CN105974097B - 一种纳米改性变压器油稳定性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种纳米改性变压器油稳定性分析方法，通过分子模拟技术代替传统实验，可以用真实环境中无法实现的条件或简化的条件，来研究不同纳米颗粒对变压器油的稳定性的影响。采用本公开方法，方法简单有效，能尽快将模拟结果实际应用于制取稳定的变压器油。
Description
技术领域
本公开涉及变压器油，具体地讲，涉及一种纳米改性变压器油稳定性的分析方法。
背景技术
为了提高变压器的运行效率，提高变压器油的稳定性就显得至关重要，变压器油的绝缘性能直接影响着变压器的运行寿命，通过将一定质量的纳米颗粒均匀分散在变压器油中获得纳米改性变压器油，其绝缘性能、散热性能以及抗老化、抗水分性能都有显著提高。但在传统实验环境中，真实的分子系统中有些条件不易实现也不易简化，因而不利于对研究不同因素对分子系统的影响，很难深入地了解分子系统的行为。其次，采用传统实验，实验过程耗时繁琐，也很难获取理想的数据。而且，对于材料的微观结构以及材料性能方面的数据，也很难清晰地展示获取。
发明内容
针对上述问题，本公开提供了一种纳米改性变压器油稳定性的分子方法，通过分子模拟技术代替传统实验，对纳米改性变压器油的稳定性进行分析。
一种纳米改性变压器油稳定性的分析方法，所述方法包括下述步骤：
S01、分析变压器油的组成，得到所述变压器油的主要成分的比例；并根据所述主要成分确定要模拟的变压器油分子；
S02、选择要分析的纳米颗粒，根据要分析的纳米颗粒占变压器油的体积分数，确定变压器模型腔体大小；
S03、将模拟的变压器油分子按照得到的主要成分的比例，添加到所述腔体中，使其密度达到模拟的变压器油的密度，得到变压器油模型；
S04、若要分析的纳米颗粒具有含水量，执行步骤S05；否则，执行步骤S06；
S05、向变压器油模型中添加模拟的纳米颗粒，并根据含水量确定模拟的水分子数目，向变压器油模型中添加所述数目的模拟水分子，得到纳米改性变压器油模型；
S06、向变压器油模型中添加模拟的纳米颗粒得到纳米改性变压器油模型；
S07、优化所述纳米改性变压器油模型的结构；
S08、在优化后的结构中，模拟所述纳米改性变压器油中分子的运动，获得纳米改性变压器油的粘度，进而利用所述粘度计算所述纳米颗粒的沉降速度；
S09、判断是否模拟完所有不同的纳米颗粒，如果是，则执行步骤10；否则，执行步骤S2；
S10、比较不同纳米颗粒的沉降速度，认为纳米颗粒沉降速度最小的纳米改性变压器油具有良好的稳定性。
优选地，所述变压器油的分子包括：正十二烷烃，一环烷烃，二环烷烃，三环烷烃，四环烷烃。
优选地，所述步骤S07中采用综合法法来优化。
优选地，所述纳米颗粒是下述材料的一种、两种或三种组合：Al2O3，ZnO，SiO2。
优选地，所述纳米颗粒的参数包括：纳米颗粒的材料、半径、体积分数以及含水量。
优选地，所述变压器油模型建立在NVT系综和Compass力场下；所述变压器油模型的边界条件为周期性边界条件；所述变压器油模型的初始温度设为需要模拟的温度。
优选地，所述步骤S08中的粘度通过下述步骤获得：
S08.1、通过模拟所述纳米改性变压器油中分子的运动，获得所述纳米颗粒的均方根位移随时间关系图；
S08.2、利用所述均方根位移随时间关系图，计算纳米颗粒的扩散系数；
S08.3、根据斯托克斯-爱因斯坦(Stocks-Einstein)方程，利用步骤S08.2中计算得到的扩散系数，计算纳米颗粒的粘度。
进一步地，所述沉降速度根据下述公式计算：
式中：ρ0是变压器油密度；d是纳米颗粒当量直径；ρ是纳米颗粒的密度；η是将纳米加入到变压器油后的动力粘度；g是重力加速度。
通过上述方法可以进一步挑选出使变压器油变得更稳定地纳米颗粒，即：将沉降速度最小的纳米颗粒分散到变压器油中。优选地，采用超声振荡法将纳米颗粒均匀分散到变压器油中。
采用本公开方法对纳米改性变压器油进行分析，使用分子模拟技术代替传统实验，可以用真实环境中无法实现的条件或简化条件来研究不同纳米颗粒对变压器油的稳定性的影响，从而获得稳定地纳米改性变压器油，方法简单有效，能尽快将模拟结果实际应用于制取稳定地变压器油。
