TiO2納米粒子對高水分變壓器油中電荷輸運的影響

周 游 陳牧天 呂玉珍 王 蔚 李成榕

(1. 華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室 北京 102206 2. 華北電力大學能源動力與機械工程學院 北京 102206 3. 國家電網公司湖南省電力公司檢修公司 長沙 41000)

1 引言

變壓器油作為變壓器內部絕緣的主要介質，其絕緣性能的優劣直接影響變壓器的運行可靠性。在變壓器的生產、運輸和運行的過程中，不可避免地會由于和外界空氣接觸或者是內部絕緣紙板的老化產生水分[1-3]。研究發現：水分通常聚集于最危險的高場強區，導致電荷積累引起電場畸變，同時還與顆粒雜質相結合，降低變壓器油的局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）和擊穿強度[4-6]。因此，削弱水分對變壓器油中電荷的積累作用，抑制水分對變壓器油絕緣性能的劣化作用，對于保障變壓器安全運行具有重要意義。

納米改性技術在絕緣材料領域的應用是目前的研究熱點，在液體絕緣介質性能提高方面也顯示了極大的潛力[7-10]。1998 年，V. Segal等人[7]發現 Fe3O4磁性導電納米粒子不僅可以提高變壓器油的工頻擊穿電壓，而且隨著油中水分含量的增加，納米粒子對變壓器油擊穿強度的改善效果更加突出。為了避免磁性納米粒子分散性受外界磁場影響的問題[8]，本課題組[11,12]開發出了由半導體 TiO2納米粒子改性的變壓器油，結果發現TiO2納米粒子不僅可以降低水分對變壓器油工頻擊穿強度的影響，而且能夠提高電荷在變壓器油中的消散速率。在此基礎上，本文進一步測試分析了水分含量對變壓器油（純油）和TiO2納米改性變壓器油（納米油）工頻擊穿強度和局部放電特性的影響規律，對比分析了高水分含量條件下純油和納米油中空間電荷的注入和消散特性，提出了TiO2納米粒子對高水分含量變壓器油的改性機制。

2 實驗

2.1 樣品制備

實驗采用我國特高壓變壓器選用的克拉瑪依25號變壓器油，過濾處理使油中顆粒雜質含量滿足CIGRE12.17對絕緣油提出的要求[5]。利用超聲處理法將適量 TiO2半導體納米粒子（粒徑小于 20nm，電導率 σ = 1×10-11S·m-1）均勻分散到純油中，制得體積百分比濃度為0.075%的納米變壓器油。

將純油和納米油置于80℃的真空環境中24h進行脫氣干燥，排除油中溶解氣體對試驗結果的影響。然后，將樣品置于恒溫恒濕箱中，通過調節恒溫恒濕箱內空氣的溫度和濕度，獲得相對水含量（Relative Humidity, RH）分別為10%、20%、40%、60%、80%的樣品[14,15]。油樣中的水分含量均采用 Metrohm 831庫倫法微量水測定儀測量。

2.2 工頻擊穿試驗

按照IEC 60156標準，利用保定建通油介電強度測試儀測量變壓器油的工頻擊穿電壓。試驗采用直徑為36mm，電極工作面為25mm的球蓋型（蘑菇型）黃銅電極結構，電極間距為2mm，以升壓速率為2kV·s-1的方式勻速加壓直至樣品擊穿。首次加壓前靜置 5min，其余試驗相鄰擊穿間隔為 1min，攪拌子自動攪拌試樣。每個油樣進行30次的工頻擊穿測量。

2.3 局部放電起始電壓（PDIV）

按照IEC 1294標準，對比測試不同水分含量下的純油及納米油局部放電特性。實驗采用針-球電極，針電極長為 25mm，針尖曲率半徑為 3μm，球電極半徑12.7 mm，電極間距為50mm。利用LDS-6局部放電檢測儀對局部放電進行測量和采集。測量時，以1kV·s-1