AlN纳米改性变压器油的电热性能及其应用研究

纳米颗粒改性变压器油由于其具有散热性能和绝缘性能等优势受到越来越广泛的关注。在总结近年来纳米改性变压器油研究现状的基础上,采用氮化铝(Al N)制备了纳米改性变压器油,并对其导热特性、绝缘特性及其应用进行研究。结果表明:Al N纳米粒子最高能使改性变压器油的热导率提高7%。同时,Al N纳米改性变压器油的正极性雷电冲击击穿电压最高提升了50%。此外,通过现场试验验证了Al N纳米变压器油的散热性能。纳米改性变压器油能显著提升变压器的散热能力,在相似环境中,额定负荷下纳米油变压器中的油温比普通油变压器约低12℃。     

纳米改性变压器油传热特性仿真研究

为改善油浸式变压器油纸绝缘系统的散热状况,对纳米改性变压器油的传热特性进行研究。通过制备不同浓度的Si O2纳米改性变压器油并对其热导率进行比较分析,结果表明随浓度增加,改性变压器油的热导率相应增大。利用COMSOL Multiphysics建立了油浸式变压器二维简化模型,分别在自然对流和强制对流条件下,利用有限元法(FEM)求解变压器内温度场与速度场的分布。考虑到纳米颗粒的分布及电泳动力对温度和速度分布的影响,对原模型进行了修正。仿真结果表明:自然对流下纳米改性变压器油较未改性变压器油的温升明显降低,强制对流下主要受入口速度影响,改善效果不明显。采用扰流板结构对变压器箱壁进行优化后,提高了自然对流下的散热效果。     

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

为了提高变压器油绝缘性能,研究了不同导电性能纳米材料添加改性对变压器油冲击击穿特性的影响。选取铁磁性导电纳米粒子Fe3O4、半导体纳米粒子Ti O2和非导电纳米粒子Al2O3,经不同的表面改性剂处理后,分散于变压器油中,制得纳米改性变压器油,并证实了3种纳米改性变压器油的稳定性。通过操作冲击击穿试验,对比研究了不同浓度纳米改性变压器油的宏观击穿特性,得出3种纳米改性变压器油的最佳质量浓度分别为0.03g/L、0.01 g/L和0.02 g/L。在最佳浓度下进行雷电冲击击穿试验,结果表明:除负极性雷电冲击情况外,纳米改性变压器油的冲击击穿特性较之纯净变压器油均有较大程度的提高,其中操作正极性击穿电压提高幅度较大,可达44.1%、33.3%和35.5%。基于针–板模型的极性效应,结合空间电荷分布分析及结合极化理论,认为纳米改性变压器油冲击击穿特性的改善与添加纳米粒子捕获电子并改变原有空间电场分布相关,而3种纳米改性变压器油击穿特性的不同是由纳米粒子表面极化特性的不同导致。     

温度对纳米改性变压器油黏度影响的分子动力学模拟研究

首先分析了变压器油的主要组成成分,构建了纯变压器油及纳米改性变压器油分子模型,随后利用分子动力学的方法得出均方根位移与时间的关系,并基于爱因斯坦关系式计算得到纯变压器油及添加Al_2O_3、SiO_2、ZnO 3种纳米颗粒的纳米改性变压器油的黏度随温度的变化。结果表明:纯变压器油和纳米改性变压器油的黏度均随温度的升高呈指数下降的趋势,利用Arrhenius模型拟合发现其符合黏温特性曲线。此外,相比于纯变压器油,纳米改性变压器油的黏度有所提高,但在变压器工作温度为70~80℃时,二者差异较小。最后,通过与实验结果对比,验证了利用分子动力学方法研究纳米改性变压器油黏度的可靠性。     

SiO_2纳米材料对老化变压器油击穿特性和电荷传输特性的影响研究

本文中作者制备了纳米SiO_2材料,试验研究了该纳米材料对老化变压器油击穿特性和电荷传输特性的影响规律,揭示了SiO_2纳米材料对变压器击穿性能的改性作用。     

纳米改性变压器油工频局部放电特性研究

以不同浓度的TiO_2和SiO_2纳米改性变压器油为研究对象,通过光电检测法采集局部放电脉冲信号,探究纳米颗粒的添加对变压器油局部放电特性的影响。结果表明:纳米颗粒通过增加油中浅陷阱密度、畸变电场分布,可以有效降低载流子迁移率,从而抑制放电的发展。加入纳米颗粒后,变压器油的击穿电压和局部放电起始电压都有所提高,局放脉冲上升沿变化率降低。不同种类纳米颗粒对放电的不同阶段抑制效果不同,SiO_2纳米颗粒对放电的起始发展阶段抑制程度更大,TiO_2纳米颗粒对放电的预击穿阶段抑制效果更佳。     