附图说明
图1一个实施例中纳米改性变压器油稳定性的分析流程示意图；
图2模拟的变压器油分子结构示意图。
具体实施方式
本公开提供一种通过分子模拟技术来对纳米改性变压器油的稳定性进行分析方法，所述方法的流程图如图1所述，所述方法包括下述步骤：
S01、分析变压器油的组成，得到所述变压器油的主要成分的比例；并根据所述主要成分确定要模拟的变压器油分子；
S02、选择要分析的纳米颗粒，根据要分析的纳米颗粒占变压器油的体积分数，确定变压器模型腔体大小；
S03、将模拟的变压器油分子按照得到的主要成分的比例，添加到所述腔体中，使其密度达到模拟的变压器油的密度，得到变压器油模型；
S04、若要分析的纳米颗粒具有含水量，执行步骤S05；否则，执行步骤S06；
S05、向变压器油模型中添加模拟的纳米颗粒，并根据含水量确定模拟的水分子数目，向变压器油模型中添加所述数目的模拟水分子，得到纳米改性变压器油模型；
S06、向变压器油模型中添加模拟的纳米颗粒得到纳米改性变压器油模型；
S07、优化所述纳米改性变压器油模型的结构；
S08、在优化后的结构中，模拟所述纳米改性变压器油中分子的运动，获得纳米改性变压器油的粘度，进而利用所述粘度计算所述纳米颗粒的沉降速度；
S09、判断是否模拟完所有不同的纳米颗粒，如果是，则执行步骤10；否则，执行步骤S2；
S10、比较不同纳米颗粒的沉降速度，认为纳米颗粒沉降速度最小的纳米改性变压器油具有良好的稳定性。
本公开所述纳米改性变压器油是指将粒径小于100nm的纳米颗粒通过一定的分散方法分散到变压器油后形成的稳定的悬浮液。
在上述方法中，使用分子模拟技术代替传统实验，对纳米改性变压器油进行分析，可以用真实环境中无法实现的条件或简化条件来研究不同纳米颗粒对变压器油的稳定性的影响，从而获得稳定地纳米改性变压器油，方法简单有效。所述分子模拟软件可以是Materials Studio、LAMMS、GROMACS、GULP、GAUSSIAN，本公开方法优选Materials Studio。
为了方便建模，选择用于模拟所述变压器油的分子包括：正十二烷烃，分子式为C12H26；一环烷烃，分子式为C14H28，；二环烷烃，分子式为C12H26；三环烷烃，分子式为C16H28，四环烷烃，分子式为C16H26。它们的分子结构参见图2。
在一个实施例中，提供了所述变压器油模型建立的详细内容：所述变压器油模型建立在NVT系综和Compass力场下；所述变压器油模型的边界条件为周期性边界条件；所述变压器油模型的初始温度设为需要模拟的温度。
步骤S06中的优化方法可以为最陡下降法(Steepest Descent)，共轭梯度法(Conjugate Gradient)，牛顿方法(Newton)和综合法(Smart Minimizer)。所述步骤S07中优选地采用综合法(Smart Minimizer)法进行优化。
优选地，步骤S08中的所述粘度通过下述步骤获得：
S08.1、通过模拟所述纳米改性变压器油中原子的运动，获得所述纳米颗粒的均方根位移随时间关系图；
S08.2、利用所述均方根位移随时间关系图计算纳米颗粒的扩散系数；
S08.3、根据斯托克斯-爱因斯坦(Stocks-Einstein)方程，利用步骤S08.2中计算得到的扩散系数，计算纳米颗粒的粘度。
进一步地，所述沉降速度根据下述公式计算：
式中：ρ0是变压器油密度；d是纳米颗粒当量直径；ρ是纳米颗粒的密度；η是将纳米加入到变压器油后的动力粘度；g是重力加速度。
这个式子的推导如下：
在悬浮液中纳米颗粒受到的沉降力可表示为重力与浮力之差F1，即
按Stocks定律，纳米颗粒在沉降过程中所受阻力F2为：
当颗粒稳定或匀速下降时重力等于浮力，则颗粒沉降速度就为：
