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电力变压器用纤维素绝缘纸物理改性的研究进展

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绝缘材料 2023年第11期56卷 1-6页

作者：霍上元刘俊伍刘乾季雨辽宁西电兴启电工材料有限公司辽宁辽阳111000

绝缘纸的性能决定了电力变压器的可靠性和寿命,为了保障变压器安全可靠运行,本文结合国内外文献及相关研究成果,从纳米粒子改性和热稳定剂改性阐述当前采用物理改性技术提升绝缘纸性能的研究现状,分析两种改性方式的利弊,探究经济可行... 详细信息

绝缘纸的性能决定了电力变压器的可靠性和寿命,为了保障变压器安全可靠运行,本文结合国内外文献及相关研究成果,从纳米粒子改性和热稳定剂改性阐述当前采用物理改性技术提升绝缘纸性能的研究现状,分析两种改性方式的利弊,探究经济可行的电力变压器用纤维素绝缘纸改性方法,从本质上提升变压器运行可靠性。

关键词：电力变压器纤维素绝缘纸热稳定剂纳米粒子

硅烷偶联剂接枝六方氮化硼改性变压器纤维素绝缘纸的性能研究

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硅烷偶联剂接枝六方氮化硼改性变压器纤维素绝缘纸的性能研究

作者：彭箫西南大学

学位级别：硕士

农村电网是农村重要的基础设施,加强农村电网建设,不断提升农村供电质量,是全力服务乡村振兴的重要保障。变压器作为配(农)网中最主要的电力设备之一,其绝缘性能是保证电网安全运行的关键,因此变压器内部绝缘纸的重要性不言而喻。绝缘... 详细信息

农村电网是农村重要的基础设施,加强农村电网建设,不断提升农村供电质量,是全力服务乡村振兴的重要保障。变压器作为配(农)网中最主要的电力设备之一,其绝缘性能是保证电网安全运行的关键,因此变压器内部绝缘纸的重要性不言而喻。绝缘纸在变压器的长期运行中往往会因为其内部的热应力、机械应力和电磁场影响出现劣化,影响变压器的运行。因此需要使用具有优异热稳定性能、机械性能和电气性能的绝缘纸以延长其寿命,从而延长变压器使用寿命。基于纳米粒子改性技术在复合材料领域的广泛应用,以及六方氮化硼(h-BN)和硅烷偶联剂的优异性能,本文选择使用纳米h-BN和硅烷偶联剂接枝h-BN对纤维素绝缘纸进行改性。本文采用分子模拟与实验相结合的方法,首先建立了纯纤维素模型、不同质量分数h-BN改性纤维素模型和不同硅烷偶联剂接枝h-BN改性纤维素模型,然后制备了不同质量分数h-BN改性纤维素绝缘纸和不同硅烷偶联剂改性纤维素绝缘纸,对比分析了几种改性方式纤维素绝缘纸的热稳定性能、机械性能和电气性能,得到相对最优的改性方式。