纳米改性变压器油的破坏特性

变压器等输变电主设备的油纸介质已越来越不能满足特高电压等级对大容量、小型化、高可靠性绝缘系统的严格要求。为了解决输电电压等级提高带来的高性能变压器油及油纸绝缘问题,基于纳米改性技术,开展具有优异电气性能的新型纳米油纸复合绝缘系统的研究。采用变压器油纳米添加改性技术,研究了纳米改性变压器油的制备方法,得到了纳米改性提高变压器油破坏特性的最佳配比,并对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进行了对比研究。研究发现纳米改性可以提高在较大间隙下变压器油的击穿电压,并且能显著提高其局放起始电压,改善其雷电冲击下50%放电伏秒特性曲线。基于纳米粒子介质球在电场中的极化理论,研究了粒子表面极化电荷密度分布和产生的势阱,并指出纳米粒子界面对载流子的捕获和流注的阻挡作用是较大电极间隙下纳米改性变压器油绝缘性能提高的原因。研究结果说明了纳米改性对于变压器油纸绝缘系统的性能提高提供了新的可能途径。     

基于氮化铝陶瓷添加的高导热纳米油变压器挂网应用试验研究

通过在变压器油中添加热导率高的氮化铝(AlN)陶瓷纳米颗粒,可以提高基础油的热导率;但随着混合油的热导率增大,其电气性能有所下降。文中选取的添加浓度,在满足设备电气性能的同时,也使混合油的导热性能大为提升。文中提出了纳米油变压器实际应用方案,通过试验研究了纳米油变压器自然负载、低负载运行及过负载运行工况等实际挂网运行性能,对比研究了纳米粒子的添加对变压器稳态和短时温升提升效果的差异,研究发现氮化铝纳米陶瓷粒子的添加能够加强变压器内部热量的传导,提高变压器的散热效率,但在较低的负荷工况下稳态温升降低幅度小于变压器高负载工况下短时温升的降低幅度。     

基于AlN纳米粒子改性的纳米变压器油雷电冲击特性研究

为了提高变压器油的绝缘特性,选取直径为40 nm的Al N纳米粒子,制备出不同浓度的Al N纳米改性变压器油,通过透射电子显微镜对变压器油中纳米粒子的尺寸展开研究,并对不同浓度纳米改性变压器油的雷电冲击特性进行分析。结果表明:纳米改性变压器油中的纳米粒子直径主要分布在20~500 nm之间。随着纳米粒子浓度的上升,纳米变压器油的正极性雷电冲击击穿电压比纯净变压器油提升了约50%,并随着纳米粒子浓度的上升呈现先上升后下降的趋势。根据雷电冲击特性的实验结果,利用"势井模型"解释了纳米变压器油正极性雷电冲击击穿电压比纯净变压器油升高的原因,并提出随着纳米粒子浓度的升高,由纳米粒子数密度增加导致的总捕获电荷数量增加和纳米粒子等效半径增加导致的总捕获电荷数量减少是一对竞争关系的理论,从而解释了纳米变压器油的正极性雷电冲击击穿电压先升高后下降的原因。     

纳米SiO_2粒子表面改性对其在绝缘油中分散稳定性的影响

采用六甲基二硅氮烷对纳米SiO_2粒子进行表面改性,通过XRD、FTIR、SEM、XPS等方法对改性前后纳米SiO_2的微观形貌和组成及其在绝缘油中的分散稳定性进行研究,并对改性前后绝缘油的理化及电气性能进行对比。结果表明:改性后纳米SiO_2粒子在绝缘油中的团聚现象明显减少,改善了其在绝缘油中的分散稳定性,纳米SiO_2粒子表面的疏水改性成功,改性后纳米绝缘油的击穿电压和热导率明显提高。     

