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.pdf

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李云鹏1，王靖瑞1，李庆民1，吴兴旺2，吴杰2（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206；2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥230000）摘要：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CO2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CO2分子的布朗运动，较多CO2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，CO2分子与其他分子间形成的氢键数量减少，导致CO2受到的分子间作用力减小，290 K时，电场从50 kV/m增大到200 kV/m时，扩散系数平均提高了90.41%；360 K时，提高14.02%。含水率的提高使得CO2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。关键词：油纸绝缘；分子动力学模拟；电热耦合；扩散机制Influence Mechanism of Electrothermal Coupling Stress on Diffusion Characteristics ofSmall Molecule Gas of Oil Paper Insulating Interface Under Different Water ContentLI Yunpeng1，WANG Jingrui1，LI Qingmin1，WU Xingwang2，WU Jie2（1.State Key Lab of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Electric Power Research Institute，State Grid Anhui Electric Power Company，Hefei 230000，China）Abstract:In the actual operation process，oilpaper insulation is subjected to the action of electrothermal couplingstress，and the gas generated inside it is precipitated from the interface in the form of bubbles，resulting in partialdischarge and even insulation breakdown and endangering the safe operation of transformer.In this paper，the electrothermal coupling experiment platform of oilpaper insulation is set up，and the oilpaper insulation model underis tested at different temperatures，different electric field intensity and different water content.The experimental results show that with the increase of electric field intensity and water content，the initial temperature of bubble precipitation gradually decreases.Therefore，the molecular dynamics simulation model of oilpaper insulation interface is set up further.The CO2generated in the aging and cracking process of insulating paper is taken as an example，the aggregation state，relative concentration，diffusion coefficient，hydrogen bond interaction and free volumefraction at the oil paper insulating interface are studied.The simulation results show that the rising temperature in第59卷第8期：001200212023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：00120021Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.002_收稿日期：20230308；修回日期：20230510基金项目：国家电网有限公司总部科技项目(52120520001A)。