北京市高電壓與電磁兼容重點實驗室（華北電力大學）的研究人員王偉、董文妍、李芳義、蔣達、寧中正，在2019年第17期《電工技術學報》上撰文指出，受取樣及測量等技術手段的限制，水分在油紙界面的遷移和聚集行為缺乏深入的研究。
本文從分子層面對升溫過程中水在礦物油與纖維素界面的遷移和聚集行為進行研究。建立了105原子量級的礦物油與纖維素複合介質模型，對其從293 K升溫到353 K的過程進行了模擬，計算分析了水分子的聚集狀態、擴散係數、自由體積和徑向分布函數，並比較了電場和溫度場在此過程中的作用。
研究結果表明，當纖維素中水分含量超過4%時，快速升溫會導致水分子在油紙界面通過分子間氫鍵作用聚集成水分子簇，形成局部液態水；當水分含量超過5%時，則會形成較大的液態水分區。電場的極化作用加強了水分子間的氫鍵作用力，增加了高水分區出現的概率，減少了水分子的擴散係數和自由體積，並使其擴散係數呈現各向異性。
礦物油和纖維素紙板是變壓器絕緣材料的重要組成部分，其絕緣性能的好壞直接影響到變壓器的安全和運行壽命。水分是影響油紙複合介質絕緣性能的重要因素，其分布受到溫度場和電場的共同作用。油紙絕緣體系中水分的不均勻分布會降低變壓器的絕緣強度，容易引發擊穿事故。研究水分在油紙絕緣體系中的分布規律及擴散行為，對預防變壓器絕緣事故具有重要理論意義和工程價值。
目前對於油紙絕緣體系中水分擴散規律的研究多基於宏觀實驗，主要從以下四個方面展開：油紙絕緣中水分含量的監測方法、絕緣紙老化裂解對水分平衡過程的影響、水分加速油紙絕緣老化速率的研究及水分對油紙絕緣介電頻譜的響應規律。
在變壓器實際運行的過程中，由於負荷大幅度增加等原因，會出現快速升溫的工況，絕緣紙板中的水分會向油中遷移。由於油中的飽和含水量遠小於絕緣紙板的飽和含水量，在水分遷移過程中，可能在油紙界面聚集，形成局部高水分區，從而導致沿面爬電等惡性變壓器事故，前期的實驗間接驗證了這一現象。但受取樣和測量等技術手段的限制，當前尚無法精確測量油紙界面水分的遷移與擴散過程。
分子模擬技術的出現為研究水分子在油紙界面處的聚集和擴散行為提供了手段。相關研究主要關注於油紙絕緣的材料特性、水分的擴散機制等，並取得了豐碩的成果。
但是，當前研究主要存在如下問題：①對於油紙絕緣體系中水分擴散規律的研究都基於單一變量，缺乏電場、溫度場耦合條件下的計算；②建立的分子模型規模小，油在常溫時的飽和含水量僅為10-6數量級，故分子模型中的水分子數量極少，為了增強計算效果，模型中設置的含水量高達10%，遠高於實際變壓器中的情況；③對油紙界面處水分的擴散和聚集規律尚無研究。
本文從分子層面對升溫過程中水在礦物油與纖維素界面的遷移和聚集行為進行研究。建立105原子量級的礦物油與纖維素複合介質模型，對其從293 K升溫到353 K的過程進行了計算，分析了水分子的聚集狀態、擴散係數、自由體積和徑向分布函數，並比較了電場和溫度場在此過程中的作用。
討論
1 升溫速率的等效性
對納米級別的油紙複合介質模型進行的升溫模擬（293~353K）總耗時為2ns，而宏觀實驗一般要歷經較長時間。這是因為宏觀實驗現象是無數微觀區域綜合作用的結果，其時間上也具有累加性。微觀過程時間與其和宏觀過程時間的對應性是當前微觀領域研究的難點，尚無有效的等效方法，因此本文中升溫過程對應的宏觀升溫速度無法直接給出。
但是，由於在整個計算中，擴散運動一旦平衡，即開始下一次升溫，對應的宏觀上屬於最快的升溫速度，也就是油紙絕緣系統中可能出現的最快的升溫速度，可以稱為快速升溫。
2 電場強度的取值
本文中電場強度的取值為1010V/m，模擬值遠大於實際值，這是因為油紙絕緣介質在變壓器正常運行時會發生取向極化，而分子模擬過程中的電場極化作用在電場強度為1010V/m時才比較明顯[3]。另外，強電場可以克服真空條件下分子的熱運動。而且，電場作用是長期的，而計算模擬時間是短暫的，強電場的方式在一定程度上可以抵消時間效應。
3 仿真結果的意義
在快速升溫速度條件下，當紙板中水分含量高於4%時，會導致水分子在油紙界面通過分子間氫鍵作用聚集成水分子簇，形成局部液態水；當水分含量超過5%時，則會形成較大的液態水分區，這將嚴重危害變壓器安全。當前相關規程中，對於110kV變壓器紙板中水分限值的規定是4%，該限值是平均水分含量。
變壓器底部溫度低，紙板中的水分含量高於4%，甚至可能高於5%，如果出現快速升溫工況，可能會在變壓器底部形成局部液態水，從而導致沿面爬電等現象。部分老舊變壓器解體後，在底部區域發現有明顯的爬電痕跡，可能的原因就在於此。因此，建議相關規程調整變壓器中水分含量限值的規定，要求在任何區域，紙板中的水分含量都不應高於4%。
總結
本文利用分子模擬的方法對水分在礦物油和纖維素界面的擴散和聚集行為進行了研究，得到以下結論：
1）當無外加電場時，隨著溫度的升高，水分子由纖維素向油中擴散。但由於水分在絕緣油和纖維素紙中溶解度的差異，使水分子在垂直於油紙交界面的方向上的擴散係數略小於另外兩個方向，進而水分子聚集在油紙交界面處，由初始的分散狀態變為聚集狀態。
同時，溫度的升高使體系的自由體積增加，這是導致水分子擴散係數增加的主要原因。另外，油紙交界面處的水分子間的氫鍵作用力隨著溫度的升高而小幅度增加，進而水分子通過氫鍵作用力結合成分子團簇，形成高水分區。
2）油分子、纖維素分子和水分子在電場下會發生極化作用，水分子沿電場方向呈「V」字形有序排列，進而使水分子的自由體積和擴散係數降低。同時，由於電場的束縛作用，水分子沿電場方向的擴散係數小於另外兩個方向的擴散係數，呈各向異性擴散。
另外，通過分析電場條件下水分子的氫鍵作用發現，電場極大地加強了水分子間的氫鍵作用力，使水分子更容易通過氫鍵作用聚集為分子團簇，在油紙交界面處形成局部高水分區。當纖維素中水分含量超過4%時，快速升溫會導致水分子在油紙界面通過分子間氫鍵作用聚集成水分子簇，形成局部液態水；當水分含量超過5%時，則會形成較大的液態水分區。
3）電場的加入極大地降低了水分子的自由體積和擴散係數，並增強了氫鍵作用力，而溫度的升高僅小幅度地影響了水分子的擴散參數。說明電場對油紙絕緣體系中水分子的擴散規律的影響起主導作用，溫度場的影響較小。