变压器绝缘油纸热老化机理的分子动力学模拟方法及系统与流程

1.本发明属于高电压绝缘技术领域，尤其涉及一种变压器绝缘油纸热老化机理的分子动力学模拟方法及系统。


背景技术：

2.电力变压器作为电力系统中不可或缺且造价高昂的一次设备，连接发电、输电环节及不同电压等级的输、配电线路，其运行状态直接影响电网的安全性、稳定性与可靠性。变压器内部各部件在长期受热的情况下，其运行状态、物理条件和绝缘寿命都会受到高温的影响。为保证变压器设备在运行中的安全性和高效性，避免在运行过程中出现故障，对变压器绝缘状况进行更深入的分析至关重要。
3.按绝缘介质分类，可将电力变压器分为油浸变压器、干式变压器、sf6气体绝缘变压器。而现有对电力变压器故障诊断的有效手段，可根据不同变压器的绝缘介质，实现对相关状态参量进行实时分析测定。以油浸式电力变压器为例，传统的“基于油色谱的变压器状态分析法”通过对油箱内变压器油的特征参量分析(如：总烃含量、h2、co、co2、温度变化)实现对油浸式变压器绝缘状态的评估，且支持带电检测，不受电、磁信号场的干扰。但因缺乏对宏观实验现象进行微观机理层面的研究与解释，在实验中无法考察物理与化学演变的过程，从而难以真正反映出油浸绝缘纸在温度、电场等运行环境下的材料绝缘性能劣化机制。温度及电场作用下绝缘材料微观特性的变化规律已成为电气与材料科学共同关注的课题。
4.随着计算机技术的快速发展，分子模拟技术的应用领域逐步拓宽：既能从原子水平模拟分子结构与化学反应，还能从微观角度精确分析绝缘材料的性质与复杂的化学反应机理，为从原子层面揭示油浸绝缘纸热老化机理奠定条件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，为完善对宏观绝缘实验现象进行微观机理层面的研究与解释，提供一种利用分子动力学开展对油浸式电力变压器用绝缘纸热老化机理及其影响机制的模拟方法及系统，其对纤维素非晶区与晶区模型的热稳定性能模拟计算，分析不同热解条件下分子内化学键的断裂情况，从微观角度分析纤维素热解规律，减少实验次数，减少实验成本与时间。
6.为实现上述目的，本发明基于油浸式电力变压器绝缘油纸热老化机理的分子动力学模拟方法，包括步骤：
7.s1，确定油浸式电力变压器实际运行情况和变压器绝缘油与绝缘纸的材料成分；
8.s2，考虑绝缘纸纤维素特殊的空间构型，即纤维素链呈晶区或非晶区排布，通过仿真软件搭建绝缘油模型和绝缘纸模型并进行结构优化，绝缘纸模型即为纤维素晶区与非晶区两类模型；
9.s3，在相应温度条件下，对步骤s2搭建的绝缘油模型和绝缘纸模型进行高温模拟，通过分子动力学模拟相关计算，绘制绝缘油反应物与生成物含量随时间变化图，并分析油
热解的反应路径与各个产物的生成路径；
10.s4，对纤维素晶区与非晶区模型进行分子动力学模拟，调整相应的力学参数，在不同温度条件下，设定体系内纤维素分子氢键数随时间变化的关系和纤维素链的运动情况，分析纤维素晶区与非晶区的热稳定性；
11.s5，根据步骤s3与s4所得模拟结果与实际实验结果进行对比分析，对模型搭建及其仿真结果的准确性进行校验；
12.s6，在s5的基础上，以纤维素晶区与非晶区模型所受温度与相应结构变化进行对比，根据设定体系内化学键断裂情况，量化分析微观层面纤维素热解规律。
13.所述的设定体系是指将仿真模型置于系综，并设置边界条件(如温度、仿真步长等)后的体系；系综是指这个仿真模型的特性条件。
14.进一步地，为符合实际油浸式电力变压器相应参数，所述实际运行情况应考虑变压器实际运行的工作条件、温度、氧含量与水分。
