半导体纳米粒子改性变压器油的绝缘性能及机制研究

磁性导电纳米粒子可以提高变压器油的导热和绝缘特性,但其分散性极易受到磁场的影响,不利于变压器油性能的改善。利用半导体纳米粒子对变压器油进行改性,测量了改性前后变压器油的工频击穿特性、雷电击穿特性和局部放电特性,可知半导体纳米粒子不仅可以使变压器油的工频和雷电击穿电压提高至未改性变压器油的1.2倍,而且可以改善变压器油的局部放电特性。由于现有的电子捕捉理论无法解释这种现象,利用热刺激电流(thermally stimulated current,TSC)法对改性前后变压器油中的陷阱特性进行了测试,结果表明:纳米粒子的加入增加了变压器油中的浅陷阱密度,提高了变压器油对电荷的消散和输运能力,从而能够改善变压器油的绝缘性能。     

直流电压下TiO2纳米改性变压器油中电晕放电特性及机理

电晕放电作为变压器油中局部放电主要形式之一,危害换流变压器的安全运行。纳米改性可以提高变压器油的绝缘性能,但直流电压下电晕放电的改性效果和机理研究不足。为此制备了二氧化钛纳米改性变压器油,采用针板缺陷进行了电晕放电过程中的图像拍摄、脉冲电流及光脉冲的测量,并测量了油中的电荷输运特性。研究发现,负极性直流电压下,纳米变压器油的击穿电压提高了23.8%;电晕放电强度也明显降低:外施电压50 kV时,纳米变压器油中电晕发光面积减小了86.0%,光脉冲和电流脉冲的频率分别减小75.6%和76.3%,幅值分别减小92.8%和78.6%。纳米粒子抑制电晕放电是因为纳米粒子向变压器油中引入更多浅陷阱促使电子从电离区逃脱,同时其极化捕捉作用削弱了电子碰撞电离,抑制了电子崩起始;此外带负电的纳米粒子的形成相当于增加了负离子数量、降低了其迁移率,从而降低了针尖处电场强度。该研究可为直流电压下变压器油电晕放电的抑制方法和纳米粒子的选型提供依据。     

纳米改性变压器油的破坏特性

变压器等输变电主设备的油纸介质已越来越不能满足特高电压等级对大容量、小型化、高可靠性绝缘系统的严格要求。为了解决输电电压等级提高带来的高性能变压器油及油纸绝缘问题,基于纳米改性技术,开展具有优异电气性能的新型纳米油纸复合绝缘系统的研究。采用变压器油纳米添加改性技术,研究了纳米改性变压器油的制备方法,得到了纳米改性提高变压器油破坏特性的最佳配比,并对纳米改性变压器油在交流、直流、雷电冲击下的破坏特性和局部放电起始电压进行了对比研究。研究发现纳米改性可以提高在较大间隙下变压器油的击穿电压,并且能显著提高其局放起始电压,改善其雷电冲击下50%放电伏秒特性曲线。基于纳米粒子介质球在电场中的极化理论,研究了粒子表面极化电荷密度分布和产生的势阱,并指出纳米粒子界面对载流子的捕获和流注的阻挡作用是较大电极间隙下纳米改性变压器油绝缘性能提高的原因。研究结果说明了纳米改性对于变压器油纸绝缘系统的性能提高提供了新的可能途径。     

纳米改性变压器油制备与绝缘特性研究现状

目前纳米变压器油由于其高散热性和高绝缘性能受到越来越广泛的关注。以近年来纳米变压器油和纳米油纸复合系统的研究现状为基础,分析了纳米变压器油的制备及其导热性能和电气性能(如击穿、局部放电、老化、抗水分特性等),同时分析了纳米油纸系统的制备及其电气性能(如击穿、局部放电等),并分别介绍了目前常用的3种用于解释绝缘油介质和油纸复合系统介质中纳米颗粒改性机理的模型,最后提出了纳米变压器油领域后续研究需要关注的问题,即纳米粒子材料的选择,低成本、高性能纳米粒子的制备,纳米粒子对纳米油电导率和介质损耗的影响,纳米粒子对油纸复合系统的影响。     

