牵引变压器油纸绝缘热老化及仿真模拟研究*

doi:10.11985/2023.03.012

牵引变压器油纸绝缘热老化及仿真模拟研究^*

陈学军^,¹, 方亚楠^,², 聂文鹏¹, 刘凯², 蔡国强¹, 高波², 高国强², 吴广宁²

1.中车唐山机车车辆有限公司动车检修事业部唐山 063000

2.西南交通大学电气工程学院成都 610000

Study on Thermal Aging and Simulation of Oil-paper Insulation for Traction Transformers

CHEN Xuejun^,¹, FANG Yanan^,², NIE Wenpeng¹, LIU Kai², CAI Guoqiang¹, GAO Bo², GAO Guoqiang², WU Guangning²

1. EMU Maintenance Division, Tangshan Zhongche Locomotive Co., Ltd., Tangshan 063000

2. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610000

通讯作者: 方亚楠，女，1997年生，硕士研究生。主要研究方向为高电压绝缘在线监测技术。E-mail：fangyn@my.swjtu.edu.cn

收稿日期: 2023-03-2 修回日期: 2023-05-13

基金资助:

* 国家自然科学基金资助项目(52007158)

Received: 2023-03-2 Revised: 2023-05-13

作者简介 About authors

陈学军，男，1985年生，工程师。主要研究方向为机械设计与自动化。E-mail：2778958417@qq.com

摘要

热应力是导致牵引变压器油纸绝缘材料性能劣化的主要因素之一，同时也影响着牵引变压器乃至整个动车组列车的安全稳定运行。以45号绝缘油和Nomex T410绝缘纸作为试验对象，基于车载牵引变压器的实际运行工况，首先对其进行加速热老化试验，测试绝缘油在不同老化周期的击穿电压、介质损耗因数、微水含量和油中溶解气体，研究了绝缘油的热老化特性，发现材料的绝缘性能随老化时间增加而降低，在第20个老化周期左右绝缘油已完全劣化，测试值均超过指标。其次进行ReaxFF反应分子动力学仿真模拟，揭示油纸绝缘在热老化过程中小分子物质产生的机理和路径，从微观层面为此类变压器的油中溶解气体分析方法提供理论支持和参考，结果表明，油纸混合绝缘系统的热解产物包含H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、CO、CO₂、H₂O和CO₂H₂。

关键词： 动车组变压器; 油纸绝缘; 热老化; 反应分子动力学; 油中溶解气体

Abstract

Thermal stress is one of the main factors leading to the deterioration of the oil paper insulation material of traction transformer, and also affects the safe and stable operation of traction transformer and the whole EMU train. No. 45 insulating oil and Nomex T410 insulating paper are taken as test objects. Based on the actual operating conditions of the vehicle traction transformer, the accelerated thermal aging test is firstly carried out to test the breakdown voltage, dielectric loss factor, moisture content and dissolved gas in the oil in different aging cycles. It is found that the insulation performance of the material decreases with the aging time. The insulation oil deteriorates completely around the 20th aging cycle, and the test value exceeds the index. Secondly, the ReaxFF reaction molecular dynamics simulation is carried out to reveal the mechanism and path of the generation of small and medium molecular substances in the process of thermal aging of oil-paper insulation, which provides theoretical support and reference for the analysis method of dissolved gas in oil of this kind of transformer from the microscopic level. The results show that the pyrolysis products of the oil-paper mixed insulation system include H₂, CH₄, C₂H₆, C₂H₄, CO, CO₂, H₂O and CO₂H₂.

Keywords： EMU transformer; oil-paper insulation; thermal aging; reaction molecular dynamics; dissolved gas in oil

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本文引用格式

陈学军, 方亚楠, 聂文鹏, 刘凯, 蔡国强, 高波, 高国强, 吴广宁. 牵引变压器油纸绝缘热老化及仿真模拟研究^*[J]. 电气工程学报, 2023, 18(3): 109-116 doi:10.11985/2023.03.012

CHEN Xuejun, FANG Yanan, NIE Wenpeng, LIU Kai, CAI Guoqiang, GAO Bo, GAO Guoqiang, WU Guangning. Study on Thermal Aging and Simulation of Oil-paper Insulation for Traction Transformers[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2023, 18(3): 109-116 doi:10.11985/2023.03.012