纳米TiO_2的溶剂热法制备及其在新型纳米改性变压器油中的应用

采用溶剂热法合成了一种具有良好分散性的油酸修饰纳米TiO_2,然后用纳米TiO_2对变压器油进行改性,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、热失重分析(TGA)等对纳米TiO_2的结构、形貌、表面修饰状态以及纳米TiO_2改性变压器油的导热性能进行分析研究。结果表明:纳米TiO_2多为短棒状,在变压器油中具有良好的分散性。当纳米TiO_2质量分数为0.046%时,纳米TiO_2改性变压器油的导热系数提高了约10%。     

纳米改性变压器油研究进展

目前纳米改性变压器油由于其高散热性和独特的电气性能,正受到越来越广泛的关注.以近年来纳米改性变压器油的相关研究成果为基础,分析了纳米改性变压器油在导热、击穿、老化、抗水分影响以及改性油-纸相互作用等方面的特点,并介绍了目前常用的3种用于解释绝缘油介质中纳米颗粒改性机理的理论模型,最后提出了纳米改性变压器油领域后续研究需要关注的问题,即纳米颗粒材料体系的选择、高稳定性改性变压器油的制备工艺以及纳米颗粒对变压器油的改性机理.     

纳米TiO2改性纤维素纸板在油流环境下的带电特性研究

经纳米TiO₂改性纤维素纸板可以增强其击穿场强与抗老化性能,是当前电气绝缘领域研究的热点。纸板中添加纳米粒子对于变压器油流带电影响仍不明确;因此,为了揭示纳米粒子对油流带电影响与抑制机理,需测量与分析纳米改性纸板中的油流带电特性。文中以TiO₂改性纸板与未改性矿物油为研究对象,通过旋转圆盘系统测量其摩擦产生的静电电流。根据控制变量法研究了温度、纳米粒子质量分数和流速等因素对带电程度的影响,分析了纳米粒子对于油流带电影响机理;采用有限元分析方法分析了变压器油道仿真模型,对比了不同质量分数下的纳米TiO₂改性纸板制作的油道模型内部电场分布情况。研究结果表明：与未改性纸板相比,纤维素基体中添加质量分数为1%的纳米TiO₂粒子可以抑制油流带电程度,使得油道内部积累电荷后的电场分布畸变程度最小。研究结果可以为抑制变压器中的油流带电提供新方法。     

TiO2纳米粒子表面修饰对变压器油冲击击穿性能的影响

采用液相法制备了乙酸、己酸和油酸修饰的TiO2纳米粒子及其改性变压器油,利用透射电子显微镜（TEM）和傅里叶红外光谱仪（FTIR）测试表征了纳米粒子的形貌和表面修饰状态,通过测试变压器油改性前后的正冲击击穿电压和流注发展形态,研究了纳米粒子表面修饰对变压器油击穿性能的影响规律。结果表明：表面修饰纳米粒子极大地提高了变压器油的正冲击击穿电压,并显著延长了击穿时间。其中,乙酸修饰纳米粒子的改性效果最佳,将冲击击穿电压从纯油的84.73 kV提高到116.42 kV,提高了37.4%,击穿时间延长至纯油的1.68倍。纳米粒子表面修饰增大了油中浅陷阱的密度,改变了油中流注的发展形态,显著抑制了流注的发展速度,从而提高了变压器油的冲击击穿性能。     

纳米改性变压器油的热分解活化能研究

纳米改性技术在提高变压器油纸复合绝缘的击穿强度和老化性能方面已显示了极大的潜力,开展纳米材料改性变压器油（简称：纳米变压器油）热分解过程及其热稳定性的研究对于其实际应用至关重要。基于热反应动力学理论,采用热重法测试分析了TiO2纳米变压器油在5种不同升温速率（5、10、15、20和25 ℃/min）下的热分解过程,利用微分法和积分法分别计算了纳米变压器油样的主要动力学参数。结果表明纳米变压器油的平均热分解反应活化能可达61.38 kJ/mol,活化能的数值受计算方法的影响,其中FWO方法计算结果最为可信,其线性相关系数高达0.997 80,利用此方法计算得到的TiO2纳米变压器油的热分解反应活化能为63.37 kJ/mol。该研究结果表明纳米材料改性有利于提高变压器油的活化能,提高其热分解稳定性,这种方法为评估纳米变压器油的热稳定性及其综合性能提供了参考。     

