TiO2納米粒子對(duì)高水分變壓器油中電荷輸運(yùn)的影響

周 游 陳牧天 呂玉珍 王 蔚 李成榕

(1. 華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102206 2. 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院 北京 102206 3. 國(guó)家電網(wǎng)公司湖南省電力公司檢修公司 長(zhǎng)沙 41000)

1 引言

變壓器油作為變壓器內(nèi)部絕緣的主要介質(zhì)，其絕緣性能的優(yōu)劣直接影響變壓器的運(yùn)行可靠性。在變壓器的生產(chǎn)、運(yùn)輸和運(yùn)行的過(guò)程中，不可避免地會(huì)由于和外界空氣接觸或者是內(nèi)部絕緣紙板的老化產(chǎn)生水分[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)：水分通常聚集于最危險(xiǎn)的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，導(dǎo)致電荷積累引起電場(chǎng)畸變，同時(shí)還與顆粒雜質(zhì)相結(jié)合，降低變壓器油的局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）和擊穿強(qiáng)度[4-6]。因此，削弱水分對(duì)變壓器油中電荷的積累作用，抑制水分對(duì)變壓器油絕緣性能的劣化作用，對(duì)于保障變壓器安全運(yùn)行具有重要意義。

納米改性技術(shù)在絕緣材料領(lǐng)域的應(yīng)用是目前的研究熱點(diǎn)，在液體絕緣介質(zhì)性能提高方面也顯示了極大的潛力[7-10]。1998 年，V. Segal等人[7]發(fā)現(xiàn) Fe3O4磁性導(dǎo)電納米粒子不僅可以提高變壓器油的工頻擊穿電壓，而且隨著油中水分含量的增加，納米粒子對(duì)變壓器油擊穿強(qiáng)度的改善效果更加突出。為了避免磁性納米粒子分散性受外界磁場(chǎng)影響的問(wèn)題[8]，本課題組[11,12]開(kāi)發(fā)出了由半導(dǎo)體 TiO2納米粒子改性的變壓器油，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TiO2納米粒子不僅可以降低水分對(duì)變壓器油工頻擊穿強(qiáng)度的影響，而且能夠提高電荷在變壓器油中的消散速率。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步測(cè)試分析了水分含量對(duì)變壓器油（純油）和TiO2納米改性變壓器油（納米油）工頻擊穿強(qiáng)度和局部放電特性的影響規(guī)律，對(duì)比分析了高水分含量條件下純油和納米油中空間電荷的注入和消散特性，提出了TiO2納米粒子對(duì)高水分含量變壓器油的改性機(jī)制。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)采用我國(guó)特高壓變壓器選用的克拉瑪依25號(hào)變壓器油，過(guò)濾處理使油中顆粒雜質(zhì)含量滿足CIGRE12.17對(duì)絕緣油提出的要求[5]。利用超聲處理法將適量 TiO2半導(dǎo)體納米粒子（粒徑小于 20nm，電導(dǎo)率 σ = 1×10-11S·m-1）均勻分散到純油中，制得體積百分比濃度為0.075%的納米變壓器油。

將純油和納米油置于80℃的真空環(huán)境中24h進(jìn)行脫氣干燥，排除油中溶解氣體對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。然后，將樣品置于恒溫恒濕箱中，通過(guò)調(diào)節(jié)恒溫恒濕箱內(nèi)空氣的溫度和濕度，獲得相對(duì)水含量（Relative Humidity, RH）分別為10%、20%、40%、60%、80%的樣品[14,15]。油樣中的水分含量均采用 Metrohm 831庫(kù)倫法微量水測(cè)定儀測(cè)量。

2.2 工頻擊穿試驗(yàn)

按照IEC 60156標(biāo)準(zhǔn)，利用保定建通油介電強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)量變壓器油的工頻擊穿電壓。試驗(yàn)采用直徑為36mm，電極工作面為25mm的球蓋型（蘑菇型）黃銅電極結(jié)構(gòu)，電極間距為2mm，以升壓速率為2kV·s-1的方式勻速加壓直至樣品擊穿。首次加壓前靜置 5min，其余試驗(yàn)相鄰擊穿間隔為 1min，攪拌子自動(dòng)攪拌試樣。每個(gè)油樣進(jìn)行30次的工頻擊穿測(cè)量。

2.3 局部放電起始電壓（PDIV）

按照IEC 1294標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比測(cè)試不同水分含量下的純油及納米油局部放電特性。實(shí)驗(yàn)采用針-球電極，針電極長(zhǎng)為 25mm，針尖曲率半徑為 3μm，球電極半徑12.7 mm，電極間距為50mm。利用LDS-6局部放電檢測(cè)儀對(duì)局部放電進(jìn)行測(cè)量和采集。測(cè)量時(shí)，以1kV·s-1的速度從0開(kāi)始增加電壓直到視在放電電荷大于100pC的局部放電出現(xiàn)，記錄該電壓值并迅速降至零。對(duì)每組試樣進(jìn)行測(cè)試 20次重復(fù)測(cè)量，每次施加電壓的間隔為至少1min，求取各測(cè)量值的平均值為 PDIV。為了研究不同試樣的局部放電特性，對(duì)所有試樣持續(xù)施加2倍 PDIV，記錄 10min內(nèi)的放電脈沖，并繪制局部放電Q-N-Φ譜圖。