1 引言

近年来，我国高速动车组制造技术在不断提高和完善，保障动车组安全运行的科学技术也随之不断发展和完善。其中，车载牵引变压器作为动车组的核心部件，是车辆牵引与制动以及通信等功能的能量来源^[1]，担负着保证动车正常持续运行的重要职责。实际运行过程中，牵引变压器运行工况比较复杂，常面临着牵引负荷波动剧烈、起停和过分相等问题^[2]。同时，车载牵引变压器的尺寸和重量受到严格限制，造成其几何结构更为紧凑，内部电场分布更为复杂、热场更为集中。由此可见，相较于电力变压器，动车组牵引变压器存在诸多特殊性，对其进行研究十分有必要。

在实际变压器运行中，变压器油性能劣化主要是热老化^[3-4]，研究变压器绝缘油在热老化下的性能参数变化规律对于实际动车组运行安全意义重大，也有利于后续开展制定检修标准相关的工作，如制定合理的换油周期、滤油周期等。

同时，在动车组牵引变压器的运维工作中，状态监测是一项不可或缺的内容，油中溶解气体分析便是一种常用的测试手段。将近年来兴起的分子模拟技术应用于牵引变压器热老化产气特性的研究，不仅可以验证试验结果，还可以从微观原子层面精确分析绝缘材料老化所产生的气体产物及其生成路径，目前已有众多学者利用分子模拟技术对变压器绝缘材料进行了此类研究。曾奕凡等^[5]通过分子模拟发现硅绝缘油的主要特征产物是CH₄和H₂，PDMS分子裂解过程中最先断裂的是分子两端的C—Si键；相晨萌等^[6]通过热解模拟得出山茶籽绝缘油的主要产物是H₂和C₂H₆，最先断裂的化学键是与中心碳相连的C—O键；廖瑞金等^[3]的模拟结果表明，纤维素绝缘纸分子上的糖苷键最先发生断裂，致使其聚合度降低，而后吡喃环开环断裂，再经组合、重排、氧化就会生成H₂O、CO、CO₂等小分子产物。李加才等^[7]分别构建了矿物油、纤维素纸及其油纸复合绝缘模型，研究了不同体系下的热解主要产物及其微观生成路径。

因此，本研究通过加速热老化试验和ReaxFF分子动力学模拟，从宏观和微观两方面对矿物油和Nomex纸组成的牵引变压器油纸绝缘系统进行老化特性综合分析，为变压器运维状态的监测和评估提供理论指导。

2 热老化试验及仿真过程

2.1 材料制备及试验过程

以CRH380B型动车组牵引变压器所采用的绝缘材料为参照，本文采用中国石油天然气股份有限公司生产的昆仑45号变压器绝缘油和美国杜邦公司生产的Nomex T410绝缘纸为试验材料。

(1) 将Nomex T410绝缘纸剪裁成30 mm× 80 mm的条状试样，如图1所示，置于50 Pa/90 ℃真空环境中干燥48 h；将昆仑45号变压器绝缘油进行脱气处理，然后置于50 Pa/40 ℃真空环境中干燥48 h。

图1

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图1 Nomex T410绝缘纸样品

(2) 在氮气氛围下，将绝缘纸与绝缘油按1∶10的比例混合装入烧瓶中，并在50 Pa/40 ℃真空环境下静置24 h，使绝缘纸充分浸渍，如图2所示，共准备80个油纸混合样品。

图2

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图2 45号绝缘油-Nomex T410混合样品

(3) 将制备好的试样置于50 Pa/120 ℃的条件下进行加速热老化试验，老化周期为2 d，共进行30个老化周期。

(4) 每个周期后取出绝缘油试样，分别按照相应国标^[8⇓⇓-11]中的标准步骤进行击穿电压、介质损耗因数、微水含量以及油中溶解气体测试。

将加速热老化温度设置为120 ℃，主要是由于45号绝缘油闪点为135 ℃，采用120 ℃进行老化，可保证绝缘油不发生闪爆、燃烧等意外；Nomex T410绝缘纸的耐热等级为H级，即极限温度为180 ℃，采用120℃进行老化，可保证Nomex绝缘纸在低于其运行极限温度下老化降解；根据以往的研究经验，温度设置为120 ℃可大大缩短试验周期，同时保证相关参数不发生剧烈变化。

2.2 分子动力学模拟

2.2.1 ReaxFF原理

反应力场(ReaxFF)分子动力学模拟(MD)是通过计算任意两个原子间的键级(Bond orde，BO)来确定当前时刻的连接性，并在此基础上，将原子间的相互作用定义为键级的函数^[12⇓-14]，ReaxFF中系统的能量描述如下所示