由沉降速度公式可以看出，沉降速度与纳米颗粒大小及悬浮液粘度，及纳米颗粒密度和变压器油密度有关。纳米颗粒密度和纳米颗粒的材质有关，对于本公开来说，所述纳米颗粒优选是下述材料的一种、两种或三种组合：Al2O3，ZnO，SiO2，它们的密度分别是：Al2O3：3.8g/cm3；ZnO：5.6g/cm3；SiO2：2.2g/cm3。所述悬浮溶液粘度，与纳米颗粒种类与大小，体积分数、含水量、纳米颗粒形状相关。由于上述材料的颗粒基本都是球形，在分析中可以忽略纳米颗粒形状的影响。基于此，可以确定影响纳米改性变压器油稳定性的因素，包括纳米颗粒的材料、纳米颗粒大小、体积分数以及含水量。当所选纳米材料不限于上述几种时，影响纳米改性变压器油稳定性的因素可以还包括纳米颗粒的形状。
对于本公开方法，通过改变纳米颗粒的材料、纳米颗粒大小、体积分数以及含水量可以形成步骤S02中要分析的纳米颗粒。在考虑纳米颗粒形状的情况下，还可以包括改变纳米颗粒形状。在一个实施例中，不同纳米颗粒为三种，它们的材料依次为Al2O3，ZnO，SiO2，它们的半径均为10nm，体积分数均为0.2％，不含水分。在一个实施例中，不同纳米颗粒为两种，分别为50％Al2O3和50％ZnO混合颗粒、SiO2颗粒，它们的半径均为20nm，体积分数均为0.04％，含水分。在一个实施例中，不同纳米颗粒为三种，均为Al2O3，ZnO，SiO2三种材料的混合颗粒，它们的体积分数依次0.02％，0.04％，0.06％，不含水分。在一个实施例中，不同纳米颗粒为四种，均为ZnO材料，它们的半径为10nm，20nm，30nm，50nm；体积分数均为0.06％，不含水分。
步骤S11之后可以进一步包括下述步骤：将沉降速度最小的纳米颗粒分散到变压器油中。优选地，采用超声振荡法将纳米颗粒均匀分散到变压器油中。
在一个实施例中，研究Al2O3，ZnO，SiO2三种材料对海牌25号石蜡基变压器油稳定性的影响。使用质谱仪分析海牌25号石蜡基变压器油的主要成分，其成分组成见表1。
表1：
由于五环以上的烷烃性质与链烃相似，为了简化模型，忽略1％的五环烷烃，将链烃的质量分数变为29.2％。为了充分表现出变压器油的性质，根据分析的主要成分结果，选择了五种典型的分子作为石蜡基变压器油分子，它们是：正十二烷烃，分子式为C12H26；一环烷烃，分子式为C14H28，；二环烷烃，分子式为C12H26；三环烷烃，分子式为C16H28，四环烷烃，分子式为C16H26。它们的分子结构参见图2。
根据简化后的变压器油的主要成分的比例，使用Materials Studio建立模型。
其中，变压器油模型腔体大小根据要加入纳米颗粒占变压器油体积分数来设置。比如在一个实施例中，纳米颗粒占变压器油体积分数为0.02％，若纳米颗粒半径为5埃，所述腔体大小被设置为30×30×30埃。
然后，向所述腔体中按照变压器油的主要成分的比例添加各个成分的模拟分子，目标密度设为0.90g/cm3，得到变压器油模型。
再向其中添加纳米颗粒，并根据纳米颗粒含水量，确定是否需要添加水分子，若要添加，则进一步确定水分子数目，然后向所述腔体中添加水分子。
这样得到纳米改性变压器油模型，采用综合法(Smart Minimizer)对纳米改性变压器油模型在一个大气压下进行5000步的结构优化。
在Materials Studio中模拟分子运动时，选择NVT系综和Compass力场下，将边界条件设置为周期性边界条件，初始温度为20度。在所述初始温度下，所有分子的运动被自动初始化，初始速度和初始位置被赋予随机值。其中，所有分子的初始速度值符合麦克斯韦分布。为方便获得纳米颗粒的均方根位移随时间关系图，原子更新速度和位置的时间步长设置为1fs。
先向变压器油模型中加入模拟的Al2O3纳米颗粒，该纳米颗粒半径为10nm，体积分数为0.2％，温度为20度，不含水分。对加入Al2O3的纳米颗粒的变压器油模型进行模拟。获得该模型下的Al2O3纳米颗粒的沉降速度v1。
将模拟的纳米颗粒改成ZnO，纳米颗粒半径、体积分数、温度和含水量不变，对加入ZnO纳米颗粒后的纳米改性变压器油模型进行模拟，获得该模型下的ZnO纳米颗粒的沉降速度v2。
再将模拟的纳米颗粒改成SiO2，纳米颗粒半径、体积分数、温度和含水量不变，对加入SiO2纳米颗粒后的纳米改性变压器油模型进行模拟，获得该模型下的SiO2纳米颗粒的沉降速度v3。
比较沉降速度v1、v2、v3，以获得最小的沉降速度。
