[科普中國(guó)]-納米改性變壓器油

簡(jiǎn)介

目前由于其高散熱性和獨(dú)特的電氣性能，正受到越來越廣泛的關(guān)注。以近年來納米改性變壓器油的相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，分析了納米改性變壓器油在導(dǎo)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(diǎn)，并介紹了目前常用的三種用于解釋絕緣油介質(zhì)中納米顆粒改性機(jī)理的理論模型，最后提出了納米改性變壓器油領(lǐng)域后續(xù)研究需要關(guān)注的問題，即納米顆粒材料體系的選擇、高穩(wěn)定性改性變壓器油的制備工藝以及納米顆粒對(duì)變壓器油的改性機(jī)理。

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)的快速發(fā)展，電壓等級(jí)和傳輸容量不斷提升，這不僅使得電力設(shè)備的體積和重量持續(xù)增加，同時(shí)也降低了設(shè)備的安全可靠性。調(diào)查顯示，20052010年間我國(guó)因輸變電設(shè)備故障導(dǎo)致的電網(wǎng)停電事故占當(dāng)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(shù)，在電力設(shè)備中受到廣泛運(yùn)用，但隨著服役年限的增加，在電、磁、機(jī)械等多重物理場(chǎng)的作用下，油紙絕緣結(jié)構(gòu)暴露出了越來越嚴(yán)重的綜合老化問題，尤其是由材料發(fā)熱引起的熱老化1.

為了解決油紙絕緣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?jǐn)?shù)為0.5%的A1N納米顆粒，可將油流體的熱導(dǎo)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，并形成穩(wěn)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(duì)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(wěn)定性和擊穿特性受外部磁場(chǎng)的影響較大，并不適用于變壓器等油紙絕緣結(jié)構(gòu)的電力設(shè)備。在后續(xù)的相關(guān)研究中，半導(dǎo)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(shí)，流體基液也由礦物變壓器油發(fā)展到植物變壓器油。國(guó)內(nèi)外各項(xiàng)研究結(jié)果表明，通過納米材料改性的變壓器油在導(dǎo)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(dú)特性能導(dǎo)熱性能在20世紀(jì)80年代，微米級(jí)或更高數(shù)量級(jí)的固體顆粒就被添加到液態(tài)介質(zhì)中，來提高流體的導(dǎo)熱能力。但由于固體顆粒的大尺寸和高密度，在重力作用下顆粒容易沉淀，無法長(zhǎng)時(shí)間保持混合液的物理穩(wěn)定性，故長(zhǎng)期以來混合導(dǎo)熱流體的開發(fā)應(yīng)用都受到巨大的阻礙。而近二三十年來，隨著材料工藝的發(fā)展，納米流體逐漸成為新一代的熱傳導(dǎo)介質(zhì)，受到廣泛重視2。

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(dǎo)體之間的電氣絕緣;另一方面也作為散熱流體，通過循環(huán)流動(dòng)將鐵心和線圈產(chǎn)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(zhì)材料，其導(dǎo)熱性能備受國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。 的研究結(jié)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(dǎo)率，增強(qiáng)流體導(dǎo)熱性能。C.Choi等在其研究中發(fā)現(xiàn)，納米改性變壓器油熱導(dǎo)率與顆粒體積分?jǐn)?shù)和顆粒材料本身固有熱導(dǎo)率值成正比，不同類型的納米顆粒對(duì)變壓器油熱導(dǎo)率和整體熱效率的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米顆粒可以提高變壓器油的熱導(dǎo)率和熱傳遞效率，對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為4%的球形A120:顆粒，其油流體的熱導(dǎo)率可提高20%;而對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為0.5%的A1N納米顆粒，其納米油熱導(dǎo)率提高8%，整體熱傳遞效率提高20%。

針對(duì)納米流體熱導(dǎo)率顯著增強(qiáng)這一現(xiàn)象，P.Kelinski等綜合了相關(guān)研究，提出納米流體導(dǎo)熱強(qiáng)化的4種可能機(jī)理，分別為納米粒子的布朗運(yùn)動(dòng)、納米粒子本身的高熱導(dǎo)率、顆粒與溶液接觸面的固液界面效應(yīng)以及納米粒子的團(tuán)聚。