Project Supported by Science and Technology Project of the Headquarters of State Grid Corporation of China(52120520001A).0引言油纸绝缘是电力变压器和高压电抗器的一种重要绝缘形式，它的工作状态直接决定了变压器的运行年限1。油纸绝缘在运行过程中，水分与气体会加速绝缘老化，进一步导致整体绝缘性能失效2-6。当油纸绝缘中含水量较高时，会加快油纸绝缘的老化速度，削弱油纸绝缘的绝缘强度，增大电导率，造成电场严重畸变，甚至发生沿面闪络或击穿。而且由于油纸绝缘长期运行在强电场以及高温环境下，局部位置过热或场强过高时，绝缘油中会产生大量小分子烃类气体，例如CH4、C2H2等气体，绝缘纸中的纤维素受热氧化分解，产生 CO2、CO 等小分子气体。在一定外界条件下，油纸内的气体会以气泡的形式在界面处逸出，气泡在电场的作用下与纤维素等杂质排列成桥，从而在低场强下引发击穿7。因此，研究气体分子在油纸绝缘界面处的扩散机制，对预防油纸绝缘界面气泡析出，避免击穿放电等故障具有重要意义。国内外学者对油纸绝缘界面处气泡析出展开了一系列实验研究并取得了诸多成果。刘思华8等人对高频电压下油纸绝缘系统的产气特性进行了相关研究，发现随着电压频率的升高，油纸绝缘系统中关键气体的产量显著提高，但其并未对工频电压下油纸绝缘产气特性进行研究。OOMMEN9等人进行了了油纸绝缘界面处气泡逸出起始温度方面的研究，并绘制了温度变化曲线。但其研究过程中并未针对含水率以及电场对气泡起始温度的影响。KOCH10等人研究了含水量对油纸绝缘界面气泡起始温度的影响，其研究结果表明，含水率升高时，油纸绝缘界面气泡析出起始温度降低。高萌11对不同溶气量下的油纸绝缘气泡形成起始温度进行了相关研究，讨论了气泡形成与气体溶解度之间的关系。但以上研究并未深入分析电场以及电热耦合条件下对气泡析出的影响。SIEDEL等人12通过实验研究了电场作用下气泡在界面处的形成过程，发现电场强度的增加会导致气泡体积逐渐缩小，但并未针对温度对气泡形成的影响进行研究。目前对于油纸绝缘气泡析出方面的研究，主要基于单一变量，对油纸绝缘复杂运行条件下多种应力耦合作用的研究较少。因此，有必要对温度和电场作用下不同含水率油纸绝缘界面气泡析出特性进行研究。分子模拟技术可以模拟宏观实验无法观测的现象和过程13-15，可以更具体反映气体小分子在复杂运行环境下的微观扩散机制。邱秦攀16等人研究了电场和温度耦合作用下对绝缘油中水分扩散的影响机制，杨涛17对电场和温度单一及耦合作用下绝缘纸中水分扩散特性进行了研究。以上研究均为单一体系，并未针对实际工况下油纸绝缘界面处的小分子迁移与积聚特性进行研究。王伟18等人研究了温度与电场对水分子在油纸界面聚集的影响，指出在某些特定含水率条件下，水分子在界面处会形成高水分区，对绝缘造成破坏。但其并未研究油纸绝缘界面处气体分子扩散特性，水分子为极性分子，气体分子一般为非极性，其扩散特性不同，因此有必要对油纸绝缘界面处气体分子扩散特性进行研究。考虑到目前油纸绝缘界面处小分子扩散和聚集规律主要集中在水分子上，水分子属于极性分子，而CO2等气体属于非极性分子，扩散规律存在着显著差异。且CO2作为特征产物之一，其生成速率较快且生成数量较多19，因此有必要对CO2分子在界面处扩散的规律进行研究。YANG Lijun20等人creases the free volume fraction，promotes the brownian motion of CO2molecules，and more CO2molecules diffuseinto the interface and the insulating oil，and the diffusion coefficient increases by 187.96%.At the same temperature，with the increase of electric field intensity，the number of hydrogen bonds formed between CO2molecule andother molecules decreases，leading to the decrease of intermolecular force on CO2.At 290 K，when the electric fieldincreases from 50 kV/m to 200 