冲击电压下3种纳米改性变压器油击穿特性的比较和分析

为了提高变压器油绝缘性能,研究了不同导电性能纳米材料添加改性对变压器油冲击击穿特性的影响。选取铁磁性导电纳米粒子Fe3O4、半导体纳米粒子Ti O2和非导电纳米粒子Al2O3,经不同的表面改性剂处理后,分散于变压器油中,制得纳米改性变压器油,并证实了3种纳米改性变压器油的稳定性。通过操作冲击击穿试验,对比研究了不同浓度纳米改性变压器油的宏观击穿特性,得出3种纳米改性变压器油的最佳质量浓度分别为0.03g/L、0.01 g/L和0.02 g/L。在最佳浓度下进行雷电冲击击穿试验,结果表明:除负极性雷电冲击情况外,纳米改性变压器油的冲击击穿特性较之纯净变压器油均有较大程度的提高,其中操作正极性击穿电压提高幅度较大,可达44.1%、33.3%和35.5%。基于针–板模型的极性效应,结合空间电荷分布分析及结合极化理论,认为纳米改性变压器油冲击击穿特性的改善与添加纳米粒子捕获电子并改变原有空间电场分布相关,而3种纳米改性变压器油击穿特性的不同是由纳米粒子表面极化特性的不同导致。     

TiO_2纳米改性变压器油中正流注测量与机理分析

利用纳米粒子进行绝缘改性能够提高变压器油的正极性冲击击穿性能,但是其改性机理善不清楚。为此基于阴影测试技术搭建了变压器油中流注测量平台,测量研究了正极性标准雷电冲击电压作用下TiO_2纳米改性前后变压器油中流注的产生和发展特性。研究结果表明,TiO_2纳米粒子提高了变压器油中正极性的流注起始电压,且能显著抑制正流注的发展。与纯油相比,TiO_2纳米油中正流注的直径大,流注分支多。据推测TiO_2纳米粒子引入的更多浅陷阱对电子捕获作用,以及流注分支之间的屏蔽作用导致前端电场强度降低,是TiO_2纳米油正极性冲击击穿电压提高的原因。     

TiO2纳米粒子表面修饰对变压器油冲击击穿性能的影响

采用液相法制备了乙酸、己酸和油酸修饰的TiO2纳米粒子及其改性变压器油,利用透射电子显微镜（TEM）和傅里叶红外光谱仪（FTIR）测试表征了纳米粒子的形貌和表面修饰状态,通过测试变压器油改性前后的正冲击击穿电压和流注发展形态,研究了纳米粒子表面修饰对变压器油击穿性能的影响规律。结果表明：表面修饰纳米粒子极大地提高了变压器油的正冲击击穿电压,并显著延长了击穿时间。其中,乙酸修饰纳米粒子的改性效果最佳,将冲击击穿电压从纯油的84.73 kV提高到116.42 kV,提高了37.4%,击穿时间延长至纯油的1.68倍。纳米粒子表面修饰增大了油中浅陷阱的密度,改变了油中流注的发展形态,显著抑制了流注的发展速度,从而提高了变压器油的冲击击穿性能。     

基于AlN纳米粒子改性的纳米变压器油雷电冲击特性研究

为了提高变压器油的绝缘特性,选取直径为40 nm的Al N纳米粒子,制备出不同浓度的Al N纳米改性变压器油,通过透射电子显微镜对变压器油中纳米粒子的尺寸展开研究,并对不同浓度纳米改性变压器油的雷电冲击特性进行分析。结果表明:纳米改性变压器油中的纳米粒子直径主要分布在20~500 nm之间。随着纳米粒子浓度的上升,纳米变压器油的正极性雷电冲击击穿电压比纯净变压器油提升了约50%,并随着纳米粒子浓度的上升呈现先上升后下降的趋势。根据雷电冲击特性的实验结果,利用"势井模型"解释了纳米变压器油正极性雷电冲击击穿电压比纯净变压器油升高的原因,并提出随着纳米粒子浓度的升高,由纳米粒子数密度增加导致的总捕获电荷数量增加和纳米粒子等效半径增加导致的总捕获电荷数量减少是一对竞争关系的理论,从而解释了纳米变压器油的正极性雷电冲击击穿电压先升高后下降的原因。     

纳米改性变压器油工频局部放电特性研究

以不同浓度的TiO_2和SiO_2纳米改性变压器油为研究对象,通过光电检测法采集局部放电脉冲信号,探究纳米颗粒的添加对变压器油局部放电特性的影响。结果表明:纳米颗粒通过增加油中浅陷阱密度、畸变电场分布,可以有效降低载流子迁移率,从而抑制放电的发展。加入纳米颗粒后,变压器油的击穿电压和局部放电起始电压都有所提高,局放脉冲上升沿变化率降低。不同种类纳米颗粒对放电的不同阶段抑制效果不同,SiO_2纳米颗粒对放电的起始发展阶段抑制程度更大,TiO_2纳米颗粒对放电的预击穿阶段抑制效果更佳。     