最后对未改性纤维素绝缘纸和2wt%KH550-h BN改性纤维素绝缘纸进行为期60天加速热老化试验,测试其性能。主要结论如下:(1)不同质量分数h-BN纳米粒子改性的纤维素热稳定性能、机械性能和电气性能均随着h-BN质量分数的增加先增大后减少,其中,2wt%改性效果相对最佳。仿真结果表明,当纳米h-BN在纤维素内部质量分数为2wt%时,纤维素的内聚能密度和导热系数分别提升了48%和40%,而均方位移和自由体积占比显著下降,这表明适量h-BN的掺杂能让纤维素内部的网络连接更加紧密,内部连接不易在高温下发生破坏,纤维素维持较好的热稳定性能。2wt%h-BN改性纤维素模型的体积模量、剪切模量、弹性模量和柯西压分别提升了11.2%、68.5%、58.7%和224.6%,而极化率降低了63.4%,而纳米粒子含量过高会在纤维素内部发生团聚,造成性能下降。对不同绝缘纸的导热系数、抗张强度、断裂伸长率、介电常数、介质损耗和工频击穿场强测试得出,h-BN改性纤维素绝缘纸的热稳定性能、机械性能和电气性能显著高于未改性纤维素绝缘纸,2wt%h-BN改性效果相对最佳,与分子动力学仿真结果一致。(2)不同硅烷偶联剂接枝h-BN纳米粒子改性的纤维素热稳定性能、机械性能和电气性能均显著提升,且KH550接枝h-BN改性效果相对最佳。仿真结果表明,表面接枝硅烷偶联剂的h-BN能够更大程度提升纤维素模型的内聚能密度、导热系数和玻璃转变温度,降低均方位移和自由体积占比。同时,硅烷偶联剂接枝后的h-BN能显著提升纤维素模型的韧性、抗变形能力和介电性能,其改性效果比hBN更显著,具体表现在柯西压比纯纤维素增加了204%,极化率降低了65.3%。三种硅烷偶联剂接枝h-BN改性纤维素模型的能力大小满足:KH550>KH570>KH560。实验结果表明,硅烷偶联剂接枝h-BN改性后得到的纤维素绝缘纸具有更好的热稳定性能、机械性能和电气性能,KH550改性效果相对最佳。(3)2wt%KH550-h BN改性纤维素绝缘纸比未改性纤维素绝缘纸的抗热老化性能更好,KH550-h BN的掺杂能有效抑制纤维素绝缘纸的劣化。在老化过程中,随着老化时间的增加,改性纤维素绝缘纸的机械性能下降趋势比未改性纤维素绝缘纸更缓慢。从两种绝缘纸的导热性能测试得出,KH550-h BN的加入使得纤维素绝缘纸保持较高的散热性能,在老化过程中,改性纤维素绝缘纸的导热系数始终明显高于未改性纤维素绝缘纸,这是因为KH550-h BN的掺杂让绝缘纸内部h-BN/纤维素链网络连接更为紧密,不易断裂,从而维持较稳定的导热性能。从两种绝缘纸的介电性能、工频击穿场强测试得出,在老化过程中,改性纤维素绝缘纸的介电常数与介质损耗始终低于未改性纤维素绝缘纸。老化后的改性纤维素绝缘纸工频击穿场强下降了23.4%,未改性绝缘纸下降了29.5%,这表明,KH550-h BN的掺杂抑制了老化过程中绝缘纸的电气性能劣化。

