绝缘纸高温裂解的分子动力学模拟研究
闫江燕，王学磊，李庆民，周勇，王兆东，李成榕
1、项目背景
油纸绝缘特别是纸绝缘安全，是油浸式电力变压器可靠运行的重要保证。变压器运行过程中的局部油温过热可能造成绝缘纸的高温裂解现象，大大缩短绝缘纸寿命，继而引发严重的变压器故障。传统评估绝缘纸劣化状态的特征量，如油中溶解CO与CO2、油中糠醛含量等，因各自局限性而准确度尚待提高。要建立更为完善准确的绝缘纸劣化状态评估方法，须深入研究绝缘纸的高温裂解机制。
2、论文所解决的问题及意义
传统的宏观实验方法并不能定量揭示绝缘纸高温降解的内在物理与化学机制，本文采用分子反应动力学微观模拟手段，计算了绝缘纸纤维素的高温降解过程，获得了主要小分子裂解产物的种类、数量及其生成路径。这为进行绝缘纸劣化程度评估和油纸绝缘过热故障分析，以及建立有效的故障预警机制，提供了重要的理论依据和定量数据。
3、论文重点内容
本文以绝缘纸纤维素的重复单元纤维二糖（分子模型见图1）为研究对象，建立了纤维素高温降解的分子反应动力学仿真模型，利用ReaxFF力场计算得到了纤维二糖的初始裂解过程、主要小分子产物数目及其生成路径。
不计羟基和氢原子断裂情况，纤维二糖初始断裂位置主要集中在糖苷键（两个吡喃环连接处）的O原子处，以及两个吡喃环上的氧原子处。吡喃环多在C1-O5、C5-O5和C'5-O'5、C'5-O'5处开始断裂，也有部分纤维二糖在两个不同的碳原子之间开始断裂。纤维二糖开环以后，进一步分解成多个小分子碎片，伴随着吡喃环的裂解，逐渐产生小分子产物。
纤维二糖的裂解产物主要有乙醇醛CH2OHCHO、甲酸CH2O2、二氧化碳CO2、自由基CHO2、1,2-二羟基乙烯CHOH=CHOH和水H2O等，且各裂解产物分子数随高温作用时间增加而增大。在主要产物中，H2O、自由基CHO2和乙醇醛CH2OHCHO数量最多，图2为1900K时小分子产物数目随时间的变化曲线。
通过跟踪可视化的纤维素分解过程，观测不同时刻键的断裂和生成情况，可得到上述主要产物的生成路径。以CO2为例，其生成路径如图3所示。图中灰色、蓝色表示C原子，红色、粉色表示O原子，白色、绿色表示H原子。
4、结论
纤维二糖中的糖苷键和吡喃环上的氧原子处较为脆弱，在高温裂解过程中，多是先在糖苷键处断裂，随后在两个吡喃环上的氧原子处断裂，并进一步裂解形成小分子碎片。
纤维二糖高温裂解会产生多种小分子产物，通过跟踪分子变化过程，获得了上述主要产物的生成路径。这些小分子产物可通过红外光谱等分析化学手段测得，可作为新的微观特征量用于工程实际中的过热故障诊断依据。
延伸阅读：
原标题：华北电力大学李庆民等：电力变压器绝缘纸高温裂解的微观机制
