納米改性變壓器油

納米改性變壓器油是一種經過納米技術改良的變壓器油。納米改性變壓器油在導熱、擊穿、老化、抗水分影響以及改性油一紙相互作用等方面的特點，並介紹了目前常用的三種用於解釋絕緣油介質中納米顆粒改性機理的理論模型。

基本介紹

• 中文名：納米改性變壓器油
• 外文名：Nano - modified transformer oil
• 類型：變壓器消耗品
• 作用：散熱
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

目前由於其高散熱性和獨特的電氣性能，正受到越來越廣泛的關注。以近年來納米改性變壓器油的相關研究成果為基礎，分析了納米改性變壓器油在導熱、擊穿、老化、抗水分影響以及改性油一紙相互作用等方面的特點，並介紹了目前常用的三種用於解釋絕緣油介質中納米顆粒改性機理的理論模型，最後提出了納米改性變壓器油領域後續研究需要關注的問題，即納米顆粒材料體系的選擇、高穩定性改性變壓器油的製備工藝以及納米顆粒對變壓器油的改性機理。

隨著電網系統的快速發展，電壓等級和傳輸容量不斷提升，這不僅使得電力設備的體積和重量持續增加，同時也降低了設備的安全可靠性。調查顯示，20052010年間我國因輸變電設備故障導致的電網停電事故占當年總事故的37%-48%，居故障起因第一位。油紙絕緣作為一種較為成熟的絕緣技術，在電力設備中受到廣泛運用，但隨著服役年限的增加，在電、磁、機械等多重物理場的作用下，油紙絕緣結構暴露出了越來越嚴重的綜合老化問題，尤其是由材料發熱引起的熱老化.

為了解決油紙絕緣結構的散熱問題，1995年納米微粒首次被添加到變壓器油中形成納米流體，以提高絕緣結構自身的散熱能力。C.Choi等的研究表明在變壓器油中添加體積分數為0.5%的A1N納米顆粒，可將油流體的熱導率提高8%，整體熱效率提高20%。納米改性變壓器油是指在變壓器油中添加納米顆粒，並形成穩定的懸浮膠體，這些粒子的平均直徑為幾到幾十納米，比變壓器油中常見微粒小2到3個數量級。納米改性變壓器油最開始是以納米磁流體(magnetic nanofluids)作為研究對象，即添加Fe304等鐵磁性納米材料，但研究顯示鐵磁性納米油流體的穩定性和擊穿特性受外部磁場的影響較大，並不適用於變壓器等油紙絕緣結構的電力設備。在後續的相關研究中，半導體材料和絕緣材料逐漸被作為改性納米材料添加到變壓器油中。同時，流體基液也由礦物變壓器油發展到植物變壓器油。國內外各項研究結果表明，通過納米材料改性的變壓器油在導熱性、電氣特性和抗老化等方面都具有較明顯的提高。

納米改性變壓器油獨特性能

導熱性能

在20世紀80年代，微米級或更高數量級的固體顆粒就被添加到液態介質中，來提高流體的導熱能力。但由於固體顆粒的大尺寸和高密度，在重力作用下顆粒容易沉澱，無法長時間保持混合液的物理穩定性，故長期以來混合導熱流體的開發套用都受到巨大的阻礙。而近二三十年來，隨著材料工藝的發展，納米流體逐漸成為新一代的熱傳導介質，受到廣泛重視。

在油紙絕緣變壓器中，變壓器油一方面作為絕緣材料，保證導體之間的電氣絕緣;另一方面也作為散熱流體，通過循環流動將鐵心和線圈產生的熱量傳遞到箱體外部。因此，納米改性變壓器油作為一種全新的納米電介質材料，其導熱性能備受國內外研究者的關注。 的研究結果顯示，納米顆粒的添加可以較大程度上提高混合液的熱導率，增強流體導熱性能。C.Choi等在其研究中發現，納米改性變壓器油熱導率與顆粒體積分數和顆粒材料本身固有熱導率值成正比，不同類型的納米顆粒對變壓器油熱導率和整體熱效率的影響。

實驗結果表明，納米顆粒可以提高變壓器油的熱導率和熱傳遞效率，對於體積分數為4%的球形A120:顆粒，其油流體的熱導率可提高20%;而對於體積分數為0.5%的A1N納米顆粒，其納米油熱導率提高8%，整體熱傳遞效率提高20%。

針對納米流體熱導率顯著增強這一現象，P.Kelinski等綜合了相關研究，提出納米流體導熱強化的4種可能機理，分別為納米粒子的布朗運動、納米粒子本身的高熱導率、顆粒與溶液接觸面的固液界面效應以及納米粒子的團聚。

