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摘要：本文利用两步法制备了SiO2纳米改性变压器油。测量了SiO2纳米改性变压器油在温度和纳米粒子体积分数变化情况下的电导率，结果研究表明：改性后变压器油的电导率与纯变压器油的相当，并没有明显的增大。测量了SiO2纳米改性变压器油的交流击穿电压，结果表明：改性后变压器油的交流击穿特性均得到了有效强化，但是SiO2纳米改性变压器油的交流击穿电压随纳米粒子的体积分数增加有所减小。根据改性后变压器油中纳米粒子周围的势阱分布，成功了分析了纳米改性变压器油的击穿强化机理。
引言
在电力系统输变电的过程中，变压器作为电能传输的纽带，是电力设备中最重要和最关键的设备之一，其安全稳定运行关系到整个电网的稳定运行。运行在系统中的变压器一旦出现严重事故，不仅会造成设备的自身破坏，还会中断电力网的电能供应，给社会的生产和生活造成巨大的影响。大量针对变压器的故障研究表明：因绝缘问题造成变压器的故障是变压器故障的最主要类型之一[1]。尤其是随着电力系统的电压等级越来越高，长期运行在电力系统中的变压器绝缘特性的逐步恶化问题显得更加突出，因此，改善变压器运行的绝缘特性，抑制变压器内绝缘老化，研究绝缘性能更高、热老化特性更好的变压器油迫在眉睫。
目前，国际上已将纳米技术广泛应用于微纳电子工艺、强化传热和表面处理等多个研究和工业应用领域[2-4]，并提出了纳米流体的概念。所谓纳米流体通常是指粒径小于100 nm的纳米颗粒通过一定的分散方法分散到基液后形成稳定的悬浮液，这里使用的纳米改性颗粒主要包括球形纳米颗粒、纳米棒和纳米管。针对纳米流体的热导率研究表明[5,6]，在流体中添加纳米级固体颗粒后，与基液相比其热导率得到了显著提高，从而提高了改性后流体的传热性能。纳米改性变压器油是将纳米流体的概念应用到变压器油中，利用特定纳米改性颗粒对变压器进行改性而得到的新型变压器油，纳米改性变压器也属于纳米流体范畴，特征是其基液为绝缘和散热性能均要求较高的变压器油。
目前，国内外针对纳米改性变压器油的研究在近几年才刚刚开始起步，已经开展的研究主要还是纳米改性变压器油的热导特性研究，针对纳米改性变压器油的击穿特性、纳米改性后变压器油中流注的发展等开展了少量研究。在国内开展纳米变压器油的系统研究更少。文[7,8]研究了Al2O3、AlN纳米变压器油的制备方法和传热特性，结果显示改性后的变压器油热导率得到了有效提高；文[9,10]研究了基于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，结果表明纳米改性后的变压器油在较大间隙下的交直流击穿电压和局部放电起始电压均得到了提高，且雷击冲击条件下的伏秒特性也得到了很好的改善；文[11]研究了纳米改性变压器油中流注的形成及其发展过程，分析了纳米粒子对流注发展的影响，并建立了相应的流注发展模型，分析结果表明，纳米改性后的变压器油对流注的发展起到了有效的抑制作用；文[13]研究了纳米改性变压器油在高电场强度情况下的介电性能和油纸绝缘性能，发现纳米改性改性变压器油的介电性能并没有明显恶化，并提高了油纸复合绝缘系统的绝缘性能；文[14]研究了纳米改性变压器油的流变性能，发现改性后的磁性纳米流体流变性能良好。
然而，要使添加纳米粒子的变压器油得到推广应用，材料体系的选择还需要进一步探索，纳米改性变压器油本身的特性还需要进一步分析表征，因此，本文测量和分析SiO2纳米改性变压器油的电导率和击穿特性，进一步分析纳米改性对变压器油关键特性的影响。
SiO2 纳米改性变压器油的制备
采用两步法将购买的SiO2纳米粒子分散到25#变压器油中制备出SiO2-变压器基纳米流体。其中，纳米粒子从中国阿拉丁试剂公司购买，其纯度大于99%, 纳米粒子的平均粒径为15 nm. 在制备的过程中，为了得到稳定性较高的纳米改性变压器油，首先将购买的纳米粉体溶解在乙醇溶剂中，然后采用碾磨和超声等方法使团聚体分散，最好将经过离心和干燥后的纳米粒子通过超声分散到变压器油中制备出SiO2纳米改性变压器油。考虑到电学性能的测量，分散过程中没有添加任何表面改性剂。
