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 insulati