電氣特性

關於納米改性變壓器油的電氣擊穿特性首先是由ABB公司的Segal等在1998年開展了研究}s}隨後Herchl, Hwang等也相繼研究了不同電壓類型下納米改性油的擊穿特點，上述研究均是以納米磁流體作為研究對象。近兩年來我國學者也開始了針對納米改性變壓器油的研究，清華大學周遠翔等對其自製的改性油進行了交直流、衝擊電壓作用下擊穿和局部放電等方面的放電特性研究，並通過熱刺極電流法(thermally stimulated current TSC)和脈衝電聲法(pulse electroacoustic technique PEA)研究納米顆粒的改性原理;西南交通大學劉君等研究了不同水分含量下納米改性油一紙複合絕緣系統的頻率回響特性.

交直流耐壓特性

從傳統的工程角度看，固體微粒的添加對於絕緣油的介電強度具有致命的危害，因為這些雜質微粒在外施電場下容易定向排列，形成放電“小橋”，從而導致絕緣油的擊穿。但對於納米流體而言，由於納米尺度下的界面效應，納米顆粒不但不會破壞變壓器油的絕緣性能，反而有助於提高其耐壓強度。周遠翔等的研究表明，在較短的間隙距離下，納米改性變壓器油交流和直流擊穿電壓基本和純淨變壓器油相同，但是隨著間隙距離的增大，與純淨變壓器油相比，改性變壓器油的擊穿電壓顯著提高。圖2所示為交流、直流電壓作用下納米改性變壓器油與純淨變壓器油擊穿特性的對比。

華北電力大學杜岳凡、呂玉珍等著重研究了納米材料種類、顆粒含量以及顆粒表面改性化學劑對改性變壓器油交流耐壓幅值的影響。圖3給出了不同材料體系和表面改性方法下，改性油交流耐壓值隨顆粒含量的變化情況，其中1號樣品未進行表面處理，2號和3號樣品分別使用硬脂酸和矽油進行表面處理。

上述研究表明，添加適量的納米顆粒可以提高變壓器油交直流電壓下的擊穿電壓幅值，但是這種增大趨勢與納米材料種類、顆粒含量以及顆粒表面改性情況有很大關係。J.Kudelcik等認為納米顆粒可以抑制液體電介質分子電離和液體中氣泡的產生，從而增大擊穿電壓值，而當顆粒含量較高時，納米顆粒容易“團聚”，形成“小橋”，反而降低擊穿耐受電壓幅值

衝擊耐壓特性

衝擊電壓作用下的擊穿特性是描述絕緣材料性能的重要指標，在實際運用中雷電衝擊以及操作衝擊對於油紙絕緣材料也是較為嚴峻的考驗。Segal等的研究表明}s}，在針一球電極構成的極不均勻電場中，正極性標準雷電衝擊(波前/判嚎值時間為1.2/50 s)下納米改性變壓器油的耐壓幅值顯著提高，和純淨油相比其幅值大致可提高50%，且流注的發展速度也比純淨變壓器油中的速度要慢，這種現象隨著間隙距離的增大越來越明顯;而負極性衝擊下的耐壓值基本不變。同時納米改性油在衝擊電壓作用下針電極的極性效應不明顯，這與純淨變壓器油衝擊電壓作用下的極性效應具有非常大的差異。表1給出了純淨變壓器油和改性油衝擊電壓作用下擊穿幅值和截斷時間的比較。

抗老化特性

老化是降低絕緣材料使用壽命最重要的原因之一，對於油紙絕緣結構其老化是多種因素綜合作用的結果，其中熱老化是最主要的因素。Segal等最先開展關於納米改性變壓器油熱老化的研究，實驗中納米改性油和純淨變壓器油分別與紙板、銅片、矽鋼片混合，在185℃下進行12周的熱老化通過對比老化後改性油與純油在交流電壓和衝擊電壓下的擊穿特點，發現納米改性油在擊穿特性方面的抗老化性優於普通變壓器油，這與華北電力大學的研究結果相似。表2所示為185℃熱老化後納米改性油與純油的交流、衝擊耐壓比較。圖5所示為130℃熱老化後普通變壓器油和納米改性油局部放電起始電壓值的對比情況 實驗結果表明，納米顆粒的添加可以提高變壓器油的抗老化性能，和同樣老化程度的普通變壓器油相比，納米改性變壓器油在交流耐壓、衝擊耐壓和局部放電起始電壓等多方面都表現出較好的陛能。

抗水分特性

已有的研究成果表明，對於各種可能降低絕緣油性能的不利因素，納米改性變壓器油除了在老化方面表現出較好的性能外，其受水分的影響程度也低於普通變壓器油。Segal等的研究表明，納米顆粒可以束縛變壓器油中的水分，減輕水分對變壓器油的不利影響。表3所示為普通變壓器油和改性油在不同水分含量下的交流耐壓值對比。