图1为SiO2纳米粒子的扫描电镜照片(SEM, JEOL7100F, JSM)。由图1可知，外购的纳米颗粒在没有处理的情况下，其分散性较差，颗粒与颗粒之间团聚比较严重，外观呈现出纳米粉体聚集状，因此，为了得到稳定的纳米改性变压器油，对购买的纳米粉体进行预处理是十分必要的。
图2为体积分数为0.5%SiO2纳米改性变压器油的外观放大图。由图2可知，改性后变压器油中存在气泡，这主要是由于SiO2纳米粒子的比表面积较大，变压器油难以渗入团聚体之间的间隙。实验还表明当SiO2纳米粒子的体积分数超过1%时，改性后变压器油的粘稠度急剧增大，在体积比超过2%时，改性后的变压器油呈现糊状，因此，在SiO2纳米改性变压器油制备的过程中，始终将SiO2纳米粒子的体积分数控制在1%以内。
3 SiO2 纳米改性变压器油的电导率
3.1 电导率测量原理
由于变压器油的绝缘性能很好，其电导率很小，常温下约为0.3 pS/m，常用的电导仪很难满足要求。因此本文在电导率测量时，采用同轴电极的测量方法。图3为电导率测量原理截面图，图中电极1和电极2均为同轴型圆形面电极，d为电极1和电极2间的有效距离，电极1和电极2中间充满了待测介质，若S为电极1和电极2在外加电压V时电流I流通的有效面积，则根据外加电压V与电流I之间的关系就可以计算出油料介质的电导率 
，其关系表达式为：
（1）
在电导率实际测试的过程中，根据油料电导率的相关测试规程，本文选择测试时间为60秒时的读数值，测量5次取平均值，并且为了防止由于极化等因素造成电导率测量误差，每两次测量间隔30分钟以上。
3.2 电导率实验结果及分析
由图4可知，在4 ℃~40 ℃区间，随着温度增大，SiO2改性后的纳米改性变压器油电导率逐渐增大；在40 ℃~80 ℃区间，随着温度增大，改性后的纳米改性变压器油的电导逐渐减小；体积比越大，电导率越小，且所有测量值均比纯变压器油的测量值小，因此，SiO2改性后的纳米改性变压器油电导率的变化规律与其它材料改性的变化规律明显不同[15,16]。为了进一步分析SiO2改性后的纳米改性变压器油电导率的特殊性,由图3可知，在SiO2改性后的纳米改性变压器油中存在很多微小气泡，体积比越大，气泡数量越多，这是导致体积比增大时电导率减小的主要原因。气泡为理论上的绝缘体，随着气泡数量的增大，气泡将纳米改性变压器油中的电流流通路径阻断，流体中的有效电流流通路径大大减小，从而使得整个流体的电导率减小；另一方面，随着温度增大，气泡在流体中由于受热膨胀，进一步压缩了有效电流流通路径，从而使得电导率减小。
另一方面，与其它ZnO、AlN等材料体系纳米改性变压器油[15,16]的电导率变化规律不相同的是：SiO2改性变压器油的电导率与纯变压器油的电导率大小处于同一数量级，改性后变压器油的电导率与纯油相当，而其它材料体系的纳米改性变压器油电导率均有明显的增大。在之前的研究表明，电导率中由于纳米粒子的电泳和布朗运动等动态因素会大大提高改性后变压器油的电导率，然而SiO2纳米改性变压器油的粘度随纳米粒子的体积分数继续增大，导致电泳和布朗运动等动态因素对电导率的影响大大减弱，同时，SiO2纳米纳米粒子本身的电导率极小，因此，SiO2纳米改性后变压器油的电导率并没有明显的增大。
4 SiO2 纳米改性变压器油的交流击穿特性
4.1 交流击穿特性测量原理
液体绝缘介质的击穿强度与其特殊的处理过程直接相关，因此，变压器油的交流击穿特性测试所设计的测试过程和测试设备所测试的结果必须真实反映介质的内在属性而不能产生附加误差，根据IEC60156（液体绝缘材料的工频击穿电压测试方法，纳米改性变压器油的交流击穿电压测试过程纯铜电极，类球状电极半径为13.0 mm，电极间距为25 mm，测试放电油杯容积为500 ml，绝缘且透明。样品的处理严格按照IEC60156标准，从而避免微水、微污染成分对测试结果的影响，将样品装入测量油杯五分钟后按2 kV/s增加测试电压，待击穿后记录击穿时的电压读数，每两次测量间隔30分钟，重复测量六次。