$\begin{matrix} {{E}_{system}}={{E}_{\text{bond}}}+{{E}_{\text{over}}}+{{E}_{\text{under}}}+{{E}_{\text{val}}}+{{E}_{\text{pen}}}+ \\ {{E}_{\text{tors}}}+{{E}_{\text{conj}}}+{{E}_{\text{vdWaals}}}+{{E}_{\text{Coulomb}}} \\ \end{matrix}$

式中，E_bond表示键能项；E_over、E_under表示原子过配位数i的过配位能量矫正项；E_val、E_pen表示键角的价角能量项；E_tors、E_conj表示处理二面角时确定四原子连接情况的四体共轭项；E_vdWaals表示对近程Pauli排斥作用描述的范德华相互作用；E_Coulomb表示对远程色散修正作用描述的库仑相互作用。

2.2.2 模型构建

由于实际变压器中绝缘纸浸泡在绝缘油中，绝缘油中的一些特征物质来自绝缘纸的劣化产物，为充分理解绝缘油和绝缘纸的劣化过程，先分别对单个的绝缘油分子和绝缘纸分子进行热老化模拟，再对油纸绝缘系统进行模拟^[15]。

45号绝缘油是由碳氢元素组成的天然化合物，主要成分包括烷烃、环烷烃和芳香烃三大类^[4]，每个分子的平均碳原子数为15~23，本文采用含有20个碳原子的各种烃类构建绝缘油单分子模型，如图3所示，其中灰色和白色小球分别代表碳原子和氢原子。

图3

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图3 45号绝缘油单分子模型

Nomex绝缘纸是一种芳香族聚酰胺材料，它的主要成分是聚间苯二甲酰甲苯二胺(PMIA)，是由酰胺基团相互连接间位苯基所构成的线性大分子^[16-17]，本文采用聚合度为2的PMIA分子构建绝缘纸模型，如图4所示。

图4

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图4 Nomex T410绝缘纸分子模型

为了更加系统地理解变压器内油纸绝缘系统热老化，本文构建了油纸混合绝缘多分子系统，研究系统中主要小分子产物的类型，与实际变压器内老化产物做对比，模型如图5所示，左侧为绝缘纸，右侧为绝缘油。

图5

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图5 45号绝缘油-Nomex T410绝缘纸系统模型

3 结果及分析

3.1 加速热老化试验结果分析

击穿电压性能随老化周期的变化规律如图6所示，随着老化时间的增长，绝缘油的击穿电压几乎呈直线下降，其中第13~14周期下降速率最大，该期间下降了3.9 kV，到第23个老化周期，击穿电压为24.2 kV，达不到相关标准^[18]中运行中变压器油击穿电压≥35 kV的数值要求。

图6

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图6 击穿电压随老化周期变化规律

介质损耗因数随老化周期的变化规律如图7所示，绝缘油的介质损耗初始值为0.001，此时介质损耗因数非常小，说明该绝缘油性能好，符合运行标准。随着老化时间增长，数值开始缓慢增大，到第20个老化周期时，介质损耗因数达到了0.041，超过了相关标准^[18]中运行中变压器油介质损耗≤0.04的标准。第22个老化周期时绝缘油的介质损耗为0.058，此时增长速率变大，并且从第27个老化周期开始，该绝缘油的介质损耗值呈直线上升，增大速率约为每周期0.02。

图7

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图7 介质损耗因数随老化周期变化规律

微水含量随老化周期的变化规律如图8所示，初始微水含量是5.7 mg/L，在第1个周期直接上升到10.4 mg/L，之后呈缓慢上升趋势，到第13周期的时候开始快速增长，经过6个老化周期达到峰值32.4 mg/L，已经接近超过相关标准^[18]中运行中变压器油微水含量≤35 mg/L的要求范围。然而第19周期过后，微水含量开始下降。整个过程可以看出，微水含量是有极限的，前期会随着老化周期的增加而增大，到达峰值后就会下降，这可能是由Nomex纸吸水性强于矿物油导致的。另外，本文中水分为老化产生，实际变压器油中水分还会因变压器密封不严引入，可能会超过阈值。