顆粒表面“捕獲”電子模型

納米改性變壓器油在交流、直流以及衝擊電壓作用下的擊穿特性可以統一歸納為油中流注的發展變化情況。麻省理工學院Hwang等認為，因為在流注的發展過程中電子運動遠比正電荷要快，所以納米顆粒可以將大量電子吸附到自身表面，同時由於納米顆粒的運動速率遠小於電子，在這吸附過程中快速運動的電子被轉化為緩慢運動的電負性粒子，這樣在降低流注頭部電場強度的同時進一步減緩了正負電荷的運動速率，從而增大了衝擊耐受電壓和擊穿時延.

空間極化“勢阱”模型

根據Takada等的觀點，在外加電場作用下，納米顆粒表面兩側由於極化會生成電荷，這些極化電荷產生的電場畸變原有電場，從而在顆粒附近形成“勢阱”。

淺陷阱障礙理論

雖然顆粒表面“捕獲”和空間極化“勢阱”兩種理論模型在一定程度上都解釋了納米顆粒的添加可以提升變壓器油耐壓性能這一現象，但這兩種理論都存在明顯的缺陷。同樣極化“勢阱”模型在構建過程中是以單個納米顆粒為基礎的，並沒有考慮納米顆粒的團聚以及顆粒之間的相互影響等因素。華北電力大學杜岳凡等採用熱刺極電流法和脈衝電聲法研究納米顆粒改性機制，認為納米顆粒的加入顯著增加了變壓器油中淺陷阱的密度，增強了納米油捕捉電子的能力。圖純油和納米改性油的陷阱能級分別為0.416 eV和0.418 eV，均處於淺陷阱級別，而納米油的電流曲線峰值是純油的2.52倍，即納米油中的陷阱密度遠大於純油中的陷阱密度，且通過對曲線進行積分可得納米油陷阱電荷量是純油的1.85倍。這表明，納米顆粒的添加顯著增強變壓器油中淺陷阱密度，自由電子在運動過程中將不斷被陷阱捕獲和釋放，嚴重阻礙了電子的遷移效率，從而使得納米改性油的放電性能提高。

總結

納米改性變壓器油作為一種新型的絕緣材料，給傳統的油紙複合絕緣結構帶來了新的突破。一方面它可以顯著改善油紙絕緣結構的散熱性能，有效地解決絕緣材料的熱老化問題;另一方面，納米顆粒的引入還可以提高變壓器油的絕緣特性。 以近幾年來國內外的研究狀況為基礎，從交直流耐壓、衝擊特性、抗老化、抗水分以及納米油一紙互動作用等方面對納米改性油的性能進行總結，介紹目前適用於納米改性油擊穿特性解釋的3種理論模型。然而納米改性變壓器油還是一個全新的領域，針對它的研究還比較少，不管是在理論解釋還是在絕緣特性上都有許多問題需要深入探索，具體敘述如下:

1)納米材料體系的選擇。理論上講，絕大部分固體材料都可以提高納米流體的導熱性能，例如金屬材料、絕緣材料、半導體材料等。但是納米顆粒的引入必須考慮到納米油作為絕緣材料實際使用的這一要求，而不能僅僅追求散熱能力的提高。對於納米改性變壓器油的評價標準將是電氣耐壓特性、抗老化特性、穩定性和散熱性等多種因素的綜合，所以改性納米顆粒材料體系的篩選將是當前以及今後一個長期存在的問題。

2)納米改性變壓器油的穩定性是其作為絕緣

材料運用的必備條件。在納米流體中，納米粒子很容易聚集形成團聚體，在重力的作用下緩慢沉降，這樣會使納米流體性能逐步退化，甚至造成微管堵塞、熱導率降低。目前克服顆粒團聚，保持流體穩定性的有效手段是對顆粒進行表面處理，一般為通過分散劑改善顆粒表面活性。但是利用化學試劑表面改性往往會破壞改性油的電氣特性和老化特性，因此尋找合適的改性變壓器油的製備工藝，保證改J陛油的穩定性與其他性能的平衡，將是納米改性變壓器油研究過程中的主要問題。

3)目前國內外針對納米改性變壓器油開展的研究還比較少，而關於改性油獨特性能的理論解釋更僅僅處於開始階段，很大程度上還依賴於固體聚合物中納米改性的相關理論。在今後的研究中，除了關注不同材料體系和製備方法對納米改性油傳熱、電氣等方面性能的影響之外，納米顆粒對變壓器油的改性機理將是另一個研究重點。