kV/m，the diffusion coefficient increases by 90.41%on average.At 360 K，the increase is 14.02%.The increase of water content increases the diffusion coefficient of CO2by 367.17%on average.The results show that temperature and moisture content play important roles in the diffusion of gas molecules at theoilpaper interface.In this study，the influence mechanism of electrothermal coupling stress on gas molecular diffusion is revealed by means of micro molecular dynamics simulation，which provides a new monitoring and evaluationbasis for safe operation of transformer.Key words:oilpaper insulation；molecular dynamics simulation；electrothermal coupling；diffusion mechanism变压器技术李云鹏，王靖瑞，李庆民，等.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132023年8月第59卷第8期分别对绝缘油以及纤维素中CH4、CO2等气体分子的扩散特性进行了研究，但还需进一步针对实际工况下不同含水率的油纸界面气体分子扩散特性进行研究。国内外的研究人员对油纸绝缘界面处气泡析出以及油纸绝缘小分子气体的扩散规律进行了诸多研究，但其研究主要关注单一变量或单一体系对气体分子的影响规律以及水分在界面处的扩散、聚集特性，文中通过实验与分子动力学仿真手段深入研究了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，探究了不同含水率下电热耦合作用对气泡析出起始温度的影响，分析了电场、温度以及含水率对油纸绝缘界面CO2分子扩散的影响机制，进一步为改善油纸绝缘运行条件提供参考。1油纸绝缘气泡生成模拟实验1.1油纸绝缘电热耦合实验平台为了模拟油纸绝缘界面析出气泡的过程，文中设计了以板板电极为基础，辅以PID智能温控仪的油纸绝缘体系下电热耦合试验平台，见图1。图1电热耦合试验平台设计图Fig.1Schematic diagram of the electrothermal couplingtest platform平台可分为可视化部分、电场加压部分、气泡产生部分、图像采集部分。其中可视化部分由油容器组成，其材质为石英玻璃，内部装有昆仑25号变压器油，石英玻璃具有耐高温、高透明度的优点，便于界面处气泡的观测。电场加压部分采用高压交直流电源与板板电极来模拟变压器内部的电场，电极采用黄铜材质，板电极直径50 mm。板电极利用聚四氟乙烯锁紧套固定在油杯侧壁上，可以通过螺纹调节电极板间距离，对电场大小进行调节。油杯顶部配有木制绝缘杯盖，中间处开孔，孔内部旋入一根直径为8 mm的铜棒。实验时，可将绝缘纸缠绕在铜棒上，模拟变压器/高压电抗器内部绕组。图像采集部分包括高速相机、计算机、冷光灯等，高速相机为IDT相机NX系列，采用CMOS传感器，拍摄帧率可达3 000 fps，冷光灯采用紧凑型无频闪LED灯，可以提高图像拍摄质量，计算机用于控制相机拍摄及后续图像处理。1.2样品处理及测试方法首先将实验所用变压器油过滤数次，确保其中不含杂质，随后将其放入真空干燥箱，在温度100、低于133 Pa的气压环境中干燥72 h，干燥后的变压器油含水量小于5mg/L。将尺寸为(7070)mm2，厚度为1 mm的绝缘纸试样，放入温度为120 的真空箱中干燥48 h。将干燥后的绝缘纸取出浸入干燥后的油样中，然后将油纸试样放入温度80 的真空箱，脱气48 h。如果在一天内油中水分含量变化小于4 mg/L，则认为油纸绝缘试样中水分达到平衡。处于运行中的变压器，其内部绝缘纸含水量大约在3%5%之间21，故以此方法制备浸油后含水量为(质量分数)2%、4%、6%的3种绝缘纸试样。通过智能温控仪对油纸绝缘模型进行加热，模拟局部发热的变压器绕组，利用高压电源给定所需电场强度，以模拟不同电压等级的电力变压器和高压电抗器内部电场强度。通过高速相机记录不同情况下绝缘纸表面的气泡生成情况。为了保证绝缘纸受热均匀，实验中加热时间一般为5080 min。每组试样分别进行5次实验，取5次实验结果的平均值作为气泡析出的起始温度。1.3结果分析利用已建立的联合试验平台，极板间距设置为40 mm，见图2。从图2可以看出，在无外加场作用的情况下，油纸界面几乎没有气泡析出。