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。     

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℃。     

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。     

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。     

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。     

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。     

TiO_2纳米粒子浓度对油纸复合绝缘击穿特性和界面电荷的影响

为探究直流电压下纳米粒子对油纸复合绝缘电气性能的影响,制备不同浓度TiO_2纳米粒子改性油纸试样,对比测试试样的极化电流和直流击穿电压,并借助扩展Debye电路模型建立油纸复合绝缘击穿模型,分析升压过程中电压分布和界面电荷积聚情况。结果表明:纳米粒子的添加导致极化电流显著增大;油纸复合结构击穿电压随纳米粒子浓度的增大先上升后下降,且存在极性效应。分析表明,受纳米粒子添加对松弛极化的影响,不同浓度纳米油纸复合绝缘结构界面电荷极性和积聚量不同,这是导致电压分布和击穿过程差异的根本原因,同时纤维素对负电荷的吸附是存在极性效应的主要原因。     

TiO_2纳米粒子对高水分变压器油中电荷输运的影响

水分是导致运行中变压器油绝缘性能下降的重要因素之一。为了提高高水分含量下变压器油的绝缘性能,本文利用半导体TiO2纳米粒子对变压器油进行改性研究。测量了不同水分含量下改性前后变压器油的工频击穿和局部放电特性。发现当变压器油中含水量较高时,半导体TiO2纳米粒子不仅可以使变压器油的工频击穿电压提高至改性前的2倍以上,而且可以有效抑制油中局部放电现象。利用电声脉冲(PEA)对变压器油中电荷累积和消散特性进行了测量研究,结果发现:TiO2纳米粒子能够提高高水分变压器油中电荷的消散速率,一定程度上抑制了水分对变压器油中电场的畸变,从而提高了变压器油的绝缘性能。     

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。     

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。     

纳米氮化铝改性对芳纶1313绝缘纸介电特性的影响

聚合物纳米复合材料因其优良的介电性能在电介质绝缘领域得到了广泛的应用。为获得性能优良的绝缘纸,将纳米氮化铝(AlN)添加到芳纶1313中。将改性后的绝缘纸进行浸油处理,研究了AlN对油浸芳纶1313介电性能的影响。结果表明:纳米Al N能有效降低绝缘纸的电导电流,以及提升其交流击穿电场强度;同时Al N能够抑制空间电荷向介质内的注入、迁移和积聚,使绝缘纸内空间电荷分布更加均匀。另外聚合物纳米材料的界面特性使得改性后绝缘纸的相对介电常数和介电损耗值有所升高,介损松弛峰值也向低频段移动。芳纶1313/Al N油浸绝缘纸介电性能的变化归因于纳米粒子与聚合物之间的界面效应使界面区域陷阱浓度和深度增大,限制了电荷的运动。     

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。     

采用纳米改性纸板的换流变压器出线装置电场分布

针对换流变压器出线装置在直流及极性反转电压作用下电场分布不均的问题,探究了非线性纳米Si C对绝缘纸板进行改性的方法,制备了纳米改性绝缘纸板试样,并测量了改性纸板的介电特性;结合换流变压器出线装置的实际结构建立了电场分布的仿真模型,分析了纸板改性对出线装置电场分布的均化作用。试验结果表明:纳米改性绝缘纸板的相对介电常数随纳米Si C掺杂浓度的增加而增加,但增加的幅度不大,随电场强度的增加呈略微上升的趋势;其电导率随着纳米掺杂浓度的增加而增加,当掺杂浓度达到一定值时,电导率随场强增加表现出明显的非线性特征。仿真结果表明:在直流和极性反转电压下,纸板改性可降低绝缘纸板中的场强,提高变压器油中的场强,使油纸绝缘结构中的电场分布更趋于均匀。     