关键词：纤维素绝缘纸硅烷偶联剂接枝h-BN 热稳定性能机械性能电气性能

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新型疏水纤维素绝缘纸的制备及性能研究

新型疏水纤维素绝缘纸的制备及性能研究

作者：秦晋珊西南大学

学位级别：硕士

中国作为农业大国,农业在中国的经济发展中占有举足轻重的地位和作用,随着现代化的进程,农业现代化也紧跟时代的发展前进,各项基础设施建设的要求也在逐渐提高。目前,农业用电负荷的不断攀升对配电网(农村电网)电力设备的安全稳定运行... 详细信息

中国作为农业大国,农业在中国的经济发展中占有举足轻重的地位和作用,随着现代化的进程,农业现代化也紧跟时代的发展前进,各项基础设施建设的要求也在逐渐提高。目前,农业用电负荷的不断攀升对配电网(农村电网)电力设备的安全稳定运行提出了更高的要求。对于变压器这一电网核心设备而言,其运行寿命的提升尤以其绝缘系统中绝缘纸的性能提升最为重要。研究表明,水分能够直接参与纤维素的降解过程,起到加速绝缘纸分解的作用。在纤维素中存在许多强亲水性的羟基,羟基会与水分子形成氢键从而将部分水分子束缚在纤维素中。纤维素中吸附的水分越多,其水解速度就越快,从而导致绝缘纸的绝缘性能下降速度变快。当绝缘纸的绝缘性能下降到阈值时,会出现击穿现象,进而导致绝缘性能完全丧失。因此,在油浸式变压器中,减少绝缘纸的水分含量并提升其疏水性能,是延长绝缘纸使用寿命至关重要的措施。因此,本文在传统纯纤维素绝缘纸的基础上,制备了一种亲油、疏水,且具备一定疏水自修复能力的新型纤维素绝缘纸,并对其物理和化学损伤下的疏水自修复性能进行了测试。然后,在130℃的条件下对制备的新型纤维素绝缘纸和纯纤维素绝缘纸进行了45天的加速热老化试验,探究了疏水涂层的添加对油纸绝缘体系热老化特性的影响。最后,采用分子动力学模拟的方法对疏水涂层改善油纸绝缘体系热老化性能的微观机理进行了探究。本文得到的主要结论如下:(1)采用PTFE疏水纳米粒子、氟碳表面活性剂ST-110、氟化烷基硅烷(FAS)三元体系为主要成分的涂层溶液,通过湿化学法涂覆在传统的纯纤维素绝缘纸基材上,制备了一种具备疏水性且亲油的新型纤维素绝缘纸。由于ST-110/FAS/PTFE三种试剂的相互作用,彼此之间的吸附使得含氟基团在绝缘纸表面形成了一层疏水薄膜,氟原子相互之间的排斥作用也增强了对水分子的排斥力,因此表现出很强的疏水特性。同时,由于疏水薄膜的存在使得绝缘纸的表面自由能下降到与油相近,而水的表面自由能远高于油和新型纤维素绝缘纸,所以油可以自发地被吸收进新型纤维素绝缘纸的纤维空隙中,而水被排斥,最终实现了涂层的疏水亲油性能,从而改善了绝缘纸的导电和绝缘性能。(2)制备的新型纤维素绝缘纸具有良好的疏水稳定性,与水的接触角可达141°,与矿物绝缘油的接触角小于20°,可以承受强酸和强碱的腐蚀,且疏水性能可实现自我修复。将新型纤维素绝缘纸放置于水、矿物油、高温条件下十天后仍然表现出了良好的疏水性能。且新型纤维素绝缘纸能够抵抗强酸和强碱的攻击,而不改变其对水的驱避性。同时,当涂层表面受到损伤后,将新型纤维素绝缘纸在80℃下加热12h,其能够重新具备疏水性能。特别的,该自修复特性具有可重复性,在进行十次化学/物理表面损伤及加热处理的循环后,新型纤维素绝缘纸仍然具有疏水性,与水滴的接触角仍然保持在90°以上。热处理后表现出的自修复能力源于FAS在高温下从内层纤维间向表层的迁移,在加热过程中,表面自由能最小化的趋势是氟化烷基链向涂层表面迁移的驱动力。(3)通过在纤维素绝缘纸表面涂敷疏水涂层,可以增强新型纤维素绝缘纸的抗热老化能力,并且和矿物油具有较好的兼容性。在热老化过程中浸渍新型纤维素绝缘纸的绝缘油产生的酸值和水分的含量更少,涂层的存在降低了酸和水分对绝缘纸的影响,反过来减缓了油纸绝缘系统的老化,提升了油纸绝缘系统的抗热老化能力。加速热老化试验结果表明,新型纤维素绝缘纸的抗张强度和断裂伸长率在整个老化过程中都高于纯纤维素绝缘纸,且下降趋势更为平缓;并且老化45天后,其相对介电常数和介质损耗因素相较于纯纤维素绝缘纸分别降低了10.4%和9.9%。基于分子动力学的计算结果表明,在没有涂层的模型中,水分主要集中在纤维素层,而在有涂层的模型中,水分主要集中在绝缘油层。此外,新型纤维素绝缘纸与水分子形成的氢键数目更少,与水分子的吸附作用能更小,使水分子向纤维素中扩散的趋势减弱,从而减小了水分对纤维素纸降解的促进作用。综上,在纤维素绝缘纸上涂敷疏水涂层可以减缓水分对纤维素纸、矿物油热老化降解的促进作用,同时减少了油纸绝缘因热老化降解而产生的极性分子的数量。所以新型纤维素绝缘纸的机械强度和介电性能更好,并且与其配合的矿物油具有更优的基本电气性能。