图2无外加场作用时油纸绝缘界面处气泡生成情况Fig.2Bubble formation at oil paper insulating interfacewithout external field首先，对含水量为2%的绝缘纸进行实验，两极板之间施加28 kV的电压，见图3。从图3中可以看出，油纸绝缘界面处可观察到的气泡数量极少，且气泡析出起始温度较高。随后，更换为含水量为 4%的试样，对模型升温。油纸绝缘界面处开始产生较多气泡。气泡产生后，脱离绝缘纸，在电场力和浮力的共同作用下开始向斜上方运动，见图4。14图3不同温度以及起始场强作用下绝缘纸含水率2%界面气泡析出情况Fig.3The moisture content of insulating paper is 2%under different temperature and initial field strengthinterfacial bubble precipitation图4不同温度以及起始场强作用下绝缘纸含水率4%界面气泡析出情况Fig.4The moisture content of insulating paper is 4%under different temperature and initial field strengthinterfacial bubble precipitation最后对含水量为6%的模型进行实验，见图5。从图5中可以看出，油纸绝缘界面处产生了较多气泡，且气泡起始温度较前两组较低。图5不同温度以及起始场强作用下绝缘纸含水率6%界面气泡析出情况Fig.5The moisture content of insulating paper is 6%under different temperature and initial field strengthinterfacial bubble precipitation不同含水率及不同电场强度条件下气泡的起始温度曲线见图6，通过图6可以看出，当含水率逐渐升高以及电场强度逐渐升高时，气泡从绝缘纸中析出的起始温度也逐渐降低，此时在绝缘纸外表面逸出大量气泡。气泡出现后脱离绝缘纸表面向上运动。初始阶段气泡一般数量较少，较难观察，直径一般小于1 mm。气泡脱离绝缘纸后，受浮力与电场力共同作用在油中向斜上方运动，油中存在大量脱离绝缘纸表面的气泡。实验结果表明，电场与温度场的升高均促进了油纸绝缘界面气泡析出，但是电场和温度对界面处气泡析出的微观影响机制尚不清楚。由于油纸绝缘界面气泡的析出本质上是一种界面传质过程，其受到界面两侧分子浓度的影响。下面通过分子动力学仿真的方式对温度及电场对不同含水率下油纸绝缘界面小分子气体扩散特性的影响机制进行深入分析。图6气泡析出起始温度Fig.6Onset temperature ofbubble precipitation2油纸绝缘模型构建与计算方法2.1模型构建根据文22中给出的克拉玛依25号变压器绝缘油的基本组成及比例，见表1，并分别添加2%、4%、6%质量分数的水分子，构建3组绝缘油模型，模型的构建与实际工况保持一致。表125号变压器油的组成成分Table 1No.25 transformer oil composition成分百分比/%单链烷烃11.6单环烷烃15.5二环烷烃28.5三环烷烃23.3四环烷烃9.7芳香烃8.3绝缘纸的组成单元是纤维素，纤维素由葡萄二糖通过糖苷键重复连接构成，结构见图7。天然纤维素有两种不同的形态，即无定形态和晶态。晶态的主要组成是排列有序的纤维素分子，无定形态主要由纤维素分子不规则排列构成。由于不同聚合程度对物理化学性质影响不大23。因此，采用聚合度为6(DP=6)的纤维素链作为一个重复单元建立绝变压器技术李云鹏，王靖瑞，李庆民，等.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152023年8月第59卷第8期缘纸模型。分别建立含水质量分数为2%、4%、6%的纤维素模型，随机添加CO2气体分子，构建初始气体分子含量为 5%的纤维素模型，初始密度设置为1.55 g/cm3。将已建立的绝缘油模型和纤维素模型，分别进行多次能量和结构的优化，使分子密度、能量达到合理水平。然后再建立油纸绝缘复合介质模型，最后再进行数次的模型结构和能量的优化，使复合模型达到能量最低点，油纸绝缘分子体系处于相对稳定的状态，过程见图8。图8左侧分别是绝缘油模型以及纤维素气体分子混合模型，通过Build Layer工具，构建图8右侧的界面模型。图7葡萄二糖结构Fig.7Grapevine disaccharide structure图8油纸界面模型建立过程Fig.8Oilpaper interface modeling process2.2计算参数在分子动力学模拟的过程中，首先使用NPT系综对模型进行200 ps的模拟，其粒子数目、压强、温度保持定值，使模型整体达到能量最低的状态，然后使用NVT系综对复合介质模型在290 K和360 K，分别进行分子动力学模拟，对每一次仿真结果进行记录。