淺談納米改性變壓器油實(shí)驗(yàn)研究

【摘 要】在電力系統(tǒng)輸變電過程中，變壓器油作為電力變壓器中重要的絕緣介質(zhì)，承擔(dān)了散熱和絕緣的雙重任務(wù)。納米流體作為一種新型的復(fù)合材料具有其獨(dú)特的性能，納米顆粒加入變壓器油中有提高絕緣油性能的作用，優(yōu)化以往的普通絕緣油，以形成新的絕緣系統(tǒng)。為了研究納米顆粒的加入對絕緣油性能的影響，需要從實(shí)驗(yàn)的角度去進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】納米流體 絕緣油 加速熱老化

1 實(shí)驗(yàn)研究的背景

在電力系統(tǒng)輸變電過程中，變壓器作為電能傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，擔(dān)任著改變電壓等級、服務(wù)電能傳輸?shù)闹匾姑?，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。大量針對變壓器的故障研究根據(jù)國內(nèi)外的變壓器運(yùn)行統(tǒng)計(jì)來看，容量和電壓較高的變壓器故障率也較高，并且表明：因變壓器絕緣問題造成變壓器的故障是變壓器故障的最重要類型之一，尤其是隨著電力系統(tǒng)的電壓等級越來越高，長期運(yùn)行在電力系統(tǒng)中的變壓器絕緣特性的逐步惡化問題顯得更加突出。因此，改善變壓器運(yùn)行的絕緣特性，抑制變壓器內(nèi)絕緣老化，從而減少絕緣故障。

電網(wǎng)中的主要核心變壓器大都是液浸式的，它們的運(yùn)行狀態(tài)若是有安全隱患，就會(huì)明顯影響到電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，液浸式電力變壓器的主絕緣目前基本都是使用技術(shù)相對成熟的油紙絕緣，絕緣油在主絕緣中擔(dān)任絕緣和散熱的重要角色。雖然油紙絕緣的技術(shù)相對成熟，運(yùn)用也相當(dāng)?shù)亩啵请S著工作時(shí)間的增長，在高強(qiáng)的電磁場和高溫等作用下，油紙絕緣的壽命也逐漸縮短，各種老化問題也相繼出現(xiàn)，而其中對絕緣壽命影響最大的就是高溫?zé)崂匣?，老化?huì)造成變壓器主絕緣的機(jī)械性能下降，使得在突發(fā)外部短路故障情況下，線圈極容易發(fā)生變形而導(dǎo)致絕緣紙受到機(jī)械損壞、喪失絕緣能力并最終引發(fā)事故。為了解決這一問題，近年來對絕緣油的優(yōu)化研究比較火熱，而納米流體作為一種新型的復(fù)合材料具有其獨(dú)特的性能，國內(nèi)外研究也表明納米顆粒的加入確有提高絕緣油性能的作用。因此，許多電力工作者也嘗試著將納米材料添加到絕緣油中，優(yōu)化以往的普通絕緣油，以形成新的絕緣系統(tǒng)。

2 納米改性變壓器油的制備

（1）表面改性。改性物質(zhì)為六甲基二硅氮烷，加入后其在二氧化硅表面水解，反應(yīng)取代二氧化硅表面其中一個(gè)羥基。將適量的二氧化硅放入三口瓶容器中，攪拌、加熱并恒溫放置一段時(shí)間。再取一定量乙醇置于三口瓶中，攪拌分散均勻后加入六甲基二硅胺烷，升溫至回流溫度進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)完畢后，用乙醇離心洗滌3次所得懸浮液，并將其干燥至重量恒定即得改性二氧化硅納米顆粒。

（2）強(qiáng)力機(jī)械攪拌。調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速逐漸升至1600r/min，時(shí)間30分鐘，攪拌完成后，密閉封裝，置于陰涼干燥處靜置。攪拌裝置和制作得到的不同濃度的改性油。

（3）超聲分散。將機(jī)械攪拌后的納米油進(jìn)行超聲分散，以去除機(jī)械攪拌過程中溶入的氣泡。放入超聲儀器中設(shè)置功率180W去氣泡30分鐘。

（4）分子篩。采用3A型分子篩對納米油進(jìn)行脫水處理，將分子篩加熱至300℃進(jìn)行活化處理，持續(xù)3-4小時(shí)，然后隔絕空氣冷至室溫。將分子篩加入納米油，靜置24小時(shí)，再將分子篩去除即得納米改性變壓器油。

3 分析納米改性變壓器油的穩(wěn)定性

影響改性油的兩個(gè)因素：一是改性所用納米顆粒的表面特性，即納米顆粒的親油性強(qiáng)弱；二是改性所用納米顆粒的平均粒徑大小，粒徑越大，納米顆粒越容易沉降，改性納米油越不穩(wěn)定，粒徑越小，在變壓器油中納米顆粒越不容易沉降，改性納米油越穩(wěn)定。所以，此次用的親油性納米二氧化硅的粒徑為7nm左右，粒徑非常小，分散在變壓器油中穩(wěn)定性非常好，放置長久時(shí)間也不會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。

4 加速熱老化實(shí)驗(yàn)

研究納米顆粒對變壓器油的老化特性的影響，需要進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，對比分析得到不同特征參數(shù)隨老化時(shí)間的變化情況。

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。選取新疆克拉瑪依25號礦物變壓器油，并采用100℃作為試驗(yàn)溫度，放置于老化箱中，選取7天為一個(gè)測試周期共35天。在進(jìn)行加速熱老化實(shí)驗(yàn)時(shí)，變壓器油的閃點(diǎn)溫度為150℃左右，如果油的溫度在閃點(diǎn)溫度或者更高，油就可能蒸發(fā)而體積膨脹，這對于變壓器來說是非常危險(xiǎn)，可能引發(fā)爆炸。而溫度過高或者過低，老化機(jī)理可能與實(shí)際情況不符，這樣就失去了實(shí)驗(yàn)研究的意義。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量。對于實(shí)驗(yàn)特征參數(shù)的測量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體情況，部分參數(shù)選用高性能儀器測試，采用標(biāo)準(zhǔn)測量方法，對微水含量、酸值、擊穿電壓、介質(zhì)損耗和電阻率進(jìn)行人工測試。

（3）測量結(jié)果對比分析。除了單獨(dú)的分析老化前和老化后參量的變化情況，還對兩者進(jìn)行了對比分析。一是介質(zhì)損耗因數(shù)測量，改性后的變壓器油相對于純油要小，絕緣性能更好，在整個(gè)老化的過程中變化幅度也較小，說明更加抗熱老化；二是擊穿電壓測量，改性油較純油要高出許多，下降程度比純油要小；三是酸值方面，兩者測量值相差較小，變化趨勢也相近，各周測量值變化不大，波動(dòng)較大，一方面由于滴定的誤差，另一方面也是由于老化時(shí)間可能不夠?qū)е滤嶂底兓皇呛艽螅凰氖俏⑺糠矫?，都是隨老化時(shí)間增加呈下降趨勢，不同油樣的微水含量相差不大，而納米顆粒濃度較高的改性油反而比濃度低的微水含量要高，證明納米二氧化硅具有親水性，所以帶入的初始水含量較高。

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作者簡介：陳晶晶（1984—），女，漢族，河南開封人，研究生，工程師，從事電氣試驗(yàn)工作。