关键词：纤维素绝缘纸疏水自修复热老化性能电气性能

聚倍半硅氧烷改性变压器纤维素绝缘纸性能的研究

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聚倍半硅氧烷改性变压器纤维素绝缘纸性能的研究

作者：杨路西南大学

学位级别：硕士

随着“十四五”拉开序幕,我国踏上了全面推进乡村振兴的新阶段。加速现代农业设施的普及、实施高效的现代灌溉方案、建立智能粮仓等,都离不开电力能源的稳定支撑。近年来,国家不断发展特高压输电以应对生产生活的需求,对绝缘材料也提出... 详细信息

随着“十四五”拉开序幕,我国踏上了全面推进乡村振兴的新阶段。加速现代农业设施的普及、实施高效的现代灌溉方案、建立智能粮仓等,都离不开电力能源的稳定支撑。近年来,国家不断发展特高压输电以应对生产生活的需求,对绝缘材料也提出了更高的要求。作为变压器中不可更换的内部绝缘材料,绝缘纸的重要性不言而喻。在变压器的正常工作运行中,绝缘纸处在复杂的工作条件下,因机械振动而产生的机械应力、损耗发热而产生的热应力、绕组中的电磁场等都是影响绝缘纸寿命的重要因素,因此需要使用综合性能(机械强度、电气强度、介电性能、热稳定性能等)优越的绝缘纸作为变压器的内绝缘,以保证变压器在服役年限内稳定运行。基于纳米改性技术在材料改性领域的突出表现,以及聚倍半硅氧烷(POSS)及其衍生物的优越性能,本文选择使用纳米POSS衍生物对纤维素绝缘纸进行改性研究,提高其综合性能。本文使用分子动力学方法,建立了纯纤维素模型、不同掺杂量h-POSS改性纤维素模型以及八甲基POSS(PMSQ)、八苯基POSS(PPSQ)和八氨苯基POSS(OAPS)改性纤维素模型,并制备了不同浓度的PMSQ、PPSQ、OAPS改性纤维素绝缘纸,通过实验与仿真相结合的方法,对比分析了几种改性纤维素绝缘纸的机械性能、电气性能以及热稳定性能,并在此基础上对10wt%OAPS改性绝缘纸进行了加速热老化试验,测试了其抗热老化性能并对其机理进行了分析。得到了以下主要结论:(1)通过对不同掺杂质量分数h-POSS对改性纤维素性能的影响的研究发现,h-POSS的掺杂能有效提升纤维素的力学性能,增强纤维素的热稳定性,并降低纤维素的极化率。自由体积的计算结果表明h-POSS的掺杂在一定程度上填充了纤维素链的空隙,h-POSS具有纳米尺寸,其纳米尺寸效应,可以使h-POSS基体与聚合物结合得更加紧密,进而增加纤维素链之间的纠缠,使纤维素链更加紧密,抑制分子链的运动,进而提升整个体系的热稳定性,这一点在均方位移(MSD)的计算结果中也得到了证明。随着掺杂量的增加,改性纤维素的力学性能和热稳定性呈先上升后下降的趋势,其中3wt%h-POSS改性效果相对最佳,其分子链运动程度最小,拉伸模量、体积模量、剪切模量的值分别提升了19.96%、22.19%、20.52%。随着掺杂浓度的上升,改性纤维素的极化率呈下降趋势。极化率的降低的主要原因包括h-POSS固有的低介电常数值、h-POSS大分子对偶极子的束缚作用以及h-POSS笼形结构增加了空气含量。(2)通过探究取代基对纤维素绝缘纸的改性效果的影响发现,使用POSS衍生物纳米粒子对纤维素绝缘纸进行改性,可以有效提升绝缘纸的机械性能与电气性能,并增强其热稳定性能。三种POSS衍生物掺杂均能在保持绝缘纸断裂伸长率基本不变的情况下,提升绝缘纸的抗张强度,改性效果OAPS>PPSQ>PMSQ。其中,10wt%OAPS掺杂改性效果相对最好,将绝缘纸的抗张强度从9.05k N/m提升至9.56k N/m。对改性纤维素绝缘纸电气性能的实验及仿真的结果进行分析可以发现,POSS的掺杂能使绝缘纸在保持工频击穿电压基本不变的同时,降低体系的极化率,并有效降低其相对介电常数,改性效果OAPS>PPSQ>PMSQ。根据(1)中的结论对三种改性纤维素以3wt%的纳米粒子掺杂量进行建模计算,结果表明三组改性模型的内聚能密度有所提升,玻璃化转变温度比未改性模型分别提高了58K、63K和71K,相较于纯纤维素模型,热稳定性能上升。(3)通过对10wt%OAPS纤维素绝缘纸的抗热老化性能的研究发现,OAPS的掺杂有效抑制了绝缘纸的老化速率,使绝缘纸在热老化过程中始终保持较高的机械强度。在整个老化过程中,改性样品的抗张强度始终高于未改性样品,并且其下降趋势也比未改性样品平缓。OAPS的掺杂对热老化前后的相对介电常数的影响比较显著。老化0天时,改性样品的相对介电常数相对于未改性样品降低了16.75%,而老化31天时,改性样品的相对介电常数相对于未改性样品降低了24.63%。这表明OAPS的掺杂可以使绝缘纸在老化过程中保持相对较好的介电性能,降低绝缘纸的老化速率。