15.进一步地，通过质谱仪分析法分析油浸式电力变压器所用绝缘油的材料成分，得出变压器绝缘油的成分中链烷烃、二环烷烃和二环芳香烃的质量分数，每个变压器绝缘油分子的平均碳原子数。
16.进一步地，根据相关研究，不同链长纤维素分子组成的系统模型具有相似的分子构象与性质，本发明选用纤维二糖(c
12h22o11
)分子作为绝缘纸模型。
17.进一步地，步骤s2进一步包括：
18.通过仿真软件分别搭建三种烃分子(链烷烃c
20h42
、二环烷烃c
20h38
与二环芳香烃c
20h26
)的三维模型，并进行结构优化，优化力场选用compassⅱ力场；
19.搭建纤维二糖(c
12h22o11
)分子的三维模型，并进行结构优化，优化力场选用compassⅱ力场。
20.进一步地，步骤s3进一步包括：
21.对已经搭建的三种烃分子的模型，建立周期性变压器油系统，初始密度设为0.8g/cm3，依据变压器油的主要成分组成比例，选择链烷烃、环烷烃、芳香烃的质量比为6：3：1，共包含30个分子，再选用compassⅱ力场进行结构优化至收敛；使用分子动力学方法对周期性变压器油系统进行高温模拟，绘制出反应物与生成物含量随时间变化图；
22.对已经搭建的纤维二糖分子c
12h22o11
模型，建立不定形周期性系统，初始密度设为0.4g/cm3，系统包含30个分子，再选用compassⅱ力场进行结构优化至收敛；并使用分子动力学方法对不定形周期性系统进行高温模拟，力场选择reaxff，系统设置为nvt正则系统，温控方式选择为nose，步长为0.05fs，仿真时间为100ps，每1000步输出一帧，charge设置为forcefield assigned；并利用元素跟踪法，将碳元素进行颜色标记，分析油热解的反应路径与各个产物的生成路径。
23.进一步地，步骤s4进一步包括：
24.分析纤维素非晶区的热稳定性，选择dp为40的纤维素链构建纤维非晶区模型，进行模拟细节的优化，在分子动力学的模拟作用下，分析氢键数随模拟时间的变化与纤维素链运动情况，得出非晶区内纤维素链的msd；
25.分析纤维素晶区的热稳定性，选择3
×3×
3的超晶胞构建纤维素晶区模型，进行模拟细节的优化、调整力学参数，在分子动力学的模拟作用下，分析氢键数随模拟时间的变化
与纤维素链运动情况，得出晶区内纤维素链的msd。
26.进一步地，步骤s5具体为：将纤维素材料老化的宏观实验研究数据与分子动力学模拟计算所得数据进行对比分析，将分子动力学模拟所得结论与实验结果进行交叉验证。
27.进一步地，步骤s6具体为：根据分子动力学模拟所得结果对变压器油与变压器纸的热解反应进行微观层面的理解，通过分析化学键的断裂与复合，得到热解反应途径示意图，从而量化分析微观层面纤维素热解规律。
28.本发明基于一种油浸式电力变压器绝缘油纸热老化机理的分子动力学模拟系统，包括：
29.材料成分分析模块，确定变压器实际运行情况和变压器绝缘油与绝缘纸的材料成分；
30.模型搭建与优化模块，考虑绝缘纸纤维素特殊的空间构型，即纤维素链呈晶区或非晶区排布，通过仿真软件对绝缘油与绝缘纸的模型进行搭建，绝缘纸模型即为纤维素晶区与非晶区模型，然后进行结构优化；
31.高温模拟模块，在将相应材料进行仿真建模后，在相应温度条件下进行高温模拟；根据热解反应轨迹统计不同时刻各分子的含量，从而绘制出绝缘油反应物与生成物含量随时间变化图；利用元素跟踪法，将碳元素进行颜色标记，分析油热解的反应路径与各个产物的生成路径；
32.分子动力学模拟模块，对纤维素晶区与非晶区模型进行优化与分子动力学模拟，调整相应的力学参数，在不同温度条件下，分析体系内氢键数随时间变化的关系、纤维素链运动情况，分析纤维素晶区与非晶区的热稳定性；
