高溫下微納米粒子對植物絕緣油擊穿電壓的影響

何 瀟，周年榮，郭新良，何運華，張林山，譚向宇，方正云

（1. 云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責任公司，云南 昆明 650011）

0 引言

目前我國電網(wǎng)正向著更高效、更環(huán)保的綠色型、智能型、集約型方向轉型與發(fā)展，其中油浸式電力變壓器是系統(tǒng)中的主要設備，它的安全運轉對整個電網(wǎng)的可靠性至關重要。絕緣油作為變壓器的主要絕緣介質之一，其必須保持高電氣強度，以確保電力設備的穩(wěn)定運轉[1-2]。

傳統(tǒng)的變壓器礦物油具有良好的電氣性能且價格較為低廉，但是礦物油同時具有燃點低、易爆炸、泄漏污染環(huán)境等缺點[3-6]。而且隨著經濟與社會的不斷發(fā)展，環(huán)境保護已成為人們的共識，選擇一種性能優(yōu)良的綠色液體電介質替代礦物油及如何保證電力設備高效、安全工作就顯得尤為重要[7-10]。植物絕緣油是一種優(yōu)良的礦物絕緣油替代品，是一種不易燃燒、環(huán)境友好型和來源較為廣泛的液體介質。在對植物絕緣油進行精煉以及改性以后，其各項理化性能及電氣性能都能滿足電力用油的標準，已在配電設備中得到廣泛使用并不斷地向大型電力變壓器推廣以及使用[11-12]。但絕緣油在長期運行過程中受到機械、物理、化學作用等因素的影響，易造成油中固體顆粒雜質增多，特別是金屬顆粒雜質的增多會引起局部放電，導致設備發(fā)生故障概率增加，影響電力變壓器的正常運行。因而非常有必要對微納米粒子的控制以及處理進行研究[13]。

近年來，國內外學者展開了微納米粒子對變壓器油工頻擊穿電壓的影響研究，研究微納米粒子的粒徑、濃度對擊穿電壓影響的差異及原因。P RAIN等[14]研究發(fā)現(xiàn)微納米粒子和水分使絕緣油的擊穿電壓明顯下降，微納米粒子對不同絕緣油會產生不同的影響。C VINCENT 等[15]通過在不均勻電場作用下研究銅微納米粒子在礦物絕緣油中的運動情況，發(fā)現(xiàn)銅微納米粒子在電場作用下形成帶有分支的直線并在電極附近運動，同時在實驗過程中產生局部放電和乙炔。O LESAINT 等[16]研究發(fā)現(xiàn)粒徑較大的金屬顆粒對電場改變較為明顯，容易引起絕緣油中局部放電現(xiàn)象的發(fā)生，認為應當控制電力設備絕緣油中粒徑較大的微納米粒子。楊麗君等[17]測定含碳顆粒絕緣紙板在交流電壓下的擊穿電壓，發(fā)現(xiàn)碳顆粒對沿面放電有一定程度的影響，但對擊穿電壓的影響較小。

目前微納米粒子對于絕緣油的性能影響研究很多針對于礦物絕緣油且都是在常溫條件下進行，對于植物絕緣油的研究較少。變壓器運行過程中，存在過載狀況導致絕緣油溫度上升，因此有必要研究高溫條件下微納米粒子對植物絕緣油擊穿電壓的影響規(guī)律，為植物絕緣油的工程應用提供理論依據(jù)。本文在高溫條件下研究相同濃度的銅、鐵微納米粒子對菜籽油、PFAE 油以及FR3大豆油3種不同植物絕緣油工頻擊穿電壓的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 納米顆粒制備與粒徑分布

制備不同種類以及顆粒濃度的微納米粒子是研究微納米粒子對絕緣油擊穿電壓影響的重要步驟。實驗中通過向油樣添加不同質量的銅、鐵顆粒來得到不同顆粒濃度的絕緣油混合溶液。其中顆粒濃度N代表每100 mL 油樣中所含微納米粒子數(shù)量。在實驗過程中將銅、鐵微納米粒子等效為球形來估算其質量。再通過稱量不同微納米粒子的質量來研究對油樣擊穿電壓的影響。在配制絕緣油之前，實驗中應根據(jù)固體顆粒的粒徑分布圖來推算固體數(shù)量與質量之間的關系。

首先通過顆粒的粒徑分布圖，即不同粒徑區(qū)間顆粒體積占總體積的百分數(shù)來確定試驗顆粒的粒徑選擇，圖1 和圖2 分別為銅和鐵顆粒的粒徑分布圖，測試儀器為美國Microtrac 公司S3500 型粒度分析儀。如圖1 和圖2 所示，銅、鐵顆粒粒徑主要分布在10～100 μm。

