雷電沖擊電壓下納米粒子改變變壓器油紙絕緣特性的機(jī)理.pdf

1、隨著我國特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，對電力變壓器的絕緣水平提出了更高的要求。變壓器油和油浸紙作為油浸式變壓器中主要的絕緣介質(zhì)，其絕緣性能直接關(guān)系到變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高電力變壓器的絕緣水平，降低電力變壓器的體積和重量，需要從根本上提高變壓器油及其油紙復(fù)合介質(zhì)的絕緣性能。近年來，研究發(fā)現(xiàn)納米粒子能夠顯著提高變壓器油的絕緣性能。對于納米油的改性機(jī)理，人們用納米粒子捕捉理論和陷阱理論分別在解釋導(dǎo)電型和半導(dǎo)電型納米粒子的改性現(xiàn)象，但是現(xiàn)

2、在這些理論都還沒有普適性。為此，本文研究了三種納米油中流注發(fā)展特性和規(guī)律，探索了納米粒子改變變壓器油紙絕緣性能的機(jī)理。
　　制備了粒徑尺寸相近的Fe3O4（導(dǎo)電材料）、TiO2（半導(dǎo)電材料）和Al2O3（絕緣材料）納米粒子，并采用油酸修飾納米粒子表面制得納米粒子改性變壓器油。系統(tǒng)研究了雷電沖擊電壓作用下納米粒子類型、濃度和電極間隙距離對納米油沖擊絕緣性能的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同濃度條件下，F(xiàn)e3O4和TiO2納米粒子可以顯著提

3、高變壓器油的正極性雷電沖擊擊穿電壓和延長擊穿時間，稍微降低了變壓器油的負(fù)極性雷電沖擊擊穿電壓;Al2O3納米粒子對變壓器油沖擊擊穿性能無明顯改性作用。隨著油中納米粒子濃度和油間隙長度的增加，納米粒子對變壓器油正極性沖擊絕緣性能的改性效果更加顯著。
　　為了研究油中流注的發(fā)展過程，研制了陰影法流注拍攝系統(tǒng)，觀測了純油和納米油擊穿前流注產(chǎn)生和發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)了納米粒子對變壓器油中流注發(fā)生和發(fā)展的影響規(guī)律:納米粒子能夠明顯提高正流注的起始

4、電壓，引起正流注形態(tài)發(fā)生變化，即通道變粗、分支變多，導(dǎo)致正流注發(fā)展速度降低;納米粒子加劇變壓器油中負(fù)流注通道和其分支的發(fā)展，導(dǎo)致負(fù)流注發(fā)展速度升高。Fe3O4和TiO2納米粒子對變壓器油中正流注的發(fā)展改性明顯，Al2O3納米粒子對變壓器油中正流注的發(fā)展無明顯影響。
　　研究了純油和納米油中的陷阱特性，揭示了納米粒子添加可以增加變壓器油中淺陷阱密度的規(guī)律，給出了納米油中陷阱特性與變壓器油擊穿特性以及流注形態(tài)之間的關(guān)系，提出了基于陷阱

5、理論的納米粒子對變壓器油的改性機(jī)理。電子在淺陷阱之間反復(fù)入陷和脫陷過程中導(dǎo)致能量和視在遷移率降低。油中淺陷阱密度越多，陷阱中心能級越深，電子的遷移速率越低。遷移速度下降的電子更容易被捕獲成為負(fù)極性空間電荷，與流注頭部正極性電荷區(qū)域疊加，導(dǎo)致流注頭部凈電荷密度下降。在正沖擊電壓作用下，流注頭部凈電荷密度下降導(dǎo)致正流注前端的電場強(qiáng)度降低，從而抑制了油中正流注的發(fā)展。并利用基于場致分子電離的變壓器油中流注放電仿真模型，驗證了納米粒子對變壓器油

6、中正流注發(fā)展過程的改性作用。
　　利用TiO2納米油對絕緣紙板進(jìn)行浸漬改性，研究了納米粒子對變壓器油浸紙板沿面閃絡(luò)特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)TiO2納米粒子能夠同時提高變壓器油浸紙板的正、負(fù)極性沿面閃絡(luò)電壓，延長閃絡(luò)時間;隨著間隙沿面距離的增加，改性效果更加明顯。這是因為TiO2納米粒子降低了油紙之間介電常數(shù)的差異，均化了油紙之間電場強(qiáng)度的分布，并抑制了界面感應(yīng)電荷的產(chǎn)生，降低界面電荷對流注的吸引作用，從而緩解了由于沿面流注體壓