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。     

双极性振荡冲击电压下变压器油放电特性

当外部过电压侵入油浸式变压器绕组内部时,其匝间绝缘会承受双极性振荡冲击电压的威胁。在此通过双极性振荡冲击电压下变压器油放电特性的研究,为绕组纵绝缘的合理设计及液体放电机理的探究提供参考。首先通过可调电路元件,严格控制外施电压波形参数,实验获得了稍不均匀场与极不均匀场中变压器油在单一波形变量下的冲击放电特性,统计得到了放电电压概率分布与击穿点分布特征。然后利用分幅相机拍摄了双极性振荡电压下油中流注形貌,阐述了流注极性转换等主要发展特征。最后实验结果表明:无论电场分布是否均匀,振荡系数的增加、振荡频率的降低或波前时间的缩短均会导致变压器油50%击穿电压下降,且当振荡系数高于0.55时存在低于标准雷电耐受水平的可能;当振荡频率较低时,击穿多发生在第1或第2个正极性波峰内,而随着频率的升高,击穿点逐渐向后序波峰偏移,击穿于负极性波峰内的概率显著增加。结合光电倍增管记录的流注发光信号,从流注发展角度分析了变压器油击穿电压与击穿点变化的原因。     

TiO2纳米改性植物绝缘油的流注发展特性研究

植物绝缘油的燃点较高,且环保性较好,但击穿电压相对矿物绝缘油较小。使用纳米粒子对植物绝缘油进行改性,能够提升植物绝缘油的击穿电压。本研究通过对不同体积分数的TiO2纳米改性植物绝缘油进行雷电冲击击穿电压测试,同时对击穿过程中流注的产生、发展、结束过程进行拍摄,观察原油与纳米改性植物绝缘油的流注发展形貌,分析TiO2纳米...     

SiO_2纳米改性变压器油特性研究

采用SiO_2纳米颗粒对变压器油进行改性研究,制备了0.5%、1%、1.5%、2%4种质量浓度的SiO_2纳米改性变压器油。通过比较不同浓度SiO_2纳米改性变压器油的分散稳定性和电气理化特性,确定最佳浓度为1%,此时测得其微水含量为5.118 mg/L,击穿电压为52.05 k V,介质损耗为2.107%。利用COMSOL Multiphysics建立稳态圆筒型散热模型,分析SiO_2纳米改性变压器油的散热特性,采用稳态法和瞬态法对配制的SiO_2纳米改性变压器油的热导率进行研究,在最佳浓度下测得其热导率为0.15 W/(m·K),较纯油提高了5%以上。仿真和实验结果均表明SiO_2纳米改性变压器油具有较好的散热性能。     

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。     

雷电冲击下变压器油纸绝缘体系中溶解气体组分及含量的变化

在雷电冲击波作用下,研究了变压器油纸绝缘体系未发生击穿时油中溶解气体组分及含量的变化趋势。结果表明:纯油绝缘体系和油纸绝缘体系在真空处理前后的雷电冲击击穿电压均变化不大,说明油和纸板中微量水分及气体对绝缘体系的雷电冲击没有负面影响。油纸绝缘体系比纯油绝缘体系承受的雷电冲击电压更高,随着绝缘纸板数量的增加,油纸绝缘体系的击穿电压升高,其内部发生轻微放电的概率增大,油中乙炔气体和氢气含量明显增加。     

正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸沿面流注动态变化规律研究

油纸绝缘复合电介质沿面放电是电力设备内绝缘的研究基础,其在雷电冲击电压下的绝缘特性是变压器绝缘设计的重要参数之一。为了获得油纸沿面流注传播与消散过程中电学、空间电荷分布演化规律及其关联关系,以交界面平行于施加电场方向的油纸系统为研究对象,通过构建适用于绝缘油油纸沿面流注动态变化特性的试验观测系统,可同步获得正极性雷电冲击电压下流注传播和消散过程中的电压、放电电流和放电通道流注阴影图像。利用该平台还测量了油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压。试验结果表明,在正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸绝缘相对介电常数差异并不会促进油纸沿面流注的传播过程,而粘度对于油纸沿面流注侧向分支影响显著。粘度越低,空间电荷在迁移过程中所受到的阻力越小,流注头部空间电荷在受到表面电荷的斥力后越容易往油中扩散,空间电荷在绝缘油中所形成的空间电场使得油纸沿面流注的主分支能够在绝缘油中传播,增加了油纸沿面流注传播距离,从而使低粘度天然酯绝缘油油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压略高于其纯油击穿电压。