亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        絕緣油在水和酸共同作用下的分子動力學(xué)模擬

        2019-03-19 10:40:52李亞莎鐘婷婷李林多楊文雁
        原子與分子物理學(xué)報 2019年1期
        關(guān)鍵詞:油紙絕緣油擴散系數(shù)

        張 濤, 肖 霞, 李亞莎, 鐘婷婷, 李林多, 楊文雁

        (1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院, 宜昌 443002; 2. 三峽大學(xué)新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 宜昌 443002)

        1 引 言

        隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷提高,對絕緣材料的性能提出了更嚴(yán)格的要求. 油紙絕緣作為大型變壓器的主絕緣系統(tǒng),其性能決定了變壓器的使用壽命,也影響著電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行[1, 2]. 油紙絕緣在變壓器投入運行的過程中,會不斷產(chǎn)生水分或酸等雜質(zhì),而這些雜質(zhì)又會進(jìn)一步加速油紙絕緣的老化[3]. 長期以來,相關(guān)學(xué)者對油紙絕緣的老化特性已做了大量的理論和試驗研究,文獻(xiàn)[4]研究了老化過程中礦物絕緣油中酸值的變化,表明:溫度越高,老化時間越長,酸值增加越快.

        分子模擬技術(shù)是最近興起的一項新技術(shù),它具有微觀建模清晰、計算深入精確等優(yōu)點,近年來,被廣泛地應(yīng)用在電力變壓器油紙絕緣中. 分子模擬可以在分子層面上得到很多試驗上所不能觀測到的微觀現(xiàn)象以及物理過程,為相關(guān)學(xué)者提供新的研究思路和研究方法[5].

        水分和溫度是影響油紙絕緣性能的主要因素,文獻(xiàn)[6]引入反應(yīng)分子動力學(xué)方法模擬了甲酸對礦物絕緣油裂解的影響,發(fā)現(xiàn)甲酸能加速變壓器油的裂解. 文獻(xiàn)[7]對不同含水量的水合氫離子的擴散進(jìn)行了研究,為變壓器油紙絕緣的水解老化作出了微觀解釋. 文獻(xiàn)[8, 9]研究了水分對糠醛在礦物絕緣油中擴散的影響,水分的增加降低了糠醛分子及小分子酸的擴散能力. 文獻(xiàn)[10]利用分子動力學(xué)對不同溫度下變壓器絕緣油中的水分的擴散進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著模擬溫度的增高,水分子的擴散越明顯. 為探討溫度和水分對變壓器油中酸擴散行為的影響,本文通過分子動力學(xué)方法模擬計算了甲酸分子在不同含水量油模型中的擴散系數(shù)、徑向分布函數(shù)以及復(fù)合模型的總動能;此外,選取水體積分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)合模型為研究對象,以溫度為變量進(jìn)行分子動力學(xué)模擬,為在分子層面上研究水分、溫度對甲酸分子的擴散提供微觀信息.

        2 模型構(gòu)建及模擬條件設(shè)置

        2.1 分子模型的構(gòu)建

        礦物絕緣油的種類主要有兩種,環(huán)烷基油和石蠟基油,主要組成成分如表1所示,環(huán)烷基油相比于石蠟基油而言,性能更優(yōu)越且運用更加廣泛,本文選取環(huán)烷基礦物油分子進(jìn)行建模計算. 其中,水分子、甲酸分子的模型如圖1所示,環(huán)烷基油分子、水分子、甲酸分子的復(fù)合模型如圖2所示. 每個復(fù)合油模型的密度均為0.9g/cm3. 其中水的體積分?jǐn)?shù)(H2O)分別為1%,3%,5%,甲酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變?yōu)?%. 復(fù)合模型的構(gòu)建均采用文獻(xiàn)[11]中提出的構(gòu)建無定形高聚物的方法進(jìn)行.

        表1 環(huán)烷基和石蠟基變壓器油主要組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        Table 1 Compositions (mass fracion) of the naphthenic and paraffinic transformer oils

        變壓器油種類鏈烷烴環(huán)烷烴一元環(huán)二元環(huán)三元環(huán)四元環(huán)芳香烴環(huán)烷基11.6%15.5%28.5%23.3%9.7%9.9%石蠟基28.2%21.1%19.8%11.2%4.5%12.6%

        圖1 甲酸分子、水分子模型Fig.1 Molecular models of formic acid and water molecules

        圖2 甲酸、水和油的復(fù)合模型Fig. 2 Composite models of formic acid, water and oil

        2.2 模擬條件設(shè)置

        在進(jìn)行分子動力學(xué)模擬之前,首先對所構(gòu)建的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能量最優(yōu)化和退火處理,使模型處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),使模型內(nèi)部空穴的分布較接近于真實材料[12].