在温度单独作用之后，对模型施加电热耦合作用。电场采用恒定电场，这是因为中国交流电的频率是50 Hz，即每隔0.01 s的时间电压就会改变一次方向。而分子动力学仿真的时间尺度为ps级别，SHAFIEI M24等人通过分子动力学仿真手段，改变电场施加的方向，发现在短时交变电场下，水分子的运动并未受到较大改变，可以定性的比较有无电场以及电场大小对于CO2分子扩散过程的影响。电场大小与实际工况保持一致，力场选择PCFF力场25；温度采用Andersen方法进行控制26；压强采用Berendsen方法进行控制27，压强值设定正常大气压101.3 kPa相同；采用Velocity Verlet蛙跳法进行求解牛顿方程，起始速度采用Boltzmann分布随机指定，范德华作用采用Atom Based方法控制，静电作用采用 Ewald 方法控制。模拟工作均是通过 AccelrysMaterials Studio 8.0软件包进行实现。3气体分子扩散过程与机制对不同含水率的油纸绝缘模型分别在290 K和360 K温度下、以及不同电场强度下，进行了分子动力学仿真模拟。分别对不同含水率，不同温度以及不同电场作用下的CO2分子的界面处分子聚集状态以及界面处相对浓度曲线、氢键作用、均方位移、自由体积分数以及扩散系数进行了对比、分析。3.1界面处CO2分子聚集状态及浓度分布经过分子动力学仿真后油纸界面处CO2分子的聚集状态见图9，由于仿真后界面处分子聚集状态大致相同，便以6%含水率、360 K、200 kV/m作用后的模型为例。为了突出显示CO2分子，绝缘油内的烷烃分子、纤维素分子以及水分子均采用线性模型加以显示，CO2分子采用球棍模型表示，白色实线代表交界处。界面上方是绝缘油模型，下方是纤维素模型。在仿真开始前，界面附近仅可观察到的CO2分子只有5个，且分布较为随机。当温度、电场升高后，气体分子在油纸界面处发生聚集，可观察到的CO2分子变为11个，且存在部分CO2分子扩散至绝缘油中，气体分子局部浓度较高时容易形成气泡析出。图9CO2分子在界面处聚集状态(以6%含水率、360 K、200 kV/m作用后模型为例)Fig.9The aggregation state of CO2molecules at theinterface(take the model with 6%water content，360 K and200 kV/m as an example)为了进一步说明这种现象，下面计算了垂直于油纸界面方向的CO2分子相对浓度。相对浓度是16指绝对浓度与标准浓度的比值，绝对浓度是该物质的实际浓度，单位是mol/L，标准浓度是1 mol/L。相对浓度曲线通常用于涉及平衡方面的计算中。分子动力学仿真前后油纸绝缘界面两侧的相对浓度曲线见图10，其中由于不同条件下仿真后的相对浓度曲线趋势基本相同，故此处仍以 6%含水率、360 K、200 kV/m作用后模型为例。X轴中，坐标030的范围代表绝缘油，3070的范围代表纤维素，Y轴对应CO2分子相对浓度。在模拟开始前，绝缘油中CO2分子相对浓度为0，在靠近界面处的纤维素中存在少量的CO2分子。在经过200 ps的分子动力学模拟后，绝缘油中CO2分子相对浓度开始有了少量的增长，说明有部分的CO2分子扩散至绝缘油中。结合界面处CO2分子的聚集状态，可知仿真的结果与实验现象基本吻合，进一步验证了仿真模型的合理性与准确性。图10CO2分子在油纸界面两侧相对浓度分布(以6%含水率、360 K、200 kV/m作用后模型为例)Fig.10Relative concentration distribution of CO2molecule on both sides of oil paper interface before andafter simulation(take the model with 6%water content，360 K and 200 kV/m as an example)3.2气体分子均方位移及扩散系数气体小分子的运动特性可以通过均方位移MSD(mean square displacement)表示，其描述了所有粒子在t时刻距离各自起点的运动距离平均值为MSD=|r(t)-r(0)2(1)式(1)中：r(t)和r(0)分别为t时刻及起始时粒子的坐标值；表示对其求平均值。290 K和360 K温度下，不同含水率情况及不同电场强度条件下的CO2分子MSD曲线见图11。图11不同含水率下的CO2分子MSD曲线Fig.11MSD curves of CO2molecules underdifferent water content通过比较290 K和360 K下的CO2分子均方位移曲线可知，随着温度升高，CO2分子扩散能力总体变压器技术李云鹏，王靖瑞，李庆民，等.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172023年8月第59卷第8期呈增强趋势，这是因为温度的上升加剧了分子的热运动。