进一步地，将最小沉降速度所属的纳米颗粒通过超声振荡法均匀分散到变压器油中，以获得具有良好稳定性的纳米改性变压器油。
以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。
Claims (10)
1.一种纳米改性变压器油稳定性分析方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
S01、分析变压器油的组成，得到所述变压器油的主要成分的比例；并根据所述主要成分确定要模拟的变压器油分子；
S02、选择要分析的纳米颗粒，根据要分析的纳米颗粒占变压器油的体积分数，确定变压器模型腔体大小；
S03、将模拟的变压器油分子按照得到的主要成分的比例，添加到所述腔体中，使其密度达到模拟的变压器油的密度，得到变压器油模型；
S04、若要分析的纳米颗粒具有含水量，执行步骤S05；否则，执行步骤S06；
S05、向变压器油模型中添加模拟的纳米颗粒，并根据含水量确定模拟的水分子数目，向变压器油模型中添加所述数目的模拟水分子，得到纳米改性变压器油模型；
S06、向变压器油模型中添加模拟的纳米颗粒得到纳米改性变压器油模型；
S07、优化所述纳米改性变压器油模型的结构；
S08、在优化后的结构中，模拟所述纳米改性变压器油中分子的运动，获得纳米改性变压器油的粘度，进而利用所述粘度计算所述纳米颗粒的沉降速度；
S09、判断是否模拟完所有不同的纳米颗粒，如果是，则执行步骤10；否则，执行步骤S02；
S10、比较不同纳米颗粒的沉降速度，认为纳米颗粒沉降速度最小的纳米改性变压器油具有良好的稳定性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变压器油分子包括：正十二烷烃，一环烷烃，二环烷烃，三环烷烃，四环烷烃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S07中采用综合法来优化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒是下述材料的任意一种或任意组合：Al2O3，ZnO，SiO2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的参数包括：纳米颗粒的材料、半径、体积分数以及含水量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变压器油模型建立在NVT系综和Compass力场下；所述变压器油模型的边界条件为周期性边界条件；所述变压器油模型的初始温度设为需要模拟的温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S08中的粘度通过下述步骤获得：
S08.1、通过模拟所述纳米改性变压器油中分子的运动，获得所述纳米颗粒的均方根位移随时间关系图；
S08.2、利用所述均方根位移随时间关系图，计算纳米颗粒的扩散系数；
S08.3、根据斯托克斯-爱因斯坦(Stocks-Einstein)方程，利用步骤S08.2中计算得到的扩散系数，计算纳米颗粒的粘度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉降速度根据下述公式计算：
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1
式中：ρ0是变压器油密度；d是纳米颗粒当量直径；ρ是纳米颗粒的密度；η是将纳米加入到变压器油后的动力粘度；g是重力加速度。
9.根据权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于：在步骤S10之后，所述方法还包括：将沉降速度最小的纳米颗粒分散到变压器油中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述分散的方法为超声振荡法。
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