圖1 銅粒徑分布Fig.1 The size distribution of Cu particle

圖2 鐵粒徑分布Fig.2 The size distribution of Fe particle

假設顆?？傮w積為V，總個數(shù)為N，各區(qū)間范圍內顆粒個數(shù)為Ni，各粒徑區(qū)間的顆粒粒徑均值為ri，體積為Vi，質量為Mi，顆粒密度為ρ。則求取Vi的公式如式（1）所示，且存在式（2）所示關系。

假設顆粒分布均勻，則可求得顆粒的等效粒徑Req，如式（3）所示。

設預稱量的顆粒數(shù)為Nx，對應的稱量質量Mx如式（4）所示。

通過式（1）～（4）可以獲得微納米粒子數(shù)與其質量的關系，進而配置不同的溶液類型。其中對于粒徑較小的顆粒，顆粒濃度盡量選在1 000、10 000、50 000和500 000附近；粒徑較大的在配置時要進行調整。表1 為實驗中微納米粒子的尺寸和濃度。銅、鐵的微納米粒子密度分別為8.92 g/cm3、7.86 g/cm3，通過精密天平稱取相應質量的微納米粒子并添加到處理好的絕緣油中，配制含微納米粒子的絕緣油樣品。由于銅、鐵顆粒極易受空氣氧化，在配制的過程中應當注意密封保存。同時要嚴格保持含水量，絕緣油的含水量要低于15×10-6。

表1 實驗中微納米粒子尺寸及濃度Tab.1 The size and concentration of micro and nano particles in the experiment

1.2 含納米粒子絕緣油的處理及擊穿實驗方法

為充分模擬高過載電力變壓器絕緣油的運行環(huán)境，對絕緣油的溫度控制在80℃，其余實驗環(huán)境均保持一致，以減少外界環(huán)境對實驗結果的影響。絕緣油的擊穿電壓依照ASTM D 877《液體絕緣材料擊穿電壓測試法》和DL/T 429.9—1991《絕緣油介電強度測定法》進行測試，電壓按照2 kV/s的速度從零開始均勻加壓，具體實驗步驟如下：

（1）將一定量的PFAE 油、FR3 大豆油以及菜籽油置于真空干燥箱內，在50 Pa、90℃的條件下進行干燥、脫水、脫氣處理48 h。

（2）干燥完成后，將絕緣油及時取出并密封好。對預處理的絕緣油測試其水分，如果水分含量超標，則要對絕緣油進行再次處理保證其低含水量。

（3）將符合要求的絕緣油倒入2 L 的燒杯中，并將稱量好的固體顆粒加入到絕緣油中，調配不同顆粒濃度的絕緣油溶液。將其置于內部溫度為90℃，轉速為500 r/h 的機械攪拌器中，之后加入磁攪拌子不斷進行攪拌使固體顆粒在絕緣油中分散均勻。加熱攪拌60 min 后，停止加熱與攪拌直到絕緣油溫度達到80℃，油樣底部沒有顆粒沉淀時停止攪拌。

（4）將制備好的含微納米粒子的絕緣油倒入油箱中，并開始進行工頻交流擊穿電壓測試。

（5）對于相同粒徑和顆粒濃度的樣品，每組測試10次擊穿電壓值，取其平均值作為擊穿電壓。加壓過程中以2 kV/s 的速度逐漸增加電壓，直至絕緣油擊穿。每次擊穿結束后，為避免電極附近的固體微納米粒子對電場的影響，需采用玻璃棒攪拌油樣，并等待1～2 min 使微納米粒子混合均勻后再進行后續(xù)實驗。

（6）采用Weibull 統(tǒng)計分析處理所得數(shù)據(jù)，獲得工頻擊穿電壓與微納米粒子粒徑以及顆粒濃度之間的關系，并分析3種植物油樣之間的異同。

2 結果與分析

2.1 含微納米粒子絕緣油Weibull模型檢驗結果

根據(jù)Weibull 模型的計算方法，選擇在球-球電極下含鐵微納米粒子以及在板-板電極下含銅微納米粒子的3種絕緣油的擊穿電壓進行Weibull 模型檢驗，繪制出在不同顆粒濃度下的概率圖并求得Weibull 分布函數(shù)中的形狀參數(shù)β以及尺度參數(shù)α，結果如圖3～4所示。

