雷電沖擊電壓下納米粒子改變變壓器油紙絕緣特性的機理.pdf

1、隨著我國特高壓電網的快速發(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，其絕緣性能直接關系到變壓器的安全穩(wěn)定運行。為了進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合介質的絕緣性能。近年來，研究發(fā)現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理，人們用納米粒子捕捉理論和陷阱理論分別在解釋導電型和半導電型納米粒子的改性現象，但是現

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理。
　　制備了粒徑尺寸相近的Fe3O4（導電材料）、TiO2（半導電材料）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。研究結果發(fā)現，在相同濃度條件下，Fe3O4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，觀測了純油和納米油擊穿前流注產生和發(fā)展過程，發(fā)現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，導致正流注發(fā)展速度降低;納米粒子加劇變壓器油中負流注通道和其分支的發(fā)展，導致負流注發(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理。電子在淺陷阱之間反復入陷和脫陷過程中導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極性空間電荷，與流注頭部正極性電荷區(qū)域疊加，導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致正流注前端的電場強度降低，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行浸漬改性，研究了納米粒子對變壓器油浸紙板沿面閃絡特性的影響規(guī)律。研究結果發(fā)現TiO2納米粒子能夠同時提高變壓器油浸紙板的正、負極性沿面閃絡電壓，延長閃絡時間;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的差異，均化了油紙之間電場強度的分布，并抑制了界面感應電荷的產生，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