关键词：纤维素绝缘纸 POSS 机械性能电气性能热稳定性能

机-热协同老化对纤维素绝缘纸频域介电谱特性的影响

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电工技术学报 2019年第17期34卷 3705-3712页

作者：李长云郝爱东山东科技大学电气与自动化工程学院

为研究机械振动-温度协同老化对纤维素绝缘纸频域介电谱(FDS)特性的影响,该文在60℃下对绝缘纸进行了频率为100 Hz、振幅为0.26 mm、老化时间为150 d的一系列加速机-热老化试验。测量了试品在10^?3~10^3 Hz范围的FDS特性并获得了试品的... 详细信息

为研究机械振动-温度协同老化对纤维素绝缘纸频域介电谱(FDS)特性的影响,该文在60℃下对绝缘纸进行了频率为100 Hz、振幅为0.26 mm、老化时间为150 d的一系列加速机-热老化试验。测量了试品在10^?3~10^3 Hz范围的FDS特性并获得了试品的微观形貌,进而分析了机-热老化对试品的tanδ-f曲线的影响规律和机理。研究表明,随着机-热老化时间的增加,tanδ-f曲线总体呈下降趋势且存在低频弥散现象,其影响规律和弥散频段与热老化时的FDS特性存在显著差别,该文从样品的老化条件和FDS的检测条件两方面对其原因进行了分析。结合机-热老化时试品微观形貌分析,探究了机-热老化对介质微观结构及介质中自由电荷和束缚电荷定向迁移的影响,分析了tanδ-f曲线随老化时间增加而降低的原因。同时,机-热老化还导致介质体积电导率下降,并影响了介质的极化损耗。该结果可为研究机-热老化对纤维素绝缘纸绝缘性能的影响提供参考。

关键词：机-热老化纤维素绝缘纸频域介电谱微观结构低频弥散

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换流变压器下新型纤维素绝缘纸特性综述

电工技术学报 2016年第10期31卷 1-15页

作者：廖瑞金王季宇袁媛高飞李剑输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆400044 中国电力科学研究院北京100192

换流变压器是高压直流输电网络的关键设备之一,其阀侧主绝缘由于运行工况电场情况复杂通常具有较高的故障率。虽然通过在线监测及故障诊断技术手段可以提高绝缘可靠性,但若考虑到停电维修所带来维修和输电损失成本,高压直流输电网络运... 详细信息

换流变压器是高压直流输电网络的关键设备之一,其阀侧主绝缘由于运行工况电场情况复杂通常具有较高的故障率。虽然通过在线监测及故障诊断技术手段可以提高绝缘可靠性,但若考虑到停电维修所带来维修和输电损失成本,高压直流输电网络运行有效性和经济性并不能得到有效保证。油纸绝缘作为换流变压器阀侧的主要绝缘形式,其绝缘可靠性与换流变压器安全运行紧密相关。其中在阀侧处构成固体绝缘的绝缘纸不仅长期受到热应力作用造成绝缘劣化,同时还承受交直流叠加和极性反转等复杂电场作用,容易积聚空间电荷、承受更多的直流场强分量,并且其在劣化后引起的性能下降是不可逆转的,因此绝缘纸的性能是决定换流变压器运行可靠性的重要因素。为了保障换流变压器安全可靠运行,结合国内外文献及课题组相关研究成果,旨在从提升纤维素绝缘纸的抗热老化性能、耐绝缘击穿特性以及空间电荷分布特性三大方面阐述当前采用改性技术提升绝缘纸性能的研究现状,分析各改性方法的利弊,探究经济可行的纤维素绝缘纸改性方法,从本质上提升换流变压器运行可靠性。