图8

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图8 微水含量随老化周期变化规律

本文选取总烃作为溶解气体分析的指标，总烃含量随老化周期的变化规律如图9所示，在老化试验开始前为3.62 μL/L，数值处于较低水平。随着老化时间增长，总烃含量开始上升，证明绝缘纸和绝缘油都发生了老化，且随着老化时间增加老化程度也增加，到第25个老化周期的时候，该值达到了152.56 μL/L，已经超过了运行中动车组变压器油总烃≤150 μL/L的标准值。当达到第27个老化周期的时候，增长速率开始变缓，到第30个老化周期时，绝缘油的总烃含量达到了169.13 μL/L，此时比标准值多了19.13 μL/L，严重不满足要求，可见老化程度较为严重。

图9

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图9 总烃随老化周期变化规律

3.2 ReaxFF MD结果分析

3.2.1 单分子分解模拟

(1) 烷烃C₂₀H₄₂的热老化机制。烷烃C₂₀H₄₂的热老化分解过程如图10所示，图中虚线框标记产物为常见油中溶解气体。C₂₀H₄₂受热后分解为两个C₁₀H₂₁•自由基(即此时物质中含有未配位的电子^[19])，其中一个C₁₀H₂₁•受热后分解为C₂H₄和 C₈H₁₇•自由基，C₈H₁₇•继续分解，又生成C₂H₄以及C₆H₁₃•自由基，C₆H₁₃•继续分解生成C₂H₆和 C₄H₇•自由基，C₄H₇•分解成C₂H₄、C•和CH₃•自由基。另外一个C₁₀H₂₁•分解为C₁₀H₂₀•和H•自由基，其中，生成的C₁₀H₂₀•自由基会继续分解，分解过程与第一个C₁₀H₂₁•自由基类似，在此不再赘述。而生成的H•与第一个C₁₀H₂₁•自由基分解生成的CH₃•会发生化合反应，生成CH₄。

图10

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图10 烷烃C₂₀H₄₂的热老化分解过程

综上，一个烷烃分子C₂₀H₄₂受热不断裂解后，会生成乙烯、乙烷和甲烷。

(2) 环烷烃C₂₀H₃₄的热老化机制。环烷烃C₂₀H₃₄的热老化分解过程如图11所示，与上述烷烃类似，开环后产生的自由基不断裂解，生成稳定的小分子气体，不同的是环烷烃分子C₂₀H₃₄受热不断老化后，会生成乙烯、乙烷和氢气。

图11

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图11 环烷烃C₂₀H₃₄的热老化分解过程

(3) 芳香烃C₂₀H₂₆的热老化机制。芳香烃C₂₀H₂₆的热老化分解过程如图12所示，芳香烃受热后苯环脱落，分解为C₁₄H₂₁•和C₆H₅•自由基。C₁₄H₂₁•受热后继续分解，生成C₆H₅•以及C₈H₁₆•自由基， C₈H₁₆•继续分解，生成C₆H₁₀•和C₂H₆，C₆H₁₀•自由基继续分解，生成C₄H₆•和C₂H₄，C₄H₆•继续分解，生成C₂H₂•自由基和C₂H₄。而第一次分解得到的C₆H₅•自由基受热后也会继续分解为C₄H₃•以及C₂H₂•自由基。需要说明的是，这一系列反应中生成的C₂H₂•为自由基，并非乙炔。即一个芳香烃分子C₂₀H₂₆受热不断老化后，会生成乙烯和乙烷。

图12

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图12 芳香烃C₂₀H₂₆的热老化分解过程

(4) PMIA分子的热老化机制。PMIA分子C₂₈N₄O₄H₂₂的热老化分解过程如图13所示，PMIA分子C₂₈N₄O₄H₂₂受热后酰胺键(C—N)断裂，分解为C₁₄N₃O₂H₁₂•和C₁₄NO₂H₁₀•自由基，其中，C₁₄N₃O₂H₁₂•会持续分解，生成C₂H₄和甲酸CO₂H₂。另一产物C₁₄NO₂H₁₀•自由基受热后也会继续发生分解，生成CO、C₂H₄和H₂O。

图13

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图13 PMIA分子C₂₈N₄O₄H₂₂的热老化分解过程

综上，一个PMIA分子C₂₈N₄O₄H₂₂受热不断老化后，会生成乙烯、一氧化碳、甲酸以及水。

3.2.2 多分子分解模拟

45号绝缘油-Nomex T410绝缘纸多分子系统的热老化分解产物包括H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、CO、CO₂、H₂O和CO₂H₂。