電氣特性關(guān)于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}隨后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(diǎn)，上述研究均是以納米磁流體作為研究對(duì)象。近兩年來我國(guó)學(xué)者也開始了針對(duì)納米改性變壓器油的研究，清華大學(xué)周遠(yuǎn)翔等對(duì)其自制的改性油進(jìn)行了交直流、沖擊電壓作用下?lián)舸┖途植糠烹姷确矫娴姆烹娞匦匝芯浚⑼ㄟ^熱刺極電流法(thermally stimulated current TSC)和脈沖電聲法(pulse electroacoustic technique PEA)研究納米顆粒的改性原理;西南交通大學(xué)劉君等研究了不同水分含量下納米改性油一紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性2.

交直流耐壓特性從傳統(tǒng)的工程角度看，固體微粒的添加對(duì)于絕緣油的介電強(qiáng)度具有致命的危害，因?yàn)檫@些雜質(zhì)微粒在外施電場(chǎng)下容易定向排列，形成放電“小橋”，從而導(dǎo)致絕緣油的擊穿。但對(duì)于納米流體而言，由于納米尺度下的界面效應(yīng)，納米顆粒不但不會(huì)破壞變壓器油的絕緣性能，反而有助于提高其耐壓強(qiáng)度。周遠(yuǎn)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凈變壓器油相同，但是隨著間隙距離的增大，與純凈變壓器油相比，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凈變壓器油擊穿特性的對(duì)比。

華北電力大學(xué)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(xué)劑對(duì)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(hào)樣品未進(jìn)行表面處理，2號(hào)和3號(hào)樣品分別使用硬脂酸和硅油進(jìn)行表面處理。

上述研究表明，添加適量的納米顆?？梢蕴岣咦儔浩饔徒恢绷麟妷合碌膿舸╇妷悍?，但是這種增大趨勢(shì)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(guān)系。J.Kudelcik等認(rèn)為納米顆?？梢砸种埔后w電介質(zhì)分子電離和液體中氣泡的產(chǎn)生，從而增大擊穿電壓值，而當(dāng)顆粒含量較高時(shí)，納米顆粒容易“團(tuán)聚”，形成“小橋”，反而降低擊穿耐受電壓幅值

沖擊耐壓特性沖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(biāo)，在實(shí)際運(yùn)用中雷電沖擊以及操作沖擊對(duì)于油紙絕緣材料也是較為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。Segal等的研究表明}s}，在針一球電極構(gòu)成的極不均勻電場(chǎng)中，正極性標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊(波前/判嚎值時(shí)間為1.2/50 s)下納米改性變壓器油的耐壓幅值顯著提高，和純凈油相比其幅值大致可提高50%，且流注的發(fā)展速度也比純凈變壓器油中的速度要慢，這種現(xiàn)象隨著間隙距離的增大越來越明顯;而負(fù)極性沖擊下的耐壓值基本不變。同時(shí)納米改性油在沖擊電壓作用下針電極的極性效應(yīng)不明顯，這與純凈變壓器油沖擊電壓作用下的極性效應(yīng)具有非常大的差異。表1給出了純凈變壓器油和改性油沖擊電壓作用下?lián)舸┓岛徒財(cái)鄷r(shí)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(duì)于油紙絕緣結(jié)構(gòu)其老化是多種因素綜合作用的結(jié)果，其中熱老化是最主要的因素。Segal等最先開展關(guān)于納米改性變壓器油熱老化的研究，實(shí)驗(yàn)中納米改性油和純凈變壓器油分別與紙板、銅片、硅鋼片混合，在185℃下進(jìn)行12周的熱老化通過對(duì)比老化后改性油與純油在交流電壓和沖擊電壓下的擊穿特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)納米改性油在擊穿特性方面的抗老化性優(yōu)于普通變壓器油，這與華北電力大學(xué)的研究結(jié)果相似。表2所示為185℃熱老化后納米改性油與純油的交流、沖擊耐壓比較。圖5所示為130℃熱老化后普通變壓器油和納米改性油局部放電起始電壓值的對(duì)比情況 實(shí)驗(yàn)結(jié)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、沖擊耐壓和局部放電起始電壓等多方面都表現(xiàn)出較好的陛能。