TiO_2纳米粒子对油浸纸板沿面放电的影响

油纸界面处的沿面放电是油浸式变压器最为常见的局部放电形式之一。为了提高变压器油纸介质的界面绝缘强度,利用Ti O2纳米粒子对变压器油浸纸板进行改性研究。分别测量了干燥条件和潮湿条件下纳米改性前后油浸纸板的沿面放电起始电压(SDIV)和沿面闪络电压(CFV),发现干燥纸板条件下Ti O2纳米改性油浸纸板的SDIV和CFV是纯变压器油浸纸板的1.12倍和1.15倍。当纸板中的水分增加至4%时,油浸纸板的界面绝缘强度明显降低,但是Ti O2纳米改性油浸纸板的SDIV和CFV是纯油浸纸板的1.24倍和1.11倍以上。结果表明:Ti O2纳米粒子能够明显抑制油浸纸板,特别是高湿条件下油浸纸板沿面放电的产生和发展,提高油纸绝缘界面的绝缘强度。     

AlN纳米改性变压器油的电热性能及其应用研究

纳米颗粒改性变压器油由于其具有散热性能和绝缘性能等优势受到越来越广泛的关注。在总结近年来纳米改性变压器油研究现状的基础上,采用氮化铝(Al N)制备了纳米改性变压器油,并对其导热特性、绝缘特性及其应用进行研究。结果表明:Al N纳米粒子最高能使改性变压器油的热导率提高7%。同时,Al N纳米改性变压器油的正极性雷电冲击击穿电压最高提升了50%。此外,通过现场试验验证了Al N纳米变压器油的散热性能。纳米改性变压器油能显著提升变压器的散热能力,在相似环境中,额定负荷下纳米油变压器中的油温比普通油变压器约低12℃。     

变压器纳米改性油纸复合绝缘研究综述

油纸复合绝缘作为电力变压器内部的主要绝缘，其电气性能备受电力设备制造与运行人员的关注。纳米颗粒结构因具有大比表面积、量子尺寸及宏观量子隧道效应等优异性能，常作为提高绝缘材料电气性能的添加物质。该文总结了近年来变压器油纸复合绝缘纳米改性的研究成果，首先概述变压器油纸复合绝缘纳米改性的方法；其次详细介绍三种纳米颗粒改性机理的理论模型，并分析改性前后绝缘油纸内部与表面的电荷行为、局部放电特性和交直流复合及雷电冲击电压下的击穿特性；最后对目前研究成果进行总结，并展望未来变压器油纸绝缘纳米改性的研究和发展方向。这些研究成果的总结将为改性油纸绝缘的发展与电气性能改善提供参考和借鉴。     

变压器油工频电压击穿特性的统计研究

为更好地评价变压器油的绝缘性能,对不同水分含量下的变压器油进行了工频击穿测试,分别利用正态分布、耿贝尔分布和威布尔分布等统计方法对变压器油的击穿电压进行对比分析,研究不同的统计方法对评估变压器油绝缘性能的适用性。结果表明:大量的重复击穿试验会使变压器油中水分的形态发生变化,从而使得变压器油的击穿电压升高;三参数的威布尔分布能够较好地拟合不同水分含量下变压器油的击穿电压结果,并且位置参数为评价变压器油的绝缘性能提供了直观的依据。     

纳米粒子对油纸复合绝缘系统影响的试验与仿真

传统变压器油纸复合介质已不能满足特高压等级对大容量、小型化绝缘系统的要求。为得到高性能的油纸绝缘系统,开展了纳米改性的油纸复合绝缘系统的试验和仿真研究,对比测试了有无添加纳米粒子的油纸复合绝缘的操作冲击击穿电压,建立了油纸系统下油中流注的发展模型,基于该模型,计算了沿面流注通道内的电场、空间电荷和绝缘纸表面沿面电荷分布。研究表明,纳米粒子改性的油纸系统的耐压性能较传统油纸系统有10%左右的提高,纸绝缘的面电荷密度从0.020 C/m2降为0.016 C/m2,纳米粒子可以抑制油中流注和沿面流注的发展,从而提高了油纸复合介质的绝缘性能。     

