利用纳米技术提高变压器油击穿电压的研究一、引言变压器是电力系统中最昂贵和最重要的电力设备之一，变压器的安全稳定运行是保障供电可靠性的重要前提1。随着我国电力工业朝着高电压和高自动化方向的不断推进，用电负荷增长，输电容量和规模不断扩大，对电力变压器的安全稳定性提出了更高的要求2。据相关统计数据表明，由变压器油绝缘强度和传热性能下降引起的事故占变压器事故的35%左右3-5。变压器油作为变压器内部的主要绝缘介质，其性能的优劣将直接影响变压器的运行可靠性。变压器油绝缘强度的劣化，最终会引起变压器的内部主绝缘或纵绝缘故障。因此，提高变压器油的绝缘水平对变压器的安全运行十分重要。为了保证变压器油具有足够的绝缘强度，在实际应用中需要严格控制变压器油生产、运输、储存、注入和运行过程中水分、杂质和气体等外来物质的侵入引起变压器油绝缘强度的降低6。为此，人们利用真空滤油机对变压器油进行净化处理，并且摸索出了一套变压器油的全密封处理方法，进一步降低油中水分、纤维、灰尘等杂质对其绝缘强度的影响7-8。这些方法在一定程度上可以降低外来物质对变压器油绝缘性能的劣化，但却无法从根本上提高变压器油自身的绝缘性能。随着我国特高压等级电网的建设，对变压器的性能以及注入变压器油的品质提出了更高的要求。为了进一步提高变压器的绝缘水平，缩小变压器的尺寸和体积，有效保障超大规模输电系统的安全稳定运行，迫切需要开发高绝缘强度的变压器油。 本文介绍了一种新型的利用纳米技术提高变压器油绝缘性能的方法，对比测量了不同水分条件下纳米改性变压器油的绝缘击穿电压，并对其改性机理作出了的解释。二、实验方法（一）样品的制备采用湿化学法制备SiO2纳米粒子，以非水溶剂作为反应介质，通过高温将反应体系加热到临界温度，使前驱物质在水热介质中反应、结晶形核、生长并最终形成具有一定粒度和结晶形态的晶粒，再经过分离、洗涤和干燥过程制得所需纳米粉体。然后采用过滤过的新疆克拉玛依25号矿物变压器油作为基液，将制备好的SiO2纳米粒子利用磁力搅拌子与变压器油进行混合，然后将混合物置于超声水浴中15分钟使得纳米粒子均匀分散，根据纳米粒子的浓度不同分别制得质量百分比浓度为0.005%，0.01%，0.02%，0.1%的纳米改性变压器油（简称纳米油）。最后将新制的纳米油与纯油一起置入真空干燥箱，在低于100Pa，80的环境中真空静置48小时，降低油样中溶解水分和空气对其绝缘性能的影响。图1 油样的制备方法利用动态光散射原理（DLS）测量油中纳米粒子的粒径分布，典型的测试结果如图2所示。粒径分布的峰值位于700nm附近，在50nm至5000nm范围内均可观测到纳米的存在。相比其他研究中的纳米粒子的尺寸9,10，SiO2纳米粒子尺寸较大的原因主要是由于SiO2的亲水性无法和油分子形成较稳定的氢键所导致。文献11指出，利用表面修饰剂对纳米粒子进行修饰可以提高其在变压器油的稳定性。图2 变压器油中纳米粒子的粒径分布利用恒温恒湿箱来制备不同含水量的绝缘油样，获得了不同水分含量的绝缘油样。利用万通831KF库仑计测量各油样中水分含量，如表1所示。表1 油样中溶解的水分含量ppm纯油0.005%纳米油0.01%纳米油0.02%纳米油0.1%纳米油A组4.304.515.125.416.81B组19.2618.9619.0418.8820.15C组31.2231.6132.1032.4733.28D组44.1545.9944.3143.1045.39（二）工频击穿测试变压器油的工频击穿测试按照GBT507-2002绝缘油击穿电压测定法进行，试验电极为两个直径为36 mm的黄铜球盖，电极间距为2.5 mm。以2 kV/s的升压速率在室温下对每个油样进行6次工频击穿实验，并记录击穿电压。试验前需要将油样静置5分钟，每两次击穿试验之间对油样进行5分钟的搅拌。三、试验结果图3给出了不同对照水分对照组中变压器油的击穿电压随着纳米粒子浓度的变化。可以明显看出，SiO2纳米粒子能够提高变压器油的击穿电压。并且随着纳米粒子浓度的增加，变压器油的击穿电压呈先上升后下降的趋势。以低水分含量的A组油样为例，纯油的击穿电压为77.15kV，而0.005%，0.01%，0.02%，0.1%纳米油的击穿电压为79.20 kV、80.81 kV、81.24 kV和79.62 kV，纳米粒子的加入仅分别使得干燥的变压器油击穿电压提高2.66%、4.74%、5.30%和3.20%。图3 纳米粒子浓度对变压器油击穿电压的影响随着油中的水分的增加，变压器油的工频击穿电压逐渐降低，但是SiO2纳米粒子对变压器油的工频击穿电压改性变得逐渐显著。当油中水分高达45ppm时，纯油的击穿电压降低至23.74 kV，但是0.005%，0.01%，0.02%，0.1%纳米油的击穿电压仍为32.53 kV、47.61 kV、53.74 kV、48.33 kV，分别是纯油的1.37、2.01、2.26和2.04倍。