290 K条件下，前100 ps内，不同含水率情况下CO2分子的MSD曲线差异不大，扩散能力差异很小，原因是温度较低，分子运动较弱。后100 ps内，由于作用时间增加，曲线开始逐渐分离，含水率较高的模型，气体分子扩散程度逐渐增大。对体系升温后，CO2分子的扩散程度产生了较大幅度的增长，这是由于温度的作用为模型内部提供了较高的能量，分子布朗运动加强，使得CO2分子能够较为容易的发生扩散运动。虽然在290 K时，2%和4%两种含水率条件下，CO2分子的均方位移曲线基本重合，但是在升温后，4%含水率情况下的CO2分子扩散程度要大于2%含水率情况下的，说明含水率的提高会促进CO2分子的扩散。根据MSD曲线拟合出的气体分子的扩散系数见表2。由表2内数据可知，相同含水率条件下，气体分子扩散速率随着温度的增高而加快，平均提高百分比为187.96%，而相同温度条件下，含水率在由2%提高到6%时，CO2分子的扩散系数平均提高了367.17%。290 K时，电场从50 kV/m增大到200 kV/m时，扩散系数平均提高了90.41%；360 K时，电场对气体分子扩散的影响较微弱，仅提高14.02%，此时温度对扩散影响起主要作用。由此可见，温度、电场强度以及含水率的提高会促进CO2分子在纤维素中的扩散。表2不同条件下CO2分子扩散系数Table 2Molecular diffusion coefficient of CO2underdifferent conditions温度/K290360电场大小/(kVm-1)050200050200CO2分子扩散系数含水2%0.024 830.016 990.030 000.049 970.043 010.047 84含水4%0.048 570.018 650.033 860.135 900.089 260.093 66含水6%0.202 210.186 340.397 121.152 530.436 630.549 763.3电应力对CO2所构成氢键的影响氢键不是化学键，是分子间相互作用力的一种，氢键能处在非键作用能与共价键能之间。在高分子聚合物中氢键广泛地存在，并对化合物的物理化学性质产生了较大的影响，聚合物的溶点和沸点、结构、内聚能密度等理化特性，都与其内部的氢键网络有着不可分割的联系。氢键为电负性较大的氢原子与邻近另外的一个电负性较大的原子(O、F、N等)之间形成的较强的非键相互作用力，其结合能约为28 kcal。对于文中的油纸绝缘界面模型，其内部的氢键主要包括纤维素分子内部以分子之间形成的氢键、纤维素与水分子之间形成的氢键、CO2分子与水分子之间形成的氢键、CO2分子与纤维素分子之间形成的氢键。对于后两种氢键，如图12所示，CO2分子中的氧原子分别与水分子以及纤维素分子中的氢原子之间形成了氢键。当氢键数量较多时，分子间作用力会增大，束缚分子的扩散运动，使其扩散程度减弱。图12CO2分子与纤维素分子、水分子形成氢键Fig.12CO2molecules form hydrogen bonds with celluloseand water molecules对体系内的CO2分子氢键数量进行分析，见表3。从表3内数据可以看出，随着温度的升高，CO2分子与其他分子之间形成的氢键数量未发生较大变化，由此可知温度并不是通过破坏氢键促进CO2分子的扩散。对比电场作用下的氢键数量可知，在电场强度较小时，氢键数量发生了小幅度的波动，随着电场强度的提高，氢键数量发生大幅度的下降，原因可能是强电场破坏了已形成的氢键，使得CO2分子与其他分子的作用力下降，促进了CO2分子在纤维素内的扩散。对比不同含水率下CO2分子与其他分子之间的氢键数量可知，随着含水率由2%增加到6%后，氢键数量逐渐减小，不同条件下H2O分子与纤维素分子间氢键数量见表4，由表4可知，当含水率逐渐提高时，水分子与纤维素分子之间形成的氢键数量逐渐升高，导致CO2分子与纤维素和水分子之间形成的氢键数量减少，间接的促进了CO2分子的扩散。表3不同条件下体系内CO2分子的氢键数量Table 3The number of hydrogen bonds in the systemunder different conditions温度/K290360电场大小/(kVm-1)050200050200氢键数量含水2%1716712135含水4%1315912138含水6%1013898418表4不同条件下H2O分子与纤维素分子间氢键数量Table 4Number of hydrogen bonds between H2O andcellulose under different conditions温度/K290360电场大小/(kVm-1)050200050200氢键数量含水2%524951465254含水4%115112114101106106含水6%1541561641451451563.4热应力对界面体系自由体积分数的影响油纸绝缘模型的总体积VT由被绝缘油和纤维素以及气体分子占据的体积VO和未被上述分子占据的空隙VF组成。