对上述小分子产物的来源进行统计，结果如表1所示。具体来说，H₂可有三种来源，即其所有氢原子来自于45号绝缘油，或者都来自于Nomex T410绝缘纸，或者由45号绝缘油和Nomex T410绝缘纸共同贡献(即在热老化过程中45号绝缘油和Nomex T410绝缘纸各自裂解生成H•自由基，两者发生化合反应生成H₂)。与H₂类似的是，CH₄、C₂H₆和C₂H₄的组成成分也有相同的三种来源，这是因为45号绝缘油和Nomex T410绝缘纸都含有大量的氢原子和碳原子，老化过程中不断生成并相互之间发生化合反应。而CO、CO₂和H₂O，只有两种来源，即来自于Nomex T410绝缘纸或者由45号绝缘油和Nomex T410绝缘纸共同贡献，这是因为45号绝缘油中无氧原子导致，且只能贡献氢原子或者碳原子。在模拟中观察到CO₂H₂则只能由Nomex T410绝缘纸老化生成。

表1 油纸绝缘热老化分解产物来源统计

序号	名称	成分来源
1	H₂	① 45号绝缘油 ② Nomex T410绝缘纸 ③ 纸+油
2	CH₄	① 45号绝缘油 ② Nomex T410绝缘纸 ③ 纸+油
3	C₂H₆	① 45号绝缘油 ② Nomex T410绝缘纸 ③ 纸+油
4	C₂H₄	① 45号绝缘油 ② Nomex T410绝缘纸 ③ 纸+油
5	CO	① Nomex T410绝缘纸 ② 纸+油
6	CO₂	① Nomex T410绝缘纸 ② 纸+油
7	H₂O	① Nomex T410绝缘纸 ② 纸+油
8	CO₂H₂	Nomex T410绝缘纸

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表1中的小分子物质都为实际试验中所测到的物质，如H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、CO、和CO₂为常见油中溶解气体，H₂O为实际老化产生的微水，CO₂H₂为实际老化测定得到的有机酸。这说明上述8种小分子物质确实为45号绝缘油-Nomex T410绝缘纸系统中热老化的产物，从侧面印证了分子动力学模拟的准确性。

另外，模拟中未产生乙炔C₂H₂和糠醛C₅H₄O₂，这说明实际热老化难以产生乙炔和糠醛。根据研究经验，乙炔的出现往往为局部放电所致，所需的能量极高^[20⇓-22]，非热老化所能相比，因此，在实际变压器油中如果测到较高的乙炔含量，应考虑是变压器内部出现放电故障^[23-24]，除了做滤油处理外，还应考虑是否存在内部结构缺陷，在动车组变压器检修时应特别注意。

4 结论

本文以动车组变压器为研究对象，将45号绝缘油和Nomex T410绝缘纸作为试验对象，在120 ℃的条件下对其进行了加速热老化试验，并借助分子动力学模拟软件进行了ReaxFF MD模拟。测试了绝缘油在不同老化周期的绝缘性能，研究了绝缘油的热老化特性，揭示了油纸绝缘在热老化过程中小分子物质产生的机理和路径，得到如下结论。

(1) 通过对绝缘材料加速热老化试验后的电气性能进行分析，认为在第20个老化周期左右绝缘油已经劣化，测试值均超过指标。这个结论可以与后续工作中测得的实际数据进行对照，实现对牵引变压器检修工作的预测和指导。

(2) ReaxFF MD模拟的结果表明，老化特征气体H₂、CH₄、C₂H₆和C₂H₄有三种来源，即仅来自于45号绝缘油、仅来自于Nomex T410绝缘纸或者来自于油纸绝缘混合体系。CO、CO₂和H₂O只有两种来源，即Nomex T410绝缘纸或者油纸绝缘混合体系。

(3) 由反应分子动力学模拟的过程可以发现，随着分解进行，油中烃类物质的种类和数量增多，这与之前热老化试验测得的总烃含量变化一致，证明了MD模拟的有效性，而且MD模拟从原子层面揭示这些气体分子的产生机理，能够为变压器监测技术提供理论支持。

(4) 后续可以在此研究结果的基础上，设计局部放电、火花放电、电弧放电等试验模型，进行模拟电老化试验，并在不同电场强度条件下对油纸绝缘材料进行分子动力学模拟，从宏观和微观两个层面深入研究电、热应力对牵引变压器油纸绝缘材料性能劣化的影响规律和机理。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

高波, 许竟, 杨雁, 等.

车载牵引变压器油纸绝缘热老化特性及机理研究

[J]. 铁道学报, 2020, 42(7):80-86.