從圖3～4可以看出，盡管數(shù)據(jù)點存在輕微的發(fā)散，但基本都分布在一條直線的兩側，這條直線稱為Weibull 概率直線。由此可以判斷含有不同濃度微納米粒子的3種絕緣油的擊穿電壓符合Weibull分布假設條件，可以認為3種絕緣油的擊穿電壓服從Weibull分布。

圖3 含鐵微納米粒子絕緣油擊穿電壓的Weibull概率圖Fig.3 Weibull probability diagram of breakdown voltage of insulating oil containing iron micro and nano particles

根據(jù)Weibull 分布的結果，可以得到在球-球電極下含鐵微納米粒子以及在板-板電極下含銅微納米粒子的3種絕緣油的擊穿電壓分布模型的特征參數(shù)α、β的估計值，計算結果如表2～3 所示。尺度參數(shù)α代表擊穿概率為63.2%時的擊穿電壓，形狀參數(shù)β代表擊穿電壓的分布范圍。

從表2～3 可以看出，隨著絕緣油中鐵、銅等微納米粒子濃度的逐漸增加，絕緣油的工頻擊穿電壓逐漸下降，說明微納米粒子濃度是影響絕緣油擊穿電壓的重要因素。

2.2 含微納米粒子絕緣油擊穿電壓結果分析

根據(jù)表2～3 中含微納米粒子絕緣油擊穿電壓的Weibull分布模型參數(shù)，以尺度參數(shù)α作為絕緣油的擊穿電壓特征量，圖5 為含10 μm 鐵微納米粒子絕緣油在板-板以及球-球電極下的擊穿電壓與顆粒濃度對數(shù)之間的關系。從圖5 可以看出，隨著油中微納米粒子濃度的增加，絕緣油的工頻擊穿電壓逐漸下降，而且工頻擊穿電壓與微納米粒子顆粒度對數(shù)近似呈線性關系。同時可以觀察到，對于Fe微納米粒子，在微納米粒子顆粒濃度相同時，PFAE 油的工頻擊穿電壓略高于FR3 大豆油，菜籽油的工頻擊穿電壓較前兩種絕緣油相對較低。

表2 含鐵微納米粒子絕緣油擊穿電壓Weibull分布參數(shù)Tab.2 Weibull distribution parameters of breakdown voltage of insulating oil containing iron micro and nano particles

圖4 含銅微納米粒子絕緣油擊穿電壓的Weibull概率圖Fig.4 Weibull probability diagram of breakdown voltage of insulating oil containing copper micro and nano particles

圖6 為含10 μm 銅微納米粒子絕緣油在板-板以及球-球電極下的擊穿電壓與顆粒濃度對數(shù)之間的關系。從圖6 可以看到，板-板電極下當Cu 微納米粒子濃度增大為原來的10 倍時，PFAE 植物油的擊穿電壓下降約11.2 kV，F(xiàn)R3 大豆油的擊穿電壓下降約16.5 kV，而菜籽油的擊穿電壓僅下降9.8 kV。這主要與菜籽油的黏度較大有關，根據(jù)固體顆粒在液體中所受粘滯阻力的斯托克斯模型可知，微納米粒子在黏度更大的植物絕緣油中受到的黏滯阻力更大，固體微納米粒子運動速度減慢，微納米粒子“小橋”較難形成，這在一定程度上提高了絕緣油的擊穿電壓。并且由于黏度較大，帶電微納米粒子運動緩慢，降低了粒子移動的速度并阻礙氣泡的形成，有利于增加其電氣強度。通過圖6還可以看到，菜籽油的擊穿電壓略低于相同條件下FR3 大豆油以及PFAE絕緣油的擊穿電壓。

綜合對比圖5 和圖6 中含相同粒徑的鐵、銅微納米粒子的菜籽絕緣油與FR3 大豆油工頻擊穿電壓下降趨勢，由于工頻擊穿電壓與微納米粒子顆粒濃度對數(shù)近似呈線性關系，可以將圖像的斜率絕對值看成擊穿電壓的下降速率，此時發(fā)現(xiàn)球-球電極下，含銅微納米粒子的菜籽油擊穿電壓下降速率約為13.5，而含鐵微納米粒子的下降速率約為7.5；板板電極下，含銅微納米粒子的FR3 大豆油擊穿電壓下降速率約為17.5，而含鐵微納米粒子的下降速率約為10。因此含銅微納米粒子的菜籽絕緣油與FR3大豆油在板-板電極以及球-球電極下的擊穿電壓下降速度均顯著快于含鐵微納米粒子絕緣油。