33.交叉验证模块，根据高温模拟模块与分子动力学模拟模块所得模拟结果与实际实验结果的对比分析，对模型搭建及其仿真结果的准确性进行校验；
34.热解规律分析模块，在交叉验证模块的基础上，以纤维素晶区与非晶区模型所受温度与相应结构变化进行对比，根据体系内化学键断裂情况，量化分析微观层面纤维素热解规律。
35.和现有技术相比，本发明具有如下优点和收益效果：
36.(1)通过分子动力学模拟方法，真正反映出油浸绝缘纸在高温高压等运行条件下材料绝缘性能劣化机制，从而补足微观领域分析绝缘热老化特性的空缺，便以更好地投入于工程实际中。
37.(2)能对纤维素非晶区与晶区的热稳定性能模拟计算，分析不同热解条件下分子内化学键的断裂情况，从微观角度分析纤维素热解规律，减少实验次数，减少实验成本与时间。
附图说明
38.图1是本发明绝缘油与纤维素晶区与非晶区模型搭建流程图；
39.图2是本发明油浸式电力变压器绝缘油纸热老化机理的分子动力学模拟方法流程图；
40.图3为本发明油浸式电力变压器绝缘油纸热老化机理的分子动力学模拟系统结构框图。
具体实施方式
41.为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
42.实施例1
43.图2所示为一种油浸式电力变压器绝缘油纸热老化机理的分子动力学模拟方法流程图，可应用于高温条件下分析绝缘纸热老化机理微观层面的研究，具体步骤如下：
44.步骤1，确定变压器油与绝缘纸的材料成分。
45.为建立符合实际的油浸式电力变压器模型，确定油浸式电力变压器实际运行情况和变压器绝缘油与绝缘纸的材料成分。本实施例中，为符合实际油浸式电力变压器相应参数，所述实际运行情况应考虑变压器实际运行的工作条件、温度、氧含量与水分。变压器油与绝缘纸相应成分构成通过质谱仪分析法，分析新疆克拉玛依石化厂生产的25
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环烷基矿物油的组成成分，得出矿物油主要由烷烃(质量分数约60％)、环烷烃(质量分数为10％-40％)和芳香烃(质量分数为5％-15％)三大类碳氢化合物的混合物组成，每个分子的平均碳原子数为15-23的变压器绝缘油。并根据相关研究，不同链长纤维素分子组成的系统模型具有相似的分子构象与性质，本发明选用纤维二糖(c
12h22o11
)分子作为绝缘纸模型。
46.步骤2，对绝缘油与绝缘纸搭建三维模型。
47.在确定实际运行参数与变压器油、绝缘纸的材料后，通过仿真软件materials studio2019对绝缘油与绝缘纸的模型进行搭建，如图1所示。
48.本步骤进一步包括：
49.2.1通过materials studio 2019分别搭建三种烃分子(链烷烃c
20h42
、二环烷烃c
20h38
与二环芳香烃c
20h26
)的三维模型，并进行结构优化，优化力场选用compassⅱ力场；
50.2.2搭建纤维二糖(c
12h22o11
)分子的三维模型，并进行结构优化，优化力场选用compassⅱ力场。
51.步骤3，对纤维素晶区与非晶区模型进行分子动力学模拟。
52.本步骤进一步包括：
53.3.1对已经搭建的三种烃分子的三维模型，建立周期性变压器油系统，初始密度设为0.3g/cm3，依据变压器油的主要成分组成比例，选择链烷烃、环烷烃、芳香烃的质量比为6：3：1，共包含30个分子，再选用compassⅱ力场进行结构优化至收敛；使用分子动力学方法对系统进行高温模拟，绘制出反应物与生成物含量随时间变化图；
54.3.2对已经的搭建纤维二糖(c
12h22o11
