武大/湖工大团队在油浸式输配电装备状态监测领域取得新进展

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近日，国际著名学术期刊Advanced Science《高级科学》（IF：17.52）在线发表了武汉大学电气与自动化学院唐炬和湖北工业大学电气与电子工程学院张晓星课题组在油浸式输配电装备状态监测领域取得的最新成果，论文题为“Triboelectric Mechanism of Oil-solid Interface Adopted for Self-powered Insulating Oil Condition Monitoring”（《油-固界面摩擦起电机制及绝缘油中微量水分自取能传感》）。武汉大学肖淞副教授、博士生吴豪颖为论文共同第一作者，李祎副研究员为论文通讯作者。

研究背景

绝缘油在以变压器为代表的油浸式输配电装备中起到绝缘和冷却的重要作用。然而，设备强迫油循环产生的流动油会与绝缘纸板发生液-固摩擦，引发界面电荷分离并形成冲流电流（即“油流带电”），对设备绝缘构成威胁。另外，绝缘油中因长期电、热等应力老化产生的微水等杂质会影响油纸绝缘综合性能和设备可靠性。因此，厘清油-固摩擦起电机制并开展油中杂质的监测具有重要意义。

主要研究内容及结论

长期以来，油纸界面双电层中的载流子被认为是“离子”主导，绝缘油流动打破了双电层的静态平衡并形成冲流电流。该研究利用液滴式摩擦纳米发电机（Droplet-TENG）作为电荷“探针”，系统探索了绝缘油与固体聚合物界面的电荷转移及双电层形成过程，首次证实了电子转移在油-固摩擦起电发展初期占据主导作用，并提出了油中多组分在双电层发展中的竞争效应，进一步构建了管状摩擦纳米发电机（Tubular-TENG）实现了绝缘油中微量水分的自取能感知。

图1 油-固摩擦起电的发展过程

油-固摩擦起电发展过程及微观机制：作者首先利用全氟癸基三甲氧基硅烷提升了氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）的疏油性，并将其作为摩擦层探究了绝缘油滴与固体聚合物界面的摩擦起电发展过程（图1）。研究发现，油-固摩擦起电转移电荷、感应电流随油滴数增加（油-固摩擦发展）呈降低趋势并趋于饱和，界面电势则呈饱和增长变化。油-固摩擦起电初期电子转移占据主导；随着界面电势的构建和表面电荷累积，电荷转移逐步转向静态平衡。

图2 油中不同组成成分的摩擦起电特性

油中不同组成成分电荷转移竞争现象：绝缘油中不同组成成分摩擦起电特性存在显著差异，电荷转移量由高到低依次为：芳香烃>环烷烃>长支链烷烃>短支链烷烃（图2）。作者基于电子云势阱（Electron-cloud potential well）模型并结合前线分子轨道、静电势等计算结果解释了不同组分电荷转移差异的本质原因，即具有更低能带间隙、更强电荷离域化特征的油分子与固体聚合物摩擦起电能力更高。

图3多组分对双电层形成发展的竞争机制

多组分双电层竞争模型及油中微水检测：作者进一步提出了多组分双电层竞争机制，解释了不同组分加入对“紧密层”（Stern layer）和“扩散层”（Diffuse layer）的影响过程（图3）。最后，针对绝缘油中微量水分的监测需求，构建了管状结构的摩擦纳米发电机作为自取能传感器，获取了油中微水含量与油-固摩擦起电响应间的关联关系（图4），证实了利用油-固摩擦起电效应可实现油中微量水分的高精度检测，最低检测限（10 μL L^-1）下器件响应达到35%。

图4 用于油中微量水分检测的摩擦纳米发电机

该项工作深入揭示了油-固摩擦起电机制并丰富了绝缘油中杂质传感策略，为深刻理解油流带电、绝缘油状态监测等提供了新见解和新思路。研究工作得到国家重点研发计划（2020YFB0905900）、国家自然科学基金青年项目（52207169）和博士后创新人才支持计划（BX2021224）的资助。

