速正电荷的初始注入量、注入深度、局部汇聚量；油纸介质的空间电荷消散过程呈现明显的指数衰减规律；绝缘油热老化越严重，相应绝缘油浸渍油纸绝缘试品内部越容易注入和积聚电荷；油浸绝缘纸试品内部的空间电荷总量、表面陷阱能级密度和电场畸变率均随绝缘油老化程度的加重而增大。油纸绝缘试品的水分含量越高，越利于电荷的注入和迁移，而且油纸绝缘试品内部慢速运动电荷的量也越少。.不同电老化样品单位体积内的总陷阱密度近似相等，但电老化改变了材料体内的陷阱密度分布，可考虑利用不同陷阱深度下的陷阱密度分布信息来表征电老化程度。.通过分子模拟可知，添加了胺类的模型中纤维素在变压器运行温度下比空白样模型中纤维素弹性模量大，其水分子扩散系数比空白样模型的小。.从力学特性上看向纤维素中加入少量的聚硅氧烷时对纤维素的拉伸模量和柯西压具有较好的提升效果，从链运动上看，在纤维素中加入的聚硅氧烷的质量分数小于10％之前都能减小纤维素链在热老化过程中的链运动，从而提高纤维素的性能。.本项目截止目前，已发表科研论文19篇，其中，SCI检索6篇，EI检索7篇，国际国内会议5篇，申请国家发明专利4项，获得各种奖励3次，培养硕士研究生2名。.本项目基本完成了项目合同书约定的研究内容，取得的研究成果达到了预期目标的要求。