关键词：换流变压器纤维素绝缘纸抗热老化性能耐击穿特性空间电荷分布特性

纳米SiO2表面KH550接枝密度对改性纤维素绝缘纸力学性能与热稳定性的影响

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绝缘材料 2021年第1期54卷 25-30页

作者：杨路庞锴王栋孙鹏邱秦攀唐超西南大学工程技术学院重庆400700 国网河南省电力公司电力科学研究院河南郑州450000

为提升纤维素绝缘纸的力学性能与热稳定性,利用KH550对纳米SiO2进行表面改性,将其掺杂到纤维素绝缘纸中,通过分子模拟建立不同接枝密度的纳米SiO2/纤维素复合模型,并对各模型的力学性能、均方位移、内聚能密度、溶解度参数和径向分布函... 详细信息

为提升纤维素绝缘纸的力学性能与热稳定性,利用KH550对纳米SiO2进行表面改性,将其掺杂到纤维素绝缘纸中,通过分子模拟建立不同接枝密度的纳米SiO2/纤维素复合模型,并对各模型的力学性能、均方位移、内聚能密度、溶解度参数和径向分布函数进行计算和分析。结果表明:KH550接枝密度为12.5%的纳米SiO2/纤维素复合模型抗形变能力最佳,并具有较大的内聚能密度和溶解度参数,改性效果最佳。

关键词：硅烷偶联剂KH550 纤维素绝缘纸纳米SiO2 接枝密度

硅烷偶联剂修饰纳米SiO2对其改性纤维素绝缘纸性能的微观机理研究

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硅烷偶联剂修饰纳米SiO2对其改性纤维素绝缘纸性能的微观机理研究

作者：王小波西南大学

学位级别：硕士

纤维素绝缘纸和绝缘油共同构成了电力变压器的油纸绝缘系统,由于电力变压器内部构造的原因,绝缘油可以通过定期更换延缓其性能的下降,而纤维素绝缘纸却无法更换,因此,纤维素绝缘纸性能好坏直接决定了电力变压器的使用寿命。通过掺杂纳... 详细信息

