基于分子动力学仿真的混合油中水分子扩散行为及其介电常数研究.pdf

2024年2月电工技术学报Vol.39No.3

第39卷第3期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYFeb.2024

DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.222163

基于分子动力学仿真的混合油中水分子

扩散行为及其介电常数研究

赵曼卿1张博1李健飞1李华强2朱庆东3

（1.西安工程大学电子信息学院西安710048

2.电工材料电气绝缘全国重点实验室（西安交通大学）西安710049

3.国网山东省电力公司电力科学研究院济南250002）

摘要绝缘油是油浸式变压器内绝缘的重要组成部分，其绝缘性能对电力系统的稳定运行至

关重要。实验研究表明植物油与矿物油共混可有效提升其绝缘性能，但改性机理尚不明确。该文

利用分子动力学研究了植物油、矿物油不同共混比例下油中水分子的扩散行为及其介电常数。结

果表明：随着植物油占比增加，水分子的扩散系数逐渐降低，抑制了油中“水桥”的形成，提升

了混合油的绝缘性能。水分子与混合油组分分子之间相互作用能与氢键计算结果表明，植物油中

强极性基团的引入增大了混合油与水分子的相互作用能与氢键数目，抑制了水分子的热运动，导

致其扩散系数降低；而随着植物油占比增加，混合油的静态介电常数显著增大，且随着含水量的

提高显著上升，这是由于水分子及植物油中强极性基团的引入增大了混合油中参与极化的粒子数

目，导致体系介电常数显著增高。综上所述，强极性基团是影响混合油绝缘性能的重要因素，共

混时需综合考虑其对水分子扩散行为的抑制及对介电常数的增大效应，以达到提升混合油绝缘性

能的目的。

关键词：混合油含水量扩散系数介电常数分子模拟

中图分类号：TM214;TM411

0引言再生等缺点；相较于矿物油，植物油具有更高的闪点，

且含碳量更低，属于绿色可再生能源。植物油变压

油浸式变压器是电力系统中核心电力设备之一，

[5]

[1-2]器在我国电网正处于试点应用并逐步推广的阶段。

其绝缘性能对电力系统的安全可靠运行至关重要。

近年来，随着特高压输电技术的发展，输变电

绝缘油作为油浸式变压器内绝缘的重要组成部分，

设备的电压等级显著提升，这也对其绝缘性能提出

在保证变压器绝缘安全的同时也起着散热冷却的作

了更高的要求。学者们在提升变压器油绝缘性能方

用。但绝缘油在长期运行过程中受到温度、电场、

面开展了广泛的研究，包括纳米粒子掺杂、添加抗

水分及机械振动等多种环境因素的影响，会诱发绝

氧化剂以及将植物油与矿物油共混等方法。其中，

缘失效，甚至引发变压器整体故障，影响变压器的安

全稳定运行[3-4]。因此，维持绝缘油良好的介电特性最为普遍的方法是在绝缘油中掺杂纳米粒子以提升

其介电性能。周年荣、S.Nagendran等对纳米掺杂

与绝缘性能是保障变压器长期可靠运行的基础。目