作者简介

肖淞

本文第一作者，武汉大学电气与自动化学院，中法双博士，副教授、博士生导师。主要从事SF₆环保绝缘替代气体研究，近5年主持国家级、省部级科研项目7项。现担任中国电工技术学会青年工作委员会副秘书长、中国环保电力装备产业创新联盟秘书长、中国电机工程学会智能感知专业委员会委员、全国高压直流输电设备标准化技术委员会委员、国际大电网B3.59和B3.60工作组中方委员及青年专家组织(CIGRE NGN)B3召集人等职务。荣获中国电工技术学会科技进步一等奖、重庆市科技进步一等奖、贵州省科技进步二等奖和中国产学研合作创新成果二等奖等。入选中国科协“青年人才托举工程”和湖北省“楚天学者计划”，获得全国“向上向善好青年”荣誉称号。

李祎

本文通讯作者。武汉大学电气与自动化学院副研究员、博士后。主要从事环保输配电装备状态监测与智能感知领域研究。以第一/通讯作者在Adv. Sci., Nano Energy, Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater., IEEE TDEI, High Volt.等期刊发表SCI检索论文30余篇，入选封面论文1篇；授权/受理发明专利10余项；主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金等省部级课题5项。获中国电工技术学会首届优秀博士学位论文提名奖、等离子体及应用专业委员会优秀研究生，High Voltage年度优秀论文（2020、2021）。入选第六批博士后创新人才支持计划、斯坦福大学“2021、2022年度科学影响力排行榜”全球前2%学者榜单（World’s Top 2％ Scientists）。

唐炬

国家973首席科学家，二级教授，博士生导师，全国百篇优秀博士学位论文获得者，全国优秀科技工作者，中国电力科学与技术杰出贡献奖获得者，教育部首届优秀骨干教师，湖北省自然科学基金创新群体带头人，重庆市学术技术带头人，享受国务院政府特殊津贴专家，湖北省3551人才共和国70周年记念章获得者。承担了国家973计划2项，国家自然科学重点/面上基金8项，国家重点研发计划课题2项，省部级课题20余项以及企业委托项目100余项；获国家科技成果二等奖2项，省部级科技成果一等奖5项，国家级优秀教学成果一等奖1项，省级优秀教学成果一等奖2项；授权国家发明专利87项；出版中英文学术专著8部，大学本科教材3部；在国内外学术刊物和学术会议上发表论文360余篇。

张晓星

教授，博士生导师。教育部长江学者特聘教授，有突出贡献的中青年专家，享受国务院特殊津贴，教育部新世纪优秀人才，湖北省自然科学基金创新群体带头人。现任湖北工业大学电气与电子工程学院院长。担任国际大电网B3.24、B3.40和B3.45工作组中方成员、太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室副主任委员、中国电机工程学会电工数学专委会、中国电工技术学会等离子体及应用专委会等多个专委会委员、IET High Voltage副主编和国内外多个期刊编委。主持和参与国家自然科学基金、科技部国际合作项目、国家重点研发、973和863项目十余项，是国家自然科学基金创新群体成员。获国家技术发明二等奖1项、省部级科技成果一等奖3项、二等奖5项。发表学术论文300余篇，其中SCI检索200余篇；授权发明专利50余项；出版中英文专著5部。

团队介绍

武汉大学高电压绝缘监测团队由国家973首席科学家唐炬教授领衔，长期致力于电气设备绝缘在线监测、故障诊断、状态评价和智能传感等方向研究。近年来，团队承担了包括国家973计划、重点研发计划和国家自然科学基金重点项目在内的20余项国家级科研课题；获得国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、省级政府科技成果一等奖5项，其他省部级成果奖13项，发表学术论文600余篇（其中SCI检索200余篇），出版中英文学术专著12部。

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