)分子三维模型，建立不定形周期性系统，初始密度设为0.4g/cm3，系统包含30个分子，再选用compassⅱ力场进行结构优化至收敛；并使用分子动力学方法对系统进行高温模拟，力场选择reaxff，系统设置为nvt正则系统，温控方式选择为nose，步长为0.05fs，仿真时间为100ps，每1000步输出一帧，charge设置为forcefield assigned；并利用元素跟踪法，将碳元素进行颜色标记，分析油热解的反应路径与各个产物的生成路径。
55.步骤4，对纤维素晶区与非晶区模型进行优化与分子动力学模拟。
56.本步骤进一步包括：
57.4.1分析纤维素非晶区的热稳定性，选择以dp为40的纤维素链进行构建纤维素非晶区模型，进行模拟细节的优化，在分子动力学的模拟作用下，分析氢键数随模拟时间的变化与纤维素链运动情况，得出非晶区内纤维素链的msd；
58.4.2分析纤维素晶区的热稳定性，选择3
×3×
3的超晶胞进行构建纤维素晶区模型，进行模拟细节的优化、调整力学参数，在分子动力学的模拟作用下，分析氢键数随模拟时间的变化与纤维素链运动情况，得出非晶区内纤维素链的msd。
59.步骤5，仿真结果的交叉验证。
60.将步骤3所得反应物与生成物含量随时间变化图与油热解的反应路径与各个产物的生成路径、步骤4所得晶区与非晶区氢键数的变化与msd，同实际绝缘油纸在相同高温条件下的实验结果进行交叉验证，分析分子动力学模拟的仿真结果的合理性。
61.步骤6，量化分析微观层面纤维素热解规律。
62.根据分子动力学模拟所得结果对变压器油与变压器纸的热解反应进行微观层面的理解，通过分析化学键的断裂与复合，得到热解反应途径示意图，从而量化分析微观层面纤维素热解规律。
63.根据步骤5交叉验证的实验结果可知，一种油浸式电力变压器绝缘油纸热老化机理的分子动力学模拟方法与实际结果相一致，本发明具有精度高、计算简单、效率高、切实可行的特点，解决了现有研究多局限于从实验结果提取特征参量、进行常规推导，缺乏对宏观实验现象进行微观机理的解释与研究的问题。
64.实施例2
65.本实施例提供一种变压器绝缘油纸热老化机理的分子动力学模拟系统，如图3所示，其包括：
66.材料成分分析模块，确定变压器实际运行情况和变压器绝缘油与绝缘纸的材料成分；
67.模型搭建与优化模块，考虑绝缘纸纤维素特殊的空间构型，即纤维素链呈晶区或非晶区排布，通过仿真软件对绝缘油与绝缘纸的模型进行搭建，然后进行结构优化，绝缘纸模型即为纤维素晶区与非晶区模型；
68.高温模拟模块，在将相应材料进行仿真建模后，在相应温度条件下进行高温模拟；根据热解反应轨迹统计不同时刻各分子的含量，绘制绝缘油反应物与生成物含量随时间变化图；利用元素跟踪法，将碳元素进行颜色标记，分析油热解的反应路径与各个产物的生成路径；
69.分子动力学模拟模块，对纤维素晶区与非晶区模型进行分子动力学模拟，调整相应的力学参数，在不同温度条件下，分析体系内氢键数随时间变化的关系、纤维素链运动情况，分析纤维素晶区与非晶区的热稳定性；
70.交叉验证模块，根据高温模拟模块与分子动力学模拟模块所得模拟结果与实际实验结果的对比分析，对模型搭建及其仿真结果的准确性进行校验；
71.热解规律分析模块，在交叉验证模块的基础上，以纤维素晶区与非晶区模型所受温度与相应结构变化进行对比，根据体系内化学键断裂情况，量化分析微观层面纤维素热解规律。
72.实施例2中未详细说明的部分参见实施例1。
73.上述所述实施例是用以具体说明本发明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于本发明权利要求范围所界定范畴内。