- 頭條往變壓器油中加入納米顆粒，有啥好處？西安交大科研人員發布成果2021-04-01 作者：董明 楊凱歌 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語將納米顆粒添加到變壓器油中形成納米改性變壓器油，不僅可以改善變壓器油的散熱能力，還可以提高其絕緣水平。研究納米改性變壓器油的載流子輸運特性，對納米改性變壓器油性能提升原因的解釋和納米改性機制理論的完善具有重要意義。 西安交通大學電氣工程學院的董明、楊凱歌、馬馨逸、胡一卓、謝佳成、徐廣昊，在2021年第21期《電工技術學報》上撰文指出，納米顆粒的加入增加了界面勢壘的厚度，減少了通過勢壘進入界面區域的電子，且由于納米顆粒對電子的捕獲作用，增加了由歐姆階段過渡到隧道效應階段的電場強度，提高了絕緣強度；空間電荷限制電流飽和階段，納米顆粒的加入增加了變壓器油的陷阱密度，降低了載流子的遷移率，抑制了放電的發生。
隨著電力系統電壓等級和輸電距離的提升，傳統油浸式電力設備正向著高耐壓、大容量、高可靠性等方面不斷發展，對設備絕緣的耐壓性能以及散熱能力提出了更高的要求。為了適應這一發展趨勢，納米改性絕緣材料應運而生。納米流體的概念最早由U. S. Choi在1995年提出，并在1998年由V. Segal等將此概念推廣到納米改性變壓器油中，以提高其絕緣和散熱性能。
納米改性變壓器油是指將一定質量的直徑小于100nm的固體納米顆粒通過一定分散方法均勻分散到變壓器油中形成的穩定膠體體系。研究發現，納米改性變壓器油較普通變壓器油在耐壓、導熱、抗老化和抗水分等方面都有較為明顯的優勢。
載流子是指可以自由移動的帶電的物質微粒，載流子的定向移動形成電導過程，通過對電導電流的測量，可以分析得到載流子的輸運特性。載流子遷移速度與電場強度的比值為載流子的遷移率，根據載流子遷移率變化可以分析得到電荷的傳輸特性。
W. F. Schmidt總結了與液體電介質中電擊穿過程的起始和發展密切相關的基本過程，包括電極過程、液相離子化、氣泡形成以及擊穿演化過程。M. Butcher等對普通變壓器油高場下的電導過程進行測試和分析，并將電導過程分為三個階段：歐姆電阻階段、隧道效應階段以及空間電荷限制電流飽和階段。周遠翔等對變壓器油的電導電流變化及各因素對其影響進行詳細論述，但忽略了隧穿效應對電導過程的影響。F. Negri對磁流體的電導特性進行研究，但由于鐵磁性納米顆粒的加入，穩定性受電壓等級影響很大，沒有測得空間電荷限制電流飽和階段的電導特性。
目前，納米顆粒對變壓器油絕緣特性的改性機制的相關理論尚不成熟，國內外學者對納米改性變壓器油的研究還僅限于簡單的理論分析。杜岳凡等利用熱刺激電流法對改性前后變壓器油中的陷阱特性進行了測試，結果表明，納米粒子的加入增加了變壓器油中的淺陷阱密度，提高了變壓器油對電荷的消散和輸運能力，從而能夠改善變壓器油的絕緣性能。
Lü Yuzhen等用純的老化變壓器油與加入TiO2納米改性的老化變壓器油做交流擊穿電壓與脈沖電壓試驗測試，結果發現，在變壓器油中分散性和穩定性良好的TiO2納米顆粒，可以大大提高老化變壓器油的介電擊穿性能。施健等建立了納米粒子改性變壓器油的場致分子電離流注發展模型，通過仿真獲得并對比納米改性變壓器油和純油中流注發展過程中的電場、空間電荷、流注半徑、流注發展速率等參數，發現納米改性變壓器油絕緣性能提高的根本原因是納米粒子對電子的捕獲。
葛揚首次實現了純油和納米變壓器油在沖擊高電場下的電子遷移率測量。結果表明，納米粒子顯著提高了變壓器油中的電子遷移率，納米變壓器油中淺陷阱密度變大，電子遷移率變快，流注發展變慢，擊穿電壓變高。在外部電場下，電介質從電傳導到電擊穿整個過程都與載流子的輸運有密切關系，載流子定向運動形成電導電流，載流子的輸運特性可以揭示電導本質；電介質高直流電場強度下的載流子運動對于理解預擊穿過程有重要作用。
西安交通大學電氣工程學院的研究人員首次對納米改性變壓器油在強電場下的電導電流進行測量，通過不同電場強度下納米改性前后變壓器油的直流電導特性，比較和分析了載流子的運動過程及特征，對納米變壓器油性能得到提升的原因和納米粒子的改性機制進行了闡釋。通過對納米改性變壓器油電導電流及載流子流速場的分析，得到了載流子在不同電場下，尤其強電場下的輸運特性，并解釋了納米顆粒的作用機制，進一步完善了納米顆粒對變壓器油的改性機理。
圖1 ZnO納米顆粒的TEM照片
納米改性變壓器油在不同電場下載流子輸運過程可以分為歐姆電阻階段、隧穿效應階段和空間電荷限制電流飽和階段三個階段：
圖2 TSDC 測試方案
圖3 變壓器油TSDC測試結果
1）在歐姆電阻階段，電流I與電場強度E成正比關系，納米顆粒的加入增加了載流子的數密度，使得電導電流增加。
2）在隧道效應階段，ln(I/E2)與E-1成正比關系，載流子由液體中的離子和荷電膠粒轉變為電極發射出的電子，電子電導起主導作用，隨電場強度的增加，載流子遷移率逐漸增大。納米顆粒的加入增加了界面勢壘的厚度，減少了通過勢壘進入界面區域的電子，且由于納米顆粒對電子的捕獲作用，增加了由歐姆階段過渡到隧道效應階段的電場強度，提高了絕緣強度。
3）在空間電荷限制電流飽和階段，I與E2成正比關系，納米顆粒的加入增加了變壓器油的陷阱密度，降低了載流子的遷移率，有利于抑制放電的發生。
根據以上三個階段的討論，可以發現，盡管納米粒子的添加增大了變壓器油低電場強度下的電導率，但納米粒子對強電場下電擊穿過程的抑制作用更為突出。
在未來的工作中。應采用不同的試驗手段，嘗試從不同角度探索納米顆粒在變壓器油中的作用機制，包括在改善絕緣特性方面納米顆粒對變壓器油中運動電荷的抑制作用，抗水分、抗老化方面納米顆粒的界面效應，以及導熱方面納米顆粒的強化效應等，這對進一步完善納米顆粒改性機理，推動納米改性變壓器油的工程應用具有重要意義。
以上研究成果發表在2020年第21期《電工技術學報》，論文標題為“納米改性變壓器油中載流子輸運特性分析”，作者為董明、楊凱歌、馬馨逸、胡一卓、謝佳成、徐廣昊。