抗水分特性已有的研究成果表明，對(duì)于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(xiàn)出較好的性能外，其受水分的影響程度也低于普通變壓器油。Segal等的研究表明，納米顆?？梢允`變壓器油中的水分，減輕水分對(duì)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(duì)比。

顆粒表面“捕獲”電子模型納米改性變壓器油在交流、直流以及沖擊電壓作用下的擊穿特性可以統(tǒng)一歸納為油中流注的發(fā)展變化情況。麻省理工學(xué)院Hwang等認(rèn)為，因?yàn)樵诹髯⒌陌l(fā)展過程中電子運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)比正電荷要快，所以納米顆?？梢詫⒋罅侩娮游降阶陨肀砻妫瑫r(shí)由于納米顆粒的運(yùn)動(dòng)速率遠(yuǎn)小于電子，在這吸附過程中快速運(yùn)動(dòng)的電子被轉(zhuǎn)化為緩慢運(yùn)動(dòng)的電負(fù)性粒子，這樣在降低流注頭部電場(chǎng)強(qiáng)度的同時(shí)進(jìn)一步減緩了正負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)速率，從而增大了沖擊耐受電壓和擊穿時(shí)延.

空間極化“勢(shì)阱”模型根據(jù)Takada等的觀點(diǎn)，在外加電場(chǎng)作用下，納米顆粒表面兩側(cè)由于極化會(huì)生成電荷，這些極化電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)畸變?cè)须妶?chǎng)，從而在顆粒附近形成“勢(shì)阱”。

淺陷阱障礙理論雖然顆粒表面“捕獲”和空間極化“勢(shì)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(xiàn)象，但這兩種理論都存在明顯的缺陷。同樣極化“勢(shì)阱”模型在構(gòu)建過程中是以單個(gè)納米顆粒為基礎(chǔ)的，并沒有考慮納米顆粒的團(tuán)聚以及顆粒之間的相互影響等因素。華北電力大學(xué)杜岳凡等采用熱刺極電流法和脈沖電聲法研究納米顆粒改性機(jī)制，認(rèn)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(qiáng)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(jí)分別為0.416 eV和0.418 eV，均處于淺陷阱級(jí)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(yuǎn)大于純油中的陷阱密度，且通過對(duì)曲線進(jìn)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(qiáng)變壓器油中淺陷阱密度，自由電子在運(yùn)動(dòng)過程中將不斷被陷阱捕獲和釋放，嚴(yán)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1。

總結(jié)納米改性變壓器油作為一種新型的絕緣材料，給傳統(tǒng)的油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)帶來了新的突破。一方面它可以顯著改善油紙絕緣結(jié)構(gòu)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(guó)內(nèi)外的研究狀況為基礎(chǔ)，從交直流耐壓、沖擊特性、抗老化、抗水分以及納米油一紙交互作用等方面對(duì)納米改性油的性能進(jìn)行總結(jié)，介紹目前適用于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(gè)全新的領(lǐng)域，針對(duì)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(dǎo)熱性能，例如金屬材料、絕緣材料、半導(dǎo)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(shí)際使用的這一要求，而不能僅僅追求散熱能力的提高。對(duì)于納米改性變壓器油的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將是電氣耐壓特性、抗老化特性、穩(wěn)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(dāng)前以及今后一個(gè)長(zhǎng)期存在的問題。

2)納米改性變壓器油的穩(wěn)定性是其作為絕緣

材料運(yùn)用的必備條件。在納米流體中，納米粒子很容易聚集形成團(tuán)聚體，在重力的作用下緩慢沉降，這樣會(huì)使納米流體性能逐步退化，甚至造成微管堵塞、熱導(dǎo)率降低。目前克服顆粒團(tuán)聚，保持流體穩(wěn)定性的有效手段是對(duì)顆粒進(jìn)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(xué)試劑表面改性往往會(huì)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制備工藝，保證改J陛油的穩(wěn)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。

3)目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)納米改性變壓器油開展的研究還比較少，而關(guān)于改性油獨(dú)特性能的理論解釋更僅僅處于開始階段，很大程度上還依賴于固體聚合物中納米改性的相關(guān)理論。在今后的研究中，除了關(guān)注不同材料體系和制備方法對(duì)納米改性油傳熱、電氣等方面性能的影響之外，納米顆粒對(duì)變壓器油的改性機(jī)理將是另一個(gè)研究重點(diǎn)。