变压器油的工频击穿电压随着油中纳米粒子浓度的增加先增加，当粒子浓度为0.02%时达到最大值，进一步增加粒子浓度将降低其对变压器油的改性效果。为更直观地对比水分对纳米油的改性效果，图4给出了不同浓度的纳米油的击穿电压随着油中水分含量的变化。与纯油相比，油中水分对纳米油的劣化作用得到了明显的抑制。图4 油中水分含量对纳米油击穿电压的影响四、讨论和总结本文制备了一种平均粒径为700nm的SiO2纳米粒子改性变压器油，对比测量了不同纳米粒子浓度对不同水分含量的变压器油的工频击穿电压的影响，主要结论有：（1）SiO2纳米粒子的添加能够提高变压器油的工频击穿电压，其改性效果随着变压器油中水分含量的增加而显著增加。（2）SiO2纳米粒子对变压器油的改性效果随着油中纳米粒子的浓度的增加呈先增加后下降的趋势。对于纳米粒子能够提高变压器油绝缘性能的现象，国内外研究学者曾提出了陷阱捕获电子理论来解释12。认为纳米粒子与变压器油的接触界面能够产生捕获电子的陷阱。一方面，电离产生的电子在迁移的过程中不断被这些陷阱捕获从而消耗了能量。另一方面，电子被纳米粒子捕获后将变成迁移速度慢的负极性粒子，降低放电流注前端的电场强度，使得放电过程得到抑制。随着纳米粒子浓度的增加，界面面积也将增加，从而改性效果提高。但是增加一定程度之后，这些界面将相互重叠，从而引起总的界面面积降低，因此纳米油的击穿性能也降低。但是对于长时间的持续电压作用，变压器油的击穿主要是由于杂质引起的小桥理论引起的。由于水分和杂质具有较大的介电常数，在电场的作用下易产生极化，而且在电场强度最高的地方发生集聚，并逐渐沿电场方向排列形成撔艛。这些杂质撔艛具有较高的导电性，一旦撔艛贯穿两极便引起油间隙的击穿。而本文采用的纳米粒子为SiO2，具有较强的表面亲水性，并且亲水性将随着粒子的尺寸的降低而增加。油中的水分将被SiO2纳米粒子束缚后无法在电场作用下自由移动，无法参加导电撔艛的形成，因此SiO2纳米粒子对变压器油工频击穿电压的改性效果在高水分含量下更为显著。参考文献：1周春梅, 论我国电力系统稳定运行, 科技资讯, 2008, 1: 246.2李睿, 曹顺安, 钱艺华等, 变压器油中腐蚀性硫的研究现状,变压器, 2009, 46(2): 19-22.3王梦云, 1995-1999 年全国变压器类设备事故统计与分析,电力设备, 2001, 2(1): 11-19.4王梦云, 2002-2003年国家电网公司系统变压器类设备事故统计与分析(一), 电力设备, 2004, 5(10): 20-26.5王梦云, 110kV及以上变压器事故统计与分析, 供用电, 2005, 22(2): 8-12.6邱信华, 高变压器油绝缘强度的途径,润滑油, 2003, 18(5): 16-19.7颜道容, 变压器油现场过滤工艺,电工技术, 2000, 11: 9.8宋国贵, 汪志军, 彭世建等, 交流特高压变压器油全密封处理系统研究, 湖北电力, 2009, 33(6): 8-10.9R S Liu, L A Pettersson, T Auletta and O Hjortstam, Fundamental Research on the Application of Nano Dielectrics to Transformers, 2011 Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2011: 423-427.10 Jin Miao, Ming Dong, Ming Ren et al. Effect of nanoparticle polarization on relative permittivity of transformer oil-based nanofluids. Journal of Applied Physics, 2013, 113: 204103-1-5.11 Yuzhen Lv, You Zhou, Chengrong Li, Qi Wang and Bo Qi. Recent Progress in Nanofluids Based on Transformer Oil: Preparation and Electrical Insulation Properties. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2014, 30(5):23-32.12J G Hwang, M Zahn, F M Osullivan, et al. Effects of nanoparticle charging on streamer development in transformer oil-based nanofluids. Journal of Applied Physics, 2010, 107(1):014310-014310-17.