表3 含銅微納米粒子絕緣油擊穿電壓Weibull分布參數(shù)Tab.3 Weibull distribution parameters of breakdown voltage of insulating oil containing copper micro and nano particles

圖5 含10 μm鐵微納米粒子絕緣油在板-板以及球-球電極下的擊穿電壓與顆粒濃度對數(shù)之間的關系Fig.5 Relationship between breakdown voltage and the logarithm of particle size of insulating oil containing 10 μm iron particles under plate-plate and ball-ball electrodes

圖6 含10 μm銅微納米粒子絕緣油在板-板以及球-球電極下?lián)舸╇妷号c顆粒濃度對數(shù)之間的關系Fig.6 Relationship between breakdown voltage and the logarithm of particle size of insulating oil containing 10 μm copper particles under plate-plate and ball-ball electrodes

表4為含固體微納米粒子絕緣油擊穿電壓線性擬合表達式。由表4 可知，對于擬合得到的函數(shù)表達式，在相同電極下含同種微納米粒子的菜籽絕緣油的擬合直線斜率絕對值低于PFAE 絕緣油以及FR3 大豆油，表明菜籽油的工頻擊穿電壓降低速率低于PFAE絕緣油以及FR3大豆油。

表4 含固體微納米粒子絕緣油擊穿電壓線性擬合表達式Tab.4 Linear fitting expression of breakdown voltage of insulating oils containing solid micro and nano particles

通過實驗得到的數(shù)據(jù)進一步分析固體微納米粒子顆粒濃度對植物絕緣油工頻擊穿電壓的影響。當微納米粒子顆粒濃度較低（顆粒濃度≤104個/100 mL）時，顆粒之間相互作用力較小。在電場力作用下，微納米粒子會向極板方向運動，在靠近或碰撞極板的過程中會感應以及傳遞一定電荷，該電荷會形成一個附加的電場與原電場相互疊加，導致植物絕緣油局部放電，降低植物絕緣油的工頻擊穿電壓。當極板之間的場強超過植物絕緣油的電氣強度時，植物絕緣油會發(fā)生擊穿。

當微納米粒子顆粒濃度較高（顆粒濃度＞104個/100 mL）時，顆粒之間的相互作用力較大。在電場作用下，較多的顆粒會向極板方向運動，固體微納米粒子會在極板附近匯集形成微納米粒子團聚，該團聚顆粒對外界電場的畸變作用區(qū)域增大。若微納米粒子“小橋”未貫穿極板間隙，則團聚顆粒使電場畸變作用增強，降低植物絕緣油的擊穿場強。如微納米粒子“小橋”貫穿極板間隙，其電導增加而致使泄漏電流增加，產熱增多，促使水分氣化，氣泡擴大，繼而形成氣體“小橋”，氣體“小橋”貫穿，使植物絕緣油間隙發(fā)生擊穿。在微納米粒子顆粒濃度較低（顆粒濃度≤104個/100 mL）時，不能形成微納米粒子“小橋”或形成速度較慢；當微納米粒子顆粒濃度較高（顆粒濃度＞104個/100 mL）時，易形成微納米粒子“小橋”，顯著降低植物絕緣油的工頻擊穿電壓。

3 結論

（1）對于3種植物絕緣油，隨著微納米粒子含量的增加，其擊穿電壓呈現(xiàn)下降趨勢，且與微納米粒子顆粒濃度的對數(shù)呈現(xiàn)出一定的線性關系。當微納米粒子濃度較低（顆粒濃度≤104個/100 mL）時，不能形成微納米粒子“小橋”或形成速度較慢；當微納米粒子濃度較高（顆粒濃度＞104個/100 mL）時，易形成微納米粒子“小橋”，顯著降低植物絕緣油的工頻擊穿電壓。

（2）對于同種微納米粒子，在顆粒濃度相同情況下，菜籽油的工頻擊穿電壓低于PFAE 植物油以及FR3 大豆油。隨著顆粒濃度的增加，菜籽油的工頻擊穿電壓下降速度慢于其他兩種油樣，說明微納米粒子對菜籽油的影響程度相對較低。這主要是因為菜籽油的黏度更大，能減緩微納米粒子形成“小橋”。

（3）對比含相同粒徑的鐵、銅微納米粒子的菜籽絕緣油和FR3 大豆油的工頻擊穿電壓下降趨勢可以發(fā)現(xiàn)，含銅微納米粒子絕緣油的擊穿電壓下降速度顯著快于含鐵微納米粒子絕緣油。