        在優(yōu)化和退火處理的基礎(chǔ)上,對圖2中的三個模型進(jìn)行分子動力學(xué)模擬,模擬時采用粒子數(shù)、體積和溫度一定的NVT系綜,模擬溫度設(shè)置為70 ℃. 此外,為研究溫度對酸擴散行為的影響,選取水體積分?jǐn)?shù)為1%的油模型為研究對象,分別在90 ℃、110 ℃、120 ℃下進(jìn)行動力學(xué)模擬. 模擬時間設(shè)置為300 ps,每隔1ps進(jìn)行收集運動軌跡. 能量優(yōu)化和動力學(xué)模擬采用PCFF力場,運用Andersen法對溫度進(jìn)行控制、Berendsen法控制壓強. 模擬過程均是采用美國Accelrys materials studio完成,利用Amorphous cell模塊進(jìn)行模型的搭建,運用Discove模塊進(jìn)行模型優(yōu)化和動力學(xué)模擬.

        3 模擬結(jié)果分析與討論

        3.1 水分對酸在油中擴散行為的影響

        粒子的擴散能力可由粒子的均方位移表示出來. 均方位移(mean square displacement,MSD) 為粒子位移平方的平均值,表示為:

        (1)

        衡量粒子擴散能力的重要指標(biāo)之一就是擴散系數(shù),根據(jù)(2)的Einstein關(guān)系式可以求出甲酸分子在油模型中的擴散系數(shù):

        (2)

        (3)

        不同的含水量油模型計算得到的甲酸分子均方位移圖如圖3所示,圖(a)、圖(b)、圖(c)的水體積分?jǐn)?shù)(H2O)分別為1%、3%和5%,由均方位移圖可以看出,甲酸分子在不同含水量油模型中各個方向的擴散均是同向的,即甲酸分子在各個方向上的擴散趨勢一致.

        根據(jù)均方位移圖計算出來的甲酸的擴散系數(shù)如表2所示,由表中數(shù)據(jù)可以看出,隨著水的體積分?jǐn)?shù)增加,甲酸的擴散系數(shù)并沒有逐漸增大,這是因為甲酸為極性分子,而環(huán)烷基礦物油分子為非極性分子,甲酸分子與礦物油分子的相互作用能較小,而水為強極性分子,水分子與甲酸分子之間存在較大的相互作用,故水分的增加會影響甲酸分子擴散的強弱. 水分增多,甲酸分子的擴散減弱,反映到實際變壓器中就是,油中水分含量越高,酸分子越容易被束縛在絕緣油中,這與變壓器絕緣油老化過程中的油中水分含量越多,酸值含量越高的結(jié)論一致,也間接反映了變壓器絕緣油的老化是水和酸的協(xié)同作用.

        表2 不同模型下的甲酸分子的擴散系數(shù)

        Table 2 Diffusion coefficients of formic acid molecules with different water contents

        F(H2O)/%135a0.22950.16430.1522D(擴散系數(shù))0.03830.02740.0254

        3.2 溫度對酸在油中擴散行為的影響

        不同溫度時,甲酸分子在油介質(zhì)中擴散的均方位移圖如圖4(a)、4(b)、4(c)所示:

        由MSD圖可以得出,甲酸分子在油中的各個方向的擴散均是同向的,溫度會影響甲酸分子的擴散強弱,但并不改變其擴散的趨勢. 隨著溫度的升高,甲酸更容易擴散. 由均方位移計算得到的甲酸分子的擴散系數(shù)如表3所示,由表中數(shù)據(jù)可以得到,隨著模擬溫度的增加,甲酸分子的擴散系數(shù)逐漸增大. 這是因為,溫度升高時分子的熱運動增強,甲酸分子的在油中的擴散運動越劇烈. 同時,隨著溫度的不斷升高,復(fù)合模型中的介質(zhì)對甲酸的束縛作用逐漸減弱.