2.4 脈沖電聲法（PEA）

為了研究納米粒子對(duì)高水分變壓器油絕緣性能的改性機(jī)理，利用脈沖電聲（Pulse Electro-Acoustic，PEA）法測(cè)試了不同水分條件下純油和納米油中電荷分布及消散特性。PEA測(cè)量裝置示意圖如圖 1所示，上電極為10mm厚銅制陰極電極，下電極為10mm厚鋁制陽(yáng)極并粘附有聲電傳感器，100μm厚度待測(cè)試油樣位于兩電極之間。實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)其施加-16kV·mm-1負(fù)極性直流高壓以向試樣中注入空間電荷。在試樣上施加600V/5ns脈寬脈沖，通過(guò)其產(chǎn)生的電場(chǎng)和空間電荷之間的相互作用產(chǎn)生的聲壓波計(jì)算出試樣中電荷分布情況。對(duì)所有樣品在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行30min加壓過(guò)程中空間電荷積累和斷開(kāi)直流源后的電荷衰減特性測(cè)量。

圖1 PEA試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental setup for PEA test

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 不同水分含量條件下工頻擊穿特性

不同水分含量條件下純油及納米油的工頻平均擊穿電壓如圖2所示。可以看出，納米油和純油的擊穿電壓均隨油中水分含量的增加而降低，水分的增加會(huì)大大降低變壓器油的工頻擊穿強(qiáng)度。尤其是當(dāng)相對(duì)水分含量從20%增大到40%時(shí)，純油的工頻擊穿電壓從 62.3kV陡降至 30.8kV。在較低水分含量下，純油和納米油擊穿電壓幾乎相同。隨著油中水分的增加，納米油的工頻擊穿電壓開(kāi)始高于純油。當(dāng)相對(duì)水分含量為80%時(shí)，納米油的工頻擊穿電壓是對(duì)應(yīng)純油的2.2倍，與30%相對(duì)水分含量的純油的擊穿電壓接近。該結(jié)果表明TiO2納米粒子能夠顯著抑制水分對(duì)變壓器油工頻擊穿強(qiáng)度的劣化作用。

圖2 不同水分含量純油及納米油工頻擊穿電壓Fig.2 AC breakdown voltage of pure oil and nanofluid in different humidity

絕緣介質(zhì)的低概率擊穿電壓對(duì)于變壓器的設(shè)計(jì)具有重大的意義[15,16]。大量研究表明威布爾分布是對(duì)絕緣介質(zhì)擊穿電壓統(tǒng)計(jì)分析的有效方法之一[17-19]。本文以高水分含量（80%RH）純油和納米油為研究對(duì)象，對(duì)其工頻擊穿電壓進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖 3所示，油樣的擊穿數(shù)據(jù)均很好地服從威布爾分布。

基于威布爾分析的80%相對(duì)水分含量純油和納米油的63.2%概率和5%概率擊穿電壓見(jiàn)表1。納米油的 63.2%和 5%概率擊穿電壓分別達(dá)到了純油的2.2和2.46倍，進(jìn)一步表明TiO2納米粒子可以大幅度提高高變壓器油的耐水分劣化性。

圖3 80%RH純油和納米油工頻擊穿試驗(yàn)結(jié)果的威布爾擬合曲線Fig.3 Weibull fitting of AC breakdown voltages of 80%RH pure oil and nanofluid

表1 80%RH純油和納米油工頻擊穿電壓計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation of breakdown voltage of 80%RH pure oil and nanofluid

3.2 不同水分含量條件下PDIV對(duì)比測(cè)試

不同水分含量條件下的純油及納米油 PDIV如圖4所示。兩類(lèi)油樣的PDIV值隨油中水分含量的變化趨勢(shì)接近，當(dāng)相對(duì)濕度超過(guò) 40%時(shí)，PDIV值發(fā)生明顯下降。與純油相比，各水分含量的納米油的PDIV均高于純油。當(dāng)相對(duì)濕度增加到80%時(shí)，納米油的PDIV仍是對(duì)應(yīng)純油的1.1倍。由此可見(jiàn)，TiO2納米粒子可以抑制不同水分含量變壓器油中的局部放電產(chǎn)生。

圖4 不同水分含量純油及納米油局放起始電壓Fig.4 PDIV of pure oil and nanofluid in different humidity

為了進(jìn)一步對(duì)比研究納米粒子對(duì)變壓器油中局部放電的抑制作用，對(duì)高水分含量純油和納米油施加2倍對(duì)應(yīng)的局部放電起始電壓，保持10min并同時(shí)檢測(cè)其中的局部放電現(xiàn)象，局部放電譜圖如圖 5所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表 2。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在記錄時(shí)間內(nèi)，納米油中的放電次數(shù)、總放電量和最大放電電流都遠(yuǎn)小于純油。這進(jìn)一步表明TiO2納米粒子可以抑制高水分含量變壓器油中的局部放電現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展，減少局部高場(chǎng)強(qiáng)對(duì)變壓器油和絕緣紙板的損害。

