纳米改性变压器油纸杯及绝缘特性分析
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摘 要 为寻求提高变压器油纸复合绝缘特性可能途径，开展了纳米改性变压器油–纸复合绝缘频率响应特性研究。利用电介质频率响应法，对比测试了添加纳米改性前后油纸复合基金项目：绝缘不同微水含量、在不同温度条件下，104～106Hz 范围频率响应;建立基于Cole-Cole函数的弛豫模型分析实验结果，并通过最小二乘法拟合得到弛豫模型参数;分析不同微水含量及温度条件下添加纳米粒子对弛豫参数的影响。结果表明：所建立的弛豫模型能较好地反映油纸复合绝缘频率响应特性，弛豫模型参数能反映油纸复合绝缘状态的变化规律;添加纳米粒子引入了新弛豫机制，在低频及高频段，降低了油纸复合绝缘的介质损耗，在0.1～100Hz 频率范围内却增大了其介质损耗，且随着温度升高及微水含量增加，影响越显著。
关键词 纳米改性变压器;油纸杯;绝缘特性
油浸式变压器被广泛应用于超高压、特高压输变电系统，油纸复合绝缘状态将严重影响变压器绝缘的电气寿命和机械寿命。随着输电电压等级不断提高，传统油纸复合绝缘越来越难以满足高电压等级对小体积、高耐受场强、高可靠性的要求。纳米技术的出现使复合材料的发展进入崭新时代。通过纳米添加改性现存绝缘体系，改善电气、机械、热等特性成为电气绝缘领域的一个研究热点。目前研究主要集中在添加纳米材料对固体聚合物击穿特性、界面特性、空间电荷、局部放电等方面的影响及其机制。纳米流体的应用前期主要针对其良好散热特性，如在变压器油中添加纳米粒子形成胶体被用来增强变压器绕组线圈的散热作用。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的研究表明，添加纳米粒子对提高变压器油的抗老化性及抗破坏性有重要作用。
1 纳米粒子对变压器油纸复合系统特性的影响
1.1 制备方法
目前纳米变压器油纸复合系统的制备主要通过两种方法：一种是制备具有优良性能的纳米变压器油形成纳米油-纸复合系统;另一种是在纸的抄造过程中添加纳米粒子从而制备纳米纸，再浸润变压器油形成纳米纸-油复合系统[1]。
1.2 电气与物理特性研究
研究发现，纳米油纸复合系统的绝缘性能与纯油纸系统相比有显著提升，部分电气性能参数的变化。除了工频击穿特性和局部放电特性等之外，纳米油纸复合系统的其他电气特性，如电阻率、介质损耗、相对介电常数等参数都会在一定程度上影响变压器油纸复合系统的性能与应用。西南交通大学吴广宁课题组研究发现，TiO2粒子的添加引入了低频段高的介电弛豫，使TiO2纳米油-纸绝缘在10-2～10 2Hz范围内的介质损耗增加，且随着温度升高及微水含量的增加影响越显著;SiO2纳米粒子可以增加SiO2纳米油-纸绝缘全频域的介电性能，降低其在不同温度和微水含量下的工频介质损耗。同时，作者基于Cole-Cole函数的弛豫模型对实验结果进行了较好地拟合。Liao Ruijin等研究发现，TiO2纳米纸-油系统的相对介电常数、介质损耗、电导率相比纯油纸系统都有所下降;当纳米粒子的质量浓度达到4%时，其机械拉力下降了2.8%。
1.3 纳米粒子改性油纸复合系统机理研究
Du Y等和ZhouYou等通过TSC和PEA实验证明，TiO2纳米粒子的加入使纳米纸-油系统中引入大量的浅陷阱。纳米纸-油系统中的浅陷阱数量随着纳米粒子浓度的增加而提高，同时TiO2粒子的引入改善了油纸绝缘中空间电荷的积聚与消散特性，降低了绝缘纸内部电场的畸变率。廖瑞金等通过实验证明TiO2纳米纸-油系统同样具有上述特性。此外，施健等通过仿真模拟了Fe3O4纳米粒子在纳米油-纸复合系统中的充电过程，并通过COM-SOL仿真模拟了油纸体系中流注发展的过程，发现纳米粒子抑制了油中流注的发展和沿面流注的发展，降低了绝缘体的面电荷密度，从而提高了油纸绝缘整体的绝缘性能。
根据研究结果，质量分数为3%的纳米纸-油系统TSC实验结果的电流峰值是纯油纸系统的3.25倍，由于峰值电流的大小反映了电介质捕获电荷的能力，由此可知纳米纸-油系统具有更加优异的电荷捕获能力。同时根据介绍，纯油纸系统的内部电场最高可达到外施电场的172%，而纳米油-纸系统的内部电场则较为平滑与稳定，没有超过外施电场的129%，因此可以提高纳米油-纸系统的击穿能力。
1.4 不同温度下油纸复合绝缘频率响应
为研究不同温度下油纸复合绝缘频率响应，測试2%微水含量油纸复合绝缘在10、30、50、70℃时复介电常数。根据双弛豫型的Cole-Cole模型方程分析建模，测试结果及拟合曲线，各离散符号为测试值，连续曲线为拟合曲线。对比测试2%微水含量的纳米改性油纸复合绝缘在 10、30、50、70℃时频率响应。根据三弛豫型的Cole-Cole模型方程分析建模，复介电常数测试结果及拟合曲线，各离散符号为测试值，连续曲线为拟合曲线[2]。
2 结束语
不同微水含量、不同温度条件下104～10 6Hz范围的频率响应测试结果表明，频率响应法能反映油纸复合绝缘状态的变化规律，为应用于评估变压器绝缘状态奠定了基础。基于 Cole-Cole模型建立的双弛豫函数能较好地反映油纸复合绝缘弛豫过程及其微观极化机制，弛豫参数与微水含量、温度变化存在关联关系。纳米粒子的添加引入了新的极化弛豫机制，油纸复合绝缘的频率响应出现了明显的变化，三弛豫Cole-Cole模型函数能较好拟合。纳米改性油纸复合绝缘复介电常数的实部及虚部增大，介质损耗在极低频及极高频段小于普通油纸复合绝缘体系;而在约0.1～100 Hz频率范围，却增大了油纸复合绝缘介质损耗，且随着温度升高及微水含量增加，差别越显著，对工作在工频下的变压器油纸复合绝缘造成不利影响。纳米改性变压油 – 纸复合绝缘的介电特性发生了显著的变化，这为提升变压器油纸复合绝缘提供了新的可能途径，但如何达到良好的工程应用效果需要更多验证。
参考文献
[1] 廖瑞金，王季宇，袁媛，等.换流变压器下新型纤维素绝缘纸特性综述[J].电工技术学报，2016，31（10）：1-15.
[2] 司马文霞，曹雪菲，杨庆，等.冲击电压下3种纳米改性变压器油击穿特性的比较和分析[J].高电压技术，2015，41（02）：374-381.
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