4.1 交流击穿电压实验结果及分析
图5（a）~（c）为体积分数为1.0%、3.0%和6.0%等三种情况下SiO2纳米改性变压器油的击穿特性。由图可知，不同测量次数的测量值也具有一定的波动性，在体积分数较小的1.0%和3.0%时，最大击穿电压和最小击穿电压之间相差分别为18 kV和20 kV；在体积分数较大的6.0%时，其击穿电压最大值和最小值之间相差分别为6 kV；由此可知，在体积分数较小时其击穿电压波动较大，而当体积分数较大时，其击穿电压波动较小，这与AlN和ZnO纳米改性后变压器油的击穿电压波动规律相反。另一方面，改性后击穿电压波动中心均高于纯变压器油的击穿电压，且随着体积比增大击穿电压波动的中心先上移，后下移。
在图5（d）中， 为SiO2纳米改性后变压器油的击穿电压， 为改性前变压器油的击穿电压。由图可知，体积分数为1.0%、3.0%和6.0% SiO2纳米改性变压器油的击穿电压分别比纯变压器油提高了100%、160%和50%，表明SiO2纳米改性后的变压器油的击穿特性得到了强化。SiO2纳米改性变压器油的击穿特性反常规律与其纳米流体中存在少量气泡有关。
T.Takada[17]的研究表明：纳米改性电介质中，纳米粒子周围的势阱分布对纳米改性电介质的击穿强化具有重要作用。因此，如图6所示，本文还计算了SiO2纳米改性变压油纳米颗粒周围势阱分布。计算过程中，假设均为单分散体系，外部场强 均为200 kV/mm。
图6为SiO2纳米改性在 时畸变电势 分布截面图。由图可知，在 时，形成了最大值约为6×10-2 eV的势阱，远远比纯油的势阱深度0.45 eV小，说明理论情况下加入半径为7.5 nm的球形氧化锌纳米颗粒对变压器油的击穿不仅没有改善作用，还会导致变压器油的击穿特性恶化。然而在图5（d）中，积分数为1.0%、3.0%和6.0% SiO2纳米改性变压器油的击穿电压分别比纯变压器油提高了100%、160%和50%，体积分数变化时SiO2纳米改性变压器油的击穿电压均在纯油的基础上有所提高，这也表明实际SiO2纳米改性变压器油的势阱深度不仅比理论值要大很多，还比纯油的大，因此也必须考虑影响势阱深度的其它因素。纳米改性变压器油中纳米颗粒体积分数增大与团聚体有效半径增大必然会增大纳米颗粒周围的势阱深度，从而提高了纳米改性变压器油的击穿特性，但是在SiO2纳米改性变压器油中，由于SiO2的比表面积较大，在制备纳米流体的过程中，纳米颗粒之间形成的气隙难以完全被变压器油所填充，因此形成了如图2所示的气泡。当体积分数较小时，其气泡数量较少，当体积分数增大对击穿特性增强的作用比气泡增多削弱击穿特性的作用要大时，其击穿特性总体呈现出强化趋势。反之，当体积比继续增大时，SiO2纳米改性变压器油中的气泡急剧增加，导致气泡对击穿特性的影响更加显著，其击穿特性将进一步恶化
5 结论
利用两步法制备了SiO2纳米改性变压器油。针对SiO2纳米改性变压器油在温度和纳米粒子体积分数变化情况下的电导率的研究表明，改性后变压器油的电导率与纯变压器油的相当，并没有明显的增大。针对SiO2纳米改性变压器油的交流击穿电压研究表明，改性后变压器油的交流击穿特性均得到了有效强化，但是SiO2纳米改性变压器油的交流击穿电压随纳米粒子的体积分数增加有所减小。最后，本文利用纳米粒子周围的势阱分布成功地进行了强化机理分析。
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论文作者:向久林
论文发表刊物:《电力设备》2016年第6期
论文发表时间:2016/6/18
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