纤维素绝缘纸和绝缘油共同构成了电力变压器的油纸绝缘系统,由于电力变压器内部构造的原因,绝缘油可以通过定期更换延缓其性能的下降,而纤维素绝缘纸却无法更换,因此,纤维素绝缘纸性能好坏直接决定了电力变压器的使用寿命。通过掺杂纳米粒子提升材料的热稳定性、机械性能和耐老化性,已经成为现代材料发展的趋势。然而由于纳米粒子易发生团聚,直接掺杂往往达不到提升材料性能的目的,相反有可能降低材料的性能。因此,本文从微观角度研究了硅烷偶联剂修饰纳米SiO对其改性纤维素绝缘纸性能的影响,对于新型纤维素绝缘纸的研制,以及延长电力变压器使用寿命具有重要的学术价值和实际意义。本文的研究基于已经广泛应用于化学、生物和材料科学领域的分子动力学模拟技术,且在确保模型构建和参数设置合理的前提下,开展了相关研究。首先,比较系统和全面地研究了在常用力场下纤维素模型聚合度和力场的优化选择;其次,选取较佳的纤维素聚合度和力场,研究了表面羟基化对纳米SiO和纤维素界面的影响;最后,研究了常用硅烷偶联剂(KH550、KH560、KH570、KH792)修饰对纳米SiO和纤维素界面的影响。本文取得的主要结论如下:(1)在PCFF力场下,当纤维素模型聚合度(DP)不小于10时,其力学性能和溶解度达到相对稳定状态,与纤维素真实的机械特征和化学性能相符合,得出了在分子动力学模拟中,力场不同对纤维素聚合度的选择影响不大,所以,在PCFF力场下,分子动力学模拟中的纤维素模型聚合度(DP)选择都应该不小于10。在COMPSS力场下,纤维素模型的稳态密度更接近与纤维素真实密度,所以,分子动力学模拟中的纤维素力场选择COMPASS更优。(2)确定了纳米SiO晶面表面能强弱顺序依次为:(101)>(001)>(100)>(111)>(010)>(011)>(110)。在此基础上,选择纳米SiO表面能最低的(110)晶面,研究表面羟基化对纳米SiO和纤维素界面的影响。相较于N-C(未羟基化)层模型,SHN-C(羟基化)层模型的相互作用能和相互作用能密度分别提高了2.3倍和2.2倍,界面相对浓度的重叠区域和峰值分别增大了1.62倍和1.24倍,纤维素链运动的跳跃温度降低了20 K,界面间形成了密度为4.18个/nm的氢键网络。所以,表面羟基化有助于提升纳米SiO和纤维素界面的相互作用,增强对纤维素链运动的束缚,延缓纤维素链由玻璃态转变为高弹态的进程。(3)当选取KH792修饰纳米SiO时,纤维素和纳米SiO界面间的结合性和紧致性较好,对纤维素链的束缚效果最显著。并且为了更好地改善纳米SiO与纤维素界面效果,首先,应当优先选择含有能与纤维素形成氢键作用基团的硅烷偶联剂,其次,在同等条件下,选取链长较短,相对分子质量较小的硅烷偶联剂。另外,当KH792接枝密度达到1.570(1/nm)时,界面间的结合能维持在336.8kcal/mol上下5%范围内波动,界面间形成氢键的数量保持相对稳定,所以,其相对最佳接枝密度为1.570(1/nm)。

关键词：硅烷偶联剂纳米SiO2 纤维素绝缘纸分子动力学模拟

纳米SiO2掺杂改性油浸纤维素绝缘纸的微观机制研究

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纳米SiO2掺杂改性油浸纤维素绝缘纸的微观机制研究

作者：张松西南大学

学位级别：硕士

油浸式电力变压器因其具有低损耗、散热性能好、绝缘性能相对优越等优点在电网中一直得到广泛的应用,其内部绝缘系统由绝缘油和绝缘纸共同构成,绝缘系统的性能直接决定着变压器的服役寿命。随着我国输电电压等级的不断升高,对变压器内... 详细信息

