往变压器油中加入纳米颗粒，有啥好处？西安交通大学科研人员发布研究成果

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将纳米颗粒添加到变压器油中形成纳米改性变压器油，不仅可以改善变压器油的散热能力，还可以提高其绝缘水平。研究纳米改性变压器油的载流子输运特性，对纳米改性变压器油性能提升原因的解释和纳米改性机制理论的完善具有重要意义。

西安交通大学电气工程学院的董明、杨凯歌、马馨逸、胡一卓、谢佳成、徐广昊，在2021年第21期《电工技术学报》上撰文指出，纳米颗粒的加入增加了界面势垒的厚度，减少了通过势垒进入界面区域的电子，且由于纳米颗粒对电子的捕获作用，增加了由欧姆阶段过渡到隧道效应阶段的电场强度，提高了绝缘强度；空间电荷限制电流饱和阶段，纳米颗粒的加入增加了变压器油的陷阱密度，降低了载流子的迁移率，抑制了放电的发生。

随着电力系统电压等级和输电距离的提升，传统油浸式电力设备正向着高耐压、大容量、高可靠性等方面不断发展，对设备绝缘的耐压性能以及散热能力提出了更高的要求。为了适应这一发展趋势，纳米改性绝缘材料应运而生。纳米流体的概念最早由U. S. Choi在1995年提出，并在1998年由V. Segal等将此概念推广到纳米改性变压器油中，以提高其绝缘和散热性能。

纳米改性变压器油是指将一定质量的直径小于100nm的固体纳米颗粒通过一定分散方法均匀分散到变压器油中形成的稳定胶体体系。研究发现，纳米改性变压器油较普通变压器油在耐压、导热、抗老化和抗水分等方面都有较为明显的优势。

载流子是指可以自由移动的带电的物质微粒，载流子的定向移动形成电导过程，通过对电导电流的测量，可以分析得到载流子的输运特性。载流子迁移速度与电场强度的比值为载流子的迁移率，根据载流子迁移率变化可以分析得到电荷的传输特性。

W. F. Schmidt总结了与液体电介质中电击穿过程的起始和发展密切相关的基本过程，包括电极过程、液相离子化、气泡形成以及击穿演化过程。M. Butcher等对普通变压器油高场下的电导过程进行测试和分析，并将电导过程分为三个阶段：欧姆电阻阶段、隧道效应阶段以及空间电荷限制电流饱和阶段。周远翔等对变压器油的电导电流变化及各因素对其影响进行详细论述，但忽略了隧穿效应对电导过程的影响。F. Negri对磁流体的电导特性进行研究，但由于铁磁性纳米颗粒的加入，稳定性受电压等级影响很大，没有测得空间电荷限制电流饱和阶段的电导特性。

目前，纳米颗粒对变压器油绝缘特性的改性机制的相关理论尚不成熟，国内外学者对纳米改性变压器油的研究还仅限于简单的理论分析。杜岳凡等利用热刺激电流法对改性前后变压器油中的陷阱特性进行了测试，结果表明，纳米粒子的加入增加了变压器油中的浅陷阱密度，提高了变压器油对电荷的消散和输运能力，从而能够改善变压器油的绝缘性能。

Lü Yuzhen等用纯的老化变压器油与加入TiO2纳米改性的老化变压器油做交流击穿电压与脉冲电压试验测试，结果发现，在变压器油中分散性和稳定性良好的TiO2纳米颗粒，可以大大提高老化变压器油的介电击穿性能。施健等建立了纳米粒子改性变压器油的场致分子电离流注发展模型，通过仿真获得并对比纳米改性变压器油和纯油中流注发展过程中的电场、空间电荷、流注半径、流注发展速率等参数，发现纳米改性变压器油绝缘性能提高的根本原因是纳米粒子对电子的捕获。

葛扬首次实现了纯油和纳米变压器油在冲击高电场下的电子迁移率测量。结果表明，纳米粒子显著提高了变压器油中的电子迁移率，纳米变压器油中浅陷阱密度变大，电子迁移率变快，流注发展变慢，击穿电压变高。在外部电场下，电介质从电传导到电击穿整个过程都与载流子的输运有密切关系，载流子定向运动形成电导电流，载流子的输运特性可以揭示电导本质；电介质高直流电场强度下的载流子运动对于理解预击穿过程有重要作用。

西安交通大学电气工程学院的研究人员首次对纳米改性变压器油在强电场下的电导电流进行测量，通过不同电场强度下纳米改性前后变压器油的直流电导特性，比较和分析了载流子的运动过程及特征，对纳米变压器油性能得到提升的原因和纳米粒子的改性机制进行了阐释。通过对纳米改性变压器油电导电流及载流子流速场的分析，得到了载流子在不同电场下，尤其强电场下的输运特性，并解释了纳米颗粒的作用机制，进一步完善了纳米颗粒对变压器油的改性机理。

图1  ZnO纳米颗粒的TEM照片

纳米改性变压器油在不同电场下载流子输运过程可以分为欧姆电阻阶段、隧穿效应阶段和空间电荷限制电流饱和阶段三个阶段：

图2  TSDC 测试方案 

图3  变压器油TSDC测试结果

1）在欧姆电阻阶段，电流I与电场强度E成正比关系，纳米颗粒的加入增加了载流子的数密度，使得电导电流增加。

2）在隧道效应阶段，ln(I/E2)与E-1成正比关系，载流子由液体中的离子和荷电胶粒转变为电极发射出的电子，电子电导起主导作用，随电场强度的增加，载流子迁移率逐渐增大。纳米颗粒的加入增加了界面势垒的厚度，减少了通过势垒进入界面区域的电子，且由于纳米颗粒对电子的捕获作用，增加了由欧姆阶段过渡到隧道效应阶段的电场强度，提高了绝缘强度。

3）在空间电荷限制电流饱和阶段，I与E2成正比关系，纳米颗粒的加入增加了变压器油的陷阱密度，降低了载流子的迁移率，有利于抑制放电的发生。

根据以上三个阶段的讨论，可以发现，尽管纳米粒子的添加增大了变压器油低电场强度下的电导率，但纳米粒子对强电场下电击穿过程的抑制作用更为突出。

在未来的工作中。应采用不同的试验手段，尝试从不同角度探索纳米颗粒在变压器油中的作用机制，包括在改善绝缘特性方面纳米颗粒对变压器油中运动电荷的抑制作用，抗水分、抗老化方面纳米颗粒的界面效应，以及导热方面纳米颗粒的强化效应等，这对进一步完善纳米颗粒改性机理，推动纳米改性变压器油的工程应用具有重要意义。

以上研究成果发表在2020年第21期《电工技术学报》，论文标题为“纳米改性变压器油中载流子输运特性分析”，作者为董明、杨凯歌、马馨逸、胡一卓、谢佳成、徐广昊。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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