        表3 不同溫度時,油中甲酸分子的擴散系數(shù)

        Table 3 Diffusion coefficients of formic acid molecules in oil at different temperatures

        T70 ℃90 ℃110 ℃120 ℃a0.22950.33430.39410.4131D(擴散系數(shù))0.03830.055710.065680.06885

        圖3 70 ℃不同含水量油模型中甲酸分子的MSDFig. 3 MSD of formic acid molecules in oil models with different water contents at 70 ℃

        圖4 不同溫度下,油中甲酸分子的均方位移Fig. 4 Mean square displacements of formic acid molecules in oil at different temperatures

        3.3 系統(tǒng)總動能變化

        體系內(nèi)各粒子間運動碰撞的激烈程度可以由系統(tǒng)的動能大小直觀反映,模型的總動能(total kinetic energy)均在系統(tǒng)穩(wěn)定時模擬計算得到,為了對比分析,加入了不含水分與酸等雜質(zhì)的純油模型,計算出了純油模型以及不同含水量油模型的總動能變化,其結(jié)果如表4所示. 此外,為了分析溫度對總動能的影響,選取了水體積分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)合模型為研究對象,以溫度為變量進(jìn)行分子動力學(xué)模擬,計算了該油模型在不同溫度下的總動能,計算結(jié)果如表5所示:

        表4 不同水分含量復(fù)合模型的總動能

        Table 4 The total kinetic energies of the composite model with different moisture contents

        油模型純油甲酸、水和油復(fù)合模型F(H2O)/%0135動能103/(kcal﹒mol-1)2.832.912.963.03

        由表4的數(shù)據(jù)可得,當(dāng)油模型不含水、酸雜質(zhì)時,此時體系的動能最小,當(dāng)油中水分含量逐漸增大,甲酸、水和油的復(fù)合模型的動能也隨之增大. 當(dāng)油中沒有水和酸時,油分子之間主要以共價鍵的形式存在,油分子的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定. 當(dāng)變壓器運行一段時間后,變壓器內(nèi)部會生成水和酸,水和酸均為極性分子,這些極性分子會在熱運動下不斷撞擊油分子,對油分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成破壞.

        由表5數(shù)據(jù)可得,隨著溫度的升高,復(fù)合模型的總動能逐漸增大,說明了溫度越高,水分子、甲酸分子的無規(guī)則運動越劇烈,動能越大,此時的擴散系數(shù)呈增大的趨勢. 即隨著溫度的升高,油介質(zhì)對水、甲酸分子的束縛力在下降,體系內(nèi)各分子間的運動碰撞會更加頻繁和激烈,對油分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成一定程度的沖擊.

        表5 不同溫度復(fù)合模型的總動能

        Table 5 The total kinetic energies of composite models at different temperatures

        T70 ℃90 ℃110 ℃120 ℃動能103/(kcal﹒mol-1)2.913.083.183.4

        3.4 水分對徑向分布函數(shù)圖的影響

        徑向分布函數(shù)(radial distribution function, RDF)為相距參考粒子處粒子的密度. 徑向分布函數(shù)可以用來描述分子間的相關(guān)性. 圖5中定義黑球為“參考粒子”,假定與黑球中心的距離由r增加dr間的粒子數(shù)目為dN,則徑向分布函數(shù)g(r)表示為:

        ρg(r)4πr2dr=dN

        (4)

        其中ρ為系統(tǒng)粒子密度;N為系統(tǒng)的粒子數(shù)目. 分子內(nèi)的徑向分布函數(shù)曲線圖可以表示分子的有序度,分子之間的徑向分布函數(shù)圖可以表示為分子之間的相互作用情況,由文獻(xiàn)[13]可以知道, 2~3 ?時為氫鍵作用力, 3~5 ?時為范德華作用力. 氫鍵是一種比范德華作用力較強的分子之間的作用力. 不同含水量的油模型中,甲酸分子與水分的徑向分布函數(shù)曲線如圖6所示.

        圖5 徑向分布示意圖Fig.5 Sketch map of radial distribution

        圖6 不同體積分?jǐn)?shù)水下,甲酸分子與水分子的RDFFig. 6 Radial distribution functions of formic acid molecules and water molecules at different water contents