自由体积分数(FFV)为空隙体积与总体积的比值，其数值可以作为分子扩散自由程度的参考。不同温度下无电场作用时的自由体积分布情况见图13，其中灰色部分即为自由体积区域，黑色部分为自由体积截面，由于不同含水率下的自由体积分布情况类似，故以2%含水率的模型为例。当温度较低时，体系内自由体积分布较为分散，升温后，一部分自由体积发生了连通且总体积较升温前增大。不同温度、不同含水率条件下模型内部的自由体积分数见表5。相同含水率条件下，随着温度的升高，自由体积分数开始增大，更大的自由体积分数为CO2分子提供了更充分的扩散空间，使得CO2分子可以更容易地发生扩散运动。对比电场与含水率对自由体积分数的影响可知，增大电场并未对自由体积分数产生较大影响，而含水率提高使得自由体积分数发生了下降，原因是随着含水率的提高，体系内分子数增加，且分布较为随机，导致自由体积分数下降。因此，温度升高导致自由体积分数上升，是温度促进 CO2分子扩散的主要原因。图13不同温度下油纸绝缘体系内自由体积分布(以2%含水率为例)Fig.13Free volume distribution in oilpaperinsulation system at different temperatures(take 2%watercontent as an example)表5不同条件下油纸绝缘体系内自由体积分数Table 5Free volume fraction in oilpaper insulationsystem under different conditions温度/K290360电场大小/(kVm-1)050200050200自由体积分数/%含水2%26.2325.5927.8729.7728.0728.88含水4%20.3922.2922.8624.3223.7924.15含水6%17.5918.4217.9419.6920.5620.84通过已有仿真结果，可以掌握不同含水率下电热耦合应力对油纸绝缘界面气体分子氢键数量、自由体积分数等特征值的影响规律，结合油纸绝缘理化特性历史数据，判断油纸绝缘界面处气泡析出情况。根据现场实测出的变压器内部热点温度、油中含水率以及电场强度，推算出相对应的扩散系数、氢键数量等特征值，构建变压器油纸绝缘气泡特征参数动态数据库；在已有的油纸绝缘状态评估模型28-29基础上，对温度、电场强度以及含水率特征参量赋予新的特征权重，丰富评价油纸绝缘运行状态的指标体系，为早期识别绝缘故障创造条件。4结论文中通过搭建油纸绝缘电热耦合实验平台，获得了油纸绝缘界面处气泡析出起始温度随电场、含水率的变化曲线。进一步构建油纸绝缘分子动力学仿真模型，厘清了气体小分子(CO2)在不同外界条件下的扩散特性，揭示了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，结果表明：1)通过实验获得了不同含水率下电热耦合应力对油纸绝缘界面气泡析出特性。含水率较低的绝缘纸试样，析出气泡的起始温度较高，且气泡数量较少；含水率较高的试样，在温度和电场强度较低时，便析出大量气泡，气泡起始温度随着电场强度以及含水率的逐渐升高而降低，气泡脱离绝缘纸后，在绝缘油中自由上浮。2)通过分子动力学仿真手段获取了电热耦合作用对CO2分子迁移、扩散的动力学过程。对油纸绝缘界面处分子聚集状态进行了分析，经过200 ps的分子动力学仿真后，界面处CO2分子数量上升，且发生了聚集，在外界条件作用下会以气泡的形式析出。根据相对浓度曲线可知，绝缘油内的CO2分子相对浓度出现增长，说明有少量CO2分子从纤维素变压器技术李云鹏，王靖瑞，李庆民，等.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192023年8月第59卷第8期中迁移至绝缘油中。3)分子间氢键作用力是束缚CO2分子的扩散的重要影响因素。对比模拟后的氢键数量可知，当电场强度增大时，会对已形成的氢键造成破坏，导致氢键数量大幅度减少，分子间作用力减弱，使其扩散进一步增强。温度较低时，电场强度的增大可以使扩散系数提高90.41%。随着含水率的增加，水分子与纤维素之间氢键数量增大，导致CO2分子与其他分子间形成的氢键数量减少，间接的促进了CO2分子的扩散运动，使扩散系数提高了367.17%。4)油纸绝缘体系自由体积分数同样是影响CO2分子扩散的重要因素。温度升高后，油纸绝缘内自由体积分数增加，为CO2分子扩散提供了较大空间；同时由于温度升高导致CO2分子布朗运动加快，促进了 CO2分子的扩散运动，使得扩散系数提高了187.96%。根据文中研究成果，可进一步丰富不同外界条件作用下的含气泡油纸绝缘状态评估体系，为变压器安全运行提供新的监测评估依据。参考文献：1LUNDGAARD L E，HANSEN W，LINHJELL D，et al.Aging of oilimpregnated paper in power transformersJ.IEEE Transactions on Power Delivery，2004，19(1)：230239.2曹建军