圖5 80%RH純油及納米油2倍PDIV下局部放電譜圖Fig.5 Q-N-Φ Diagram for 80%RH transformer oil and nanofluid under 2 times PDIV

表2 2倍PDIV下80%RH純油和納米油的局部放電特性Tab.2 PD test statistics of 80%RH pure oil and nanofluid under 2 times PDIV

4 機(jī)理分析

變壓器油的絕緣強(qiáng)度與其在電場(chǎng)作用下介質(zhì)內(nèi)部的空間電荷及電場(chǎng)的分布情況密切相關(guān)[20-22]。在直流高壓作用下，10%相對(duì)水分條件下的純油及納米油中電場(chǎng)分布隨時(shí)間變化情況如圖6所示。加壓30min后，純油中最大場(chǎng)強(qiáng)從 21kV·mm-1下降到17kV·mm-1，而納米油中最大場(chǎng)強(qiáng)從 18.5kV·mm-1下降到 17.5kV·mm-1。由于油樣中水分含量極少，在長(zhǎng)時(shí)間電壓作用下，純油和納米油內(nèi)部電場(chǎng)并沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。

圖6 10%RH純油及納米油中電場(chǎng)分布Fig.6 Electric field distribution for transformer oil and nanofluid with 10%RH

研究表明，較高的水分會(huì)導(dǎo)致變壓器油中電荷的積累，造成電場(chǎng)的畸變[23]，相對(duì)含水量為80%時(shí)純油及納米油中電場(chǎng)分布隨時(shí)間變化情況如圖 7所示。隨著施加電壓時(shí)間的增加，純油陽(yáng)極附近電場(chǎng)產(chǎn)生明顯畸變，30min后油中最大場(chǎng)強(qiáng)從18kV·mm-1上升到27kV·mm-1，達(dá)到了平均場(chǎng)強(qiáng)的1.66倍。與此相反，納米油中電場(chǎng)隨著加壓時(shí)間的增加逐漸變得均勻，其最大場(chǎng)強(qiáng)從 25.5kV·mm-1下降到 17.5 kV·mm-1，僅為平均場(chǎng)強(qiáng)的1.17倍。

圖7 80%RH純油及納米油中電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field distribution for transformer oil and nanofluid with 80%RH

絕緣介質(zhì)中空間電荷的減少及重新分布與電荷的消散特性有關(guān)[24]，因此，對(duì)純油和納米油中的電荷消散特性進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖8所示。由于聲波在油樣內(nèi)部的衰減和散射作用導(dǎo)致 PEA測(cè)試曲線在陽(yáng)極處峰值明顯而陰極處較平緩，因此采用陽(yáng)極附近最大電荷密度進(jìn)行電荷衰減速率計(jì)算[25]。在關(guān)閉電源后的16s內(nèi)，純油中電荷密度從18.51C·m-3下降至 9.35C·m-3；而納米油中電荷密度從 14.94C·m-3迅速下降到 5.07C·m-3，其電荷消散速率是純油中的 1.5倍。由此可見(jiàn)，TiO2納米粒子可以使變壓器油中的電荷快速消散，抑制了空間電場(chǎng)的畸變和局部高強(qiáng)場(chǎng)的產(chǎn)生，從而提高了變壓器油的工頻擊穿強(qiáng)度和局放特性。

圖8 80%RH純油及納米油中電荷消散特性Fig.8 Characteristics of decay of space charge for 80%RH transformer oil and nanofluid

5 結(jié)論

本文利用 TiO2半導(dǎo)體納米粒子對(duì)變壓器油的絕緣性能進(jìn)行了改性研究，測(cè)量了不同水分含量下變壓器油和納米油的工頻擊穿電壓和局部放電特性，對(duì)比分析了高水分含量下變壓器油和納米油中由于電荷積累導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變以及撤壓后電荷消散特性，提出了高水分含量下納米粒子對(duì)變壓器油絕緣特性的可能的影響機(jī)理，得出主要結(jié)論如下：

（1）TiO2納米粒子可以顯著增強(qiáng)高水分變壓器油的工頻擊穿強(qiáng)度，在相對(duì)濕度為80%時(shí)，可將變壓器油的工頻擊穿電壓提高至純油的2.2倍。

（2）在同樣的電壓作用下，高水分含量的納米油中的局部放電次數(shù)、總放電量和最大放電電流都遠(yuǎn)小于純油。TiO2納米粒子可以顯著抑制高水分含量的變壓器油中局部放電現(xiàn)象，減輕其對(duì)油和紙板的損害。

（3）TiO2納米粒子可以加快高水分含量變壓器油中的電荷消散速率，防止由于水分增大引起的電荷積累和電場(chǎng)畸變現(xiàn)象，從而提高了高水分變壓器油的絕緣性能。

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