        由圖6可以看出,在2~3 ?之間,出現(xiàn)了明顯的波峰,表明酸分子與水分子之間生成了氫鍵,隨著水的體積分?jǐn)?shù)越大,波峰逐漸變小,表明甲酸分子與水分子之間的氫鍵數(shù)目減少. 這是由于氫鍵的飽和性,飽和性可以理解為氫原子與電負(fù)性較強的原子形成氫鍵后,其他電負(fù)性強的粒子難以接近氫原子. 且液體分子之間形成的氫鍵,比較容易發(fā)生締合的現(xiàn)象[9],若將水分和油看成復(fù)合介質(zhì),酸分子與此復(fù)合介質(zhì)形成氫鍵后,會使得復(fù)合介質(zhì)對酸的束縛作用增強. 水分增加,酸在介質(zhì)中的擴散行為變?nèi)?,酸分子越容易被束縛在水和絕緣油中. 反映到實際變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中,水分含量越多,酸分子的擴散運動受阻,酸分子無法自由擴散至絕緣紙中,說明水分子的增加會影響酸在油紙中的擴散行為,對酸在油紙中的平衡分布造成一定程度的影響. 油中水分越多,酸分子也越多,水和酸共同作用會進(jìn)一步加速變壓器絕緣油的老化.

        4 結(jié) 論

        (1)由MSD曲線圖可得到,在不同含水量或不同溫度下,甲酸分子在油介質(zhì)中的擴散均是各自同向性的. 油中水分含量越高,甲酸分子的擴散行為反而減弱. 溫度越高,甲酸分子的熱運動增強,擴散系數(shù)變大.

        (2) RDF圖表明:隨著水的體積分?jǐn)?shù)越大,甲酸分子與水分子之間形成的氫鍵數(shù)目逐漸越少,這是由于氫鍵的飽和性所導(dǎo)致,水分的增加會影響酸在礦物油中的油紙平衡分布.

        (3)由系統(tǒng)總動能變化可得,甲酸、水和礦物油分子組成的復(fù)合模型的動能大小均隨油中水分含量的增加而增大,也隨溫度的升高而增大. 水和甲酸分子在熱運動下不斷撞擊油分子,對油分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成的一定程度的破壞.

        猜你喜歡
        油紙絕緣油擴散系數(shù)
        單酯絕緣油紙絕緣系統(tǒng)的熱老化特性研究
        絕緣材料(2022年9期)2022-10-20 11:00:26
        特高壓變壓器油紙絕緣典型缺陷局部放電特征
        高壓XLPE電纜戶外終端中絕緣油填充高度的研究
        電線電纜(2021年5期)2021-11-17 11:13:58
        一把紙扇記憶成河
        中華手工(2017年10期)2017-10-24 09:28:50
        絕緣紙板老化對油紙絕緣沿面放電發(fā)展規(guī)律的影響
        絕緣油耐壓——微水綜合測試儀的研制與應(yīng)用
        一種實現(xiàn)“外標(biāo)法”絕緣油色譜分析自我診斷的新方法
        基于Sauer-Freise 方法的Co- Mn 體系fcc 相互擴散系數(shù)的研究
        上海金屬(2015年5期)2015-11-29 01:13:59
        FCC Ni-Cu 及Ni-Mn 合金互擴散系數(shù)測定
        上海金屬(2015年6期)2015-11-29 01:09:09
        非時齊擴散模型中擴散系數(shù)的局部估計
        一本大道东京热无码中字| 中文字幕av永久免费在线| 第一次处破女18分钟高清| 亚洲一区 日韩精品 中文字幕| 911精品国产91久久久久| 日本av一区二区播放| 亚洲国产中文字幕精品| 成在线人免费视频| 午夜时刻免费入口| 18禁高潮出水呻吟娇喘蜜芽| 日韩国产欧美视频| 激情亚洲综合熟女婷婷| 国内精品亚洲成av人片| 精品www日韩熟女人妻| 欧美亚洲国产另类在线观看| 中文字幕乱码琪琪一区| 亚洲女人毛茸茸粉红大阴户传播 | 国产在线白丝DVD精品| av毛片一区二区少妇颜射| 开心久久综合婷婷九月| 国产高清av首播原创麻豆| 乱伦一区二| 中文字幕视频一区二区| 国产精品国产三级国产av剧情| 色妞www精品视频| 国产360激情盗摄一区在线观看| 久久精品亚洲94久久精品| 天天躁日日躁狠狠躁| 国产成人亚洲综合一区| 91桃色在线播放国产| 丰满熟妇乱又伦精品| 久久人人爽人人爽人人av东京热| 欧美日韩一二三区高在线| av在线免费观看网站,| 国产av丝袜旗袍无码网站| 精品国产亚洲一区二区三区演员表| 亚洲av粉色一区二区三区| 亚洲中文字幕久久精品一区| 狠狠做深爱婷婷久久综合一区| 视频一区精品自拍| 蓝蓝的天空,白白的云|