半导体纳米粒子改性变压器油的绝缘性能及机制研究

磁性导电纳米粒子可以提高变压器油的导热和绝缘特性,但其分散性极易受到磁场的影响,不利于变压器油性能的改善。利用半导体纳米粒子对变压器油进行改性,测量了改性前后变压器油的工频击穿特性、雷电击穿特性和局部放电特性,可知半导体纳米粒子不仅可以使变压器油的工频和雷电击穿电压提高至未改性变压器油的1.2倍,而且可以改善变压器油的局部放电特性。由于现有的电子捕捉理论无法解释这种现象,利用热刺激电流(thermally stimulated current,TSC)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。     

直流电压下TiO2纳米改性变压器油中电晕放电特性及机理

电晕放电作为变压器油中局部放电主要形式之一,危害换流变压器的安全运行。纳米改性可以提高变压器油的绝缘性能,但直流电压下电晕放电的改性效果和机理研究不足。为此制备了二氧化钛纳米改性变压器油,采用针板缺陷进行了电晕放电过程中的图像拍摄、脉冲电流及光脉冲的测量,并测量了油中的电荷输运特性。研究发现,负极性直流电压下,纳米变压器油的击穿电压提高了23.8%;电晕放电强度也明显降低:外施电压50 kV时,纳米变压器油中电晕发光面积减小了86.0%,光脉冲和电流脉冲的频率分别减小75.6%和76.3%,幅值分别减小92.8%和78.6%。纳米粒子抑制电晕放电是因为纳米粒子向变压器油中引入更多浅陷阱促使电子从电离区逃脱,同时其极化捕捉作用削弱了电子碰撞电离,抑制了电子崩起始;此外带负电的纳米粒子的形成相当于增加了负离子数量、降低了其迁移率,从而降低了针尖处电场强度。该研究可为直流电压下变压器油电晕放电的抑制方法和纳米粒子的选型提供依据。     

直流电压下纳米改性变压器油流场测试与分析

纳米改性变压器油在导热性和介电强度上较普通变压器油均有显著提高,具有广泛的应用前景。针对纳米改性变压器油强化传热机理,采用粒子图像测试技术(particle image velocimetry,PIV)测试了纳米改性变压器油在直流电场下的流场分布,并与普通变压器油流场进行了对比分析。试品放在有机玻璃杯内,电极为相距1cm的两圆形平面电极以产生均匀电场,示踪粒子为直径为10μm的中空玻璃球;流场测试平面为电极的中心面,分别施加10,15,20k V的直流高压。结果表明:纳米改性变压油在电场下的流场比普通变压器油流场更有规律性,流速场由正极板到负极板逐渐减慢,比普通变压器油在电场下平均流速更快,说明纳米颗粒的添加使得整个变压油的流动性质发生了变化,使得变压器油的散热效果更好,这也是纳米改性变压器油导热性增强的原因之一,并间接证明了双电层结构假设的正确性。     

基于修正的Havriliak-Negami模型的SiO_2纳米改性变压器油宽频介电弛豫特性

为了掌握纳米改性变压器油介电性能,探索纳米改性内在机理,对Si O2纳米改性变压器油介质损耗特性进行了试验研究。首先在室温条件下分别对纯变压器油和Si O2纳米改性变压器油的宽频介电谱进行测试,然后引入修正的Havriliak-Negami模型方程对实测结果进行拟合,并从该模型中提取了相应的介电参数用于分析纳米油介电性能的变化规律。试验结果表明,与纯变压器油介电谱相比,Si O2纳米油介电谱的低频段电导损耗降低了,而中高频段极化损耗增加了。经分析与讨论,可认为Si O2纳米颗粒添加到变压器油中,纳米颗粒与油分子形成微观双电层结构,其增加了纳米流体中载流子跃迁势垒,致使纳米油宏观介电性能发生一定程度改变。     

纳米改性变压器油制备与绝缘特性研究现状

目前纳米变压器油由于其高散热性和高绝缘性能受到越来越广泛的关注。以近年来纳米变压器油和纳米油纸复合系统的研究现状为基础,分析了纳米变压器油的制备及其导热性能和电气性能(如击穿、局部放电、老化、抗水分特性等),同时分析了纳米油纸系统的制备及其电气性能(如击穿、局部放电等),并分别介绍了目前常用的3种用于解释绝缘油介质和油纸复合系统介质中纳米颗粒改性机理的模型,最后提出了纳米变压器油领域后续研究需要关注的问题,即纳米粒子材料的选择,低成本、高性能纳米粒子的制备,纳米粒子对纳米油电导率和介质损耗的影响,纳米粒子对油纸复合系统的影响。