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探究电力绝缘材料中分子微观特征的目的及必要性

2020-03-13 297 上传者：管理员

摘要：本文基于分子动力学理论，着重分析了电力绝缘材料的分子微观特征，旨在准确掌握电力绝缘材料腐化、盐化及老化等宏观性质，为实现电力绝缘材料性能的无损检测提供便利。

关键词：
分子动力学
微观特征
电力绝缘材料
绝缘老化
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云南曲靖地区高温与高湿气候特征明显，户外太阳光紫外线较强，特殊的气候条件加剧了电力电缆和供电设备的绝缘老化，对配网的安全运行造成一定影响。曲靖地区配网线路大多采用复合绝缘子和高分子橡胶绝缘材料的电缆，而高分子绝缘材料长期运行在户外、恶劣的环境中会加速老化，致使电缆的绝缘性能急剧降低，甚至出现局部放电的风险，因此需定期对电力电缆、装置等的老化现象、绝缘性能进行检测和评估。然而，现有的检测技术大多停留在宏观层面，并具有一定的破坏力。为保证电力绝缘材料的运行安全和使用寿命，需对电力绝缘设备的老化程度和绝缘性能进行合理、有效的监视和检测。

1、传统检测方法的缺陷

电力系统中，设备和电缆的绝缘防护主要采用复合绝缘材料和高分子橡胶绝缘材料。在电力设备加工、安装、运输和存储过程中，在外界因素的作用下绝缘材料易出现破损、恶化和老化现象，甚至丧失绝缘。传统的老化检测方法大多以破坏性的化学方法为主，主要通过高温、加湿、盐化和霉菌等手段使电力绝缘材料发生老化现象，根据被测材料的老化速度和绝缘丧失时间计算出电力绝缘材料的使用寿命。但这种绝缘检测方法具有局限性和破坏性，只能从宏观层面对电力绝缘电缆的老化做出定性判断，同时会加剧绝缘材料的破损度和淘汰率。

2、分子动力学技术原理

分子动力学是一门集物理、化学、数学、热力学和仿真等于一体的综合性学科，也是一项基于牛顿力学原理的分子体系运动模拟技术。分子体系运动模拟技术高度集成了分子运动学、量子力学和电子虚拟仿真技术的优点，可按照预设条件模拟和仿真各种物质分子体系在不同形态下的运动轨迹，再通过密度泛函数理论、有限差分法和牛顿运动方程等公式获得分子体系的微观特征，通过分子体系的微观特征还原出物质的宏观性质。随着分子结构动力学的快速发展，从微观角度观测不同材料的分子结构已成为现实，为电力绝缘材料的老化检测提供微观分子层面的技术支持，因此可利用分子模拟技术和分子结构仿真模型的方法，解决电力绝缘材料老化检测传统方法的不足。

3、基于分子微观特征的电力绝缘材料老化状态检测技术

3.1 研究思路及技术路线

基于电力绝缘材料老化状态无损检测的实际需求，曲靖电网开展了基于分子微观特征的电力绝缘材料老化状态检测技术研究。项目研究以“理论分析＋装置研发＋现场应用”为总体路线开展，目的是实现电力绝缘材料的快速、便携和无损检测。

3.2 分子微观特征研究

为更好地分析和掌握电力绝缘材料老化过程中不同温度、湿度和电气应力等外界因素对材质老化造成的影响，本文通过分子运动模拟技术对绝缘材料的分子微观特征进行了理论分析和研究，为电力设备和供电电缆的绝缘老化预防和治理提供更有价值的依据。首先，通过试验数据建立分子体系运动的初始态结构模型；其次，按照牛顿力学原理使分子体系按预设条件发生运动；然后，采用热力学和物理统计学的方法模拟出分子运动的轨迹；最后，将分子动力学模拟结果与蒙特卡洛法进行对比，从而得到分子体系结构的微观特征。

3.3 便携式绝缘材料分子结构测量传感器的研发

分子结构测量传感器基于电磁感应原理设计而成，目的是实现电力绝缘材料老化程度的无损定量分析。利用分子结构测量传感器测量电力绝缘材料的绝缘性能，对测量发射波与反回波的衰减信号进行指数拟合，获取电力绝缘材料的等效横向弛豫时间。根据电力绝缘材料的分子微观结构特征，确定横向弛豫时间与绝缘老化的关系，获取电力绝缘材料绝缘性能和老化程度的量化指标。

3.4 绝缘材料分子微观特征的老化状态分析方法

分子微观特征是内部结构因素在一定外界作用下的综合反映，通过电力绝缘材料分子微观特征，能够准确反映其宏观性质及老化状态。首先，通过人工加速老化的方法，获取电力绝缘材料在不同外界作用下的分子微观特征样品；其次，利用便携式绝缘材料分子结构测量传感器，获取绝缘材料等效横向弛豫时间与绝缘性能的关系曲线；最后，将传感器测量结果与蒙特卡洛法计算结果进行对比，验证基于分子微观特征的老化状态分析方法的精准性与优越性。

4、分子微观特征检测方法的应用

为验证本文所述基于分子微观特征的电力绝缘材料老化状态检测方法的可行性，在曲靖地区开展了温度和电场应力对绝缘材料老化和绝缘性能影响的测试，测试结果如图１所示。

图1 绝缘材料分子微观特征

测试结果表明，温度的升高会使电力绝缘材料分子体系的无定形区势能增加，小分子的扩散动能增强，氢键的数目快速减少，方位移和体积等静态运动特性明显降低，宏观反映为绝缘材料的绝缘性能下降、老化年份缩短；随着电场应力的增强，绝缘材料中的纤维素单链和多链均会发生屈服和断裂，纤维素的老化速度加快，宏观表现为电力绝缘材料绝缘击穿、性能失效。

5、结语

传统的电力绝缘材料老化分析和评估主要以宏观试验为主，无法从分子微观角度对绝缘材料的老化过程进行深入分析和研究。本文提出的基于分子微观特征的电力绝缘材料老化状态检测方法，能从分子微观角度上认识绝缘材料的结构和性质，通过横向等效弛豫时间与绝缘材料老化状态之间的关系分析，重现电力绝缘材料在外界应力作用下的宏观特性变化。通过本文的分析，可提高人们对电力绝缘材料老化过程的微观认识，增强对电力绝缘材料老化程度的评估能力和评估准确性，有效监测电力设备和电缆的绝缘水平和老化过程。

参考文献：

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