纳米TiO2改性纤维素纸板在油流环境下的带电特性研究

经纳米TiO₂改性纤维素纸板可以增强其击穿场强与抗老化性能,是当前电气绝缘领域研究的热点。纸板中添加纳米粒子对于变压器油流带电影响仍不明确;因此,为了揭示纳米粒子对油流带电影响与抑制机理,需测量与分析纳米改性纸板中的油流带电特性。文中以TiO₂改性纸板与未改性矿物油为研究对象,通过旋转圆盘系统测量其摩擦产生的静电电流。根据控制变量法研究了温度、纳米粒子质量分数和流速等因素对带电程度的影响,分析了纳米粒子对于油流带电影响机理;采用有限元分析方法分析了变压器油道仿真模型,对比了不同质量分数下的纳米TiO₂改性纸板制作的油道模型内部电场分布情况。研究结果表明：与未改性纸板相比,纤维素基体中添加质量分数为1%的纳米TiO₂粒子可以抑制油流带电程度,使得油道内部积累电荷后的电场分布畸变程度最小。研究结果可以为抑制变压器中的油流带电提供新方法。     

纳米TiO_2改性绝缘纸的绝缘性能

为了研究纳米TiO2改性绝缘纸的绝缘性能,试验室制备了含不同质量分数纳米TiO2的绝缘纸手抄片,并对真空浸油后的绝缘纸性能进行了测试。结果表明在一定的纳米TiO2质量百分比内,改性后的绝缘纸的工频击穿场强得到较大的提高,如在质量分数为3%时,工频击穿场强提高了20.83%。在3%的添加量内绝缘纸的介电常数、介电损耗、电导率都随纳米TiO2含量的增加而减小。对纳米TiO2引起的绝缘纸工频击穿特性和介电性能的相关变化进行了讨论和分析,结果表明加入的纳米TiO2能够与纤维素与绝缘油之间形成较强的相互作用,它们的接触界面可能成为了能够捕获电子的陷阱,这些陷阱能有效地减小电子的平均自由程,遏制自由电子的能量积聚、减小了有效电子的产生几率、提高了油浸绝缘纸的工频击穿场强;纳米TiO2对纤维表面极性基团的束缚作用使绝缘纸的介电性能发生改变。     

SiO_2纳米材料对老化变压器油击穿特性和电荷传输特性的影响研究

本文中作者制备了纳米SiO_2材料,试验研究了该纳米材料对老化变压器油击穿特性和电荷传输特性的影响规律,揭示了SiO_2纳米材料对变压器击穿性能的改性作用。     

纳米粒子对变压器油离子迁移过程的影响

为进一步了解纳米粒子对变压器油绝缘性能改性的作用机理,基于极性反转渡越时间法测试了TiO_2纳米改性变压器油和纯油的离子迁移过程。结果表明:TiO_2纳米粒子的添加改变了变压器油的离子迁移率。在低电场下,纳米变压器油中的离子迁移率是纯油离子迁移率的5.8倍;而在高电场下,纳米变压器油中的离子迁移率仅为纯油离子迁移率的一半。这是因为极性纳米粒子的存在使得杂质离子水合层的等效离子半径减小,纳米粒子的等效半径增大,所以对电荷载流子的迁移造成了影响。     

纳米改性变压器油的热分解活化能研究

纳米改性技术在提高变压器油纸复合绝缘的击穿强度和老化性能方面已显示了极大的潜力,开展纳米材料改性变压器油（简称：纳米变压器油）热分解过程及其热稳定性的研究对于其实际应用至关重要。基于热反应动力学理论,采用热重法测试分析了TiO2纳米变压器油在5种不同升温速率（5、10、15、20和25 ℃/min）下的热分解过程,利用微分法和积分法分别计算了纳米变压器油样的主要动力学参数。结果表明纳米变压器油的平均热分解反应活化能可达61.38 kJ/mol,活化能的数值受计算方法的影响,其中FWO方法计算结果最为可信,其线性相关系数高达0.997 80,利用此方法计算得到的TiO2纳米变压器油的热分解反应活化能为63.37 kJ/mol。该研究结果表明纳米材料改性有利于提高变压器油的活化能,提高其热分解稳定性,这种方法为评估纳米变压器油的热稳定性及其综合性能提供了参考。     

纳米粒子对变压器油中流注发展过程影响的仿真分析

为进一步了解纳米粒子对变压器绝缘油性能改进的影响机理,根据纳米粒子的作用机制,建立了纳米粒子改性变压器油的场致分子电离流注发展模型。模型中电子、正电荷、负电荷以及负极性纳米粒子的流体力学连续性方程和Poisson方程相互耦合。通过仿真获得并对比了纳米改性变压器油和纯油中流注发展过程中的电场、空间电荷、流注半径、流注发展速率等参数。结果表明:纳米粒子的存在降低了纳米油流注通道中电子的数量,从而增加了流注头部空间电荷密度,流注半径尺寸受到抑制,流注发展速率降低。最后从负极性纳米粒子的电荷分布特征,得出纳米改性变压器油绝缘性能提高的根本原因是纳米粒子对电子的捕获。