油浸式电力变压器因其具有低损耗、散热性能好、绝缘性能相对优越等优点在电网中一直得到广泛的应用,其内部绝缘系统由绝缘油和绝缘纸共同构成,绝缘系统的性能直接决定着变压器的服役寿命。随着我国输电电压等级的不断升高,对变压器内部的油纸绝缘性能要求也在不断提高,传统的油纸绝缘系统已经难以满足当今高压输电设备的绝缘要求。在变压器运行过程中,绝缘油可以通过更换的方式解决绝缘性能下降的问题,绝缘纸无法更换,故提升绝缘纸的性能成为提升油纸绝缘系统性能的关键环节。而近年来,纳米粒子对高分子绝缘材料的改性逐渐成为了研究热点,在纤维素绝缘纸领域也得到一些应用,但均只从宏观试验的角度进行研究分析,难以获取纳米粒子与纤维素绝缘纸之间相互作用的微观机制。而且,水分是除温度以外绝缘纸老化的最大“敌人”,目前使用纳米粒子对绝缘纸进行改性的研究尚未考虑如何更好的抑制水分对绝缘纸性能的影响。因此,探索出一种既能提升绝缘纸性能又能抑制水分对绝缘纸性能影响的方法,并对其微观机制进行分析具有重要的实际意义和学术价值。本文研究了纳米SiO掺杂改性油浸纤维素绝缘纸的微观机制。首先通过分子动力学和量子化学的方法对不同聚合度的纤维素无定型模型进行研究,从物理化学特性方面分析得到模型的性能达到稳定时的稳态最小聚合度。然后,使用分子动力学的方法研究不同形状及尺寸的纳米SiO对纤维素的掺杂改性效果,获得相对最佳的纳米粒子形状及尺寸。最后,从分子动力学及量子化学的微观角度研究表面接枝三聚氰胺的纳米SiO与油浸纤维素绝缘纸在热场、水环境、电场条件下的相互作用,并与试验结果进行对比分析,得出纳米SiO对油浸纤维素绝缘纸热稳定性和电气性能影响的微观机制。本文研究得到的主要结论如下:(1)基于稳态最小聚合度建立纤维素无定型模型的研究:对建立的不同聚合度的纤维素无定型模型从力学性能和化学性能两方面进行研究,结果表明纤维素聚合度大于等于10时,建立的无定型模型的力学性能趋于稳定,模型中溶解度参数趋于稳定时的最小聚合度为8,前线轨道能级趋于稳定时的最小聚合度为2,最终得到建立纤维素无定型模型时选取的稳态最小聚合度为10,以此为基础建立的模型兼顾了材料的物理化学特性,能代表绝缘纸纤维素的真实性能。而且,选取稳态最小聚合度进行建模计算能提高仿真研究的效率。(2)纳米SiO形状及尺寸对纤维素掺杂改性的影响研究:使用分子动力学模拟研究表明纳米粒子的尺寸增大会导致复合模型中的力学性能降低,结合能在增大,纳米粒子单位表面积键能、模型的内聚能密度逐渐减小。在纳米尺寸为523.61?时,复合模型的溶解度参数与纤维素的比较接近,尤其是球形纳米粒子掺杂改性的复合模型的溶解度参数与纤维素的最为接近。综合分析得出,球形纳米SiO粒子尺寸在半径为5?时对绝缘纸纤维素的掺杂改性效果相对最佳。(3)纳米SiO对油浸纤维素绝缘纸热稳定性的影响研究:使用分子动力学模拟研究结果表明,在纳米SiO粒子含量为5%时模型中力学性能相对最佳;表面不饱和的Si原子进行-OH处理,不饱和O原子进行H处理的纳米SiO粒子更接近于真实情况;改性模型中均方位移、自由体积分数出现明显跳变的温度比未改性模型的提升了50 K左右。在有水的条件下,三聚氰胺接枝的纳米SiO改性后的纤维素模型力学性能最佳,玻璃化温度比未改性模型的提升了69 K;随着温度的升高,模型中氢键数目在下降,但加入纳米SiO改性后能更好的保护纤维素链,使得纤维素之间和纤维素内部的连接不被水分子破坏。表面接枝三聚氰胺的纳米SiO粒子对油-纤维素在水环境下的力学性能有较好的提升效果,在温度为650 K时,改性模型中的弹性模量和剪切模量相较于未改性模型的分别提升了53.3%和71.6%;改性模型中水分子的均方位移出现第一次明显跳变的温度、运动轨迹区域出现明显变化的温度都较未改性的提升了50 K左右,而改性模型中自由体积分数出现明显跳变的温度比未改性模型的提升了60 K左右。将模拟计算结果与试验结果进行对比分析表明,表面接枝三聚氰胺的纳米SiO含量为5%时改性绝缘纸热稳定性得到较好的提升。(4)纳米SiO对油浸纤维素绝缘纸电气性能的影响研究:使用量子化学的方法对纤维素-油模型(CY)、纤维素-油-水模型(CYH)以及表面接枝三聚氰胺的纳米SiO粒子改性纤维素-油-水模型(CYHN)的微观击穿特性进行研究,结果表明模型中HOMO能级差、能量差出现明显增大的电场强度大小均为CYHN>CY>CYH;初始状态下,CYHN模型的能隙分别是CY、CYH模型的2.24倍和2.57倍;随着电场强度的增大,价电子开始成为自由电子出现跃迁现象,最终导带和价带连成一体,导致完全击穿,但CYHN模型的能隙出现明显减小时的电场强度依然最大。将模拟计算结果与试验结果进行对比分析表明,在纳米SiO粒子含量为5%时,三聚氰胺接枝

关键词：纳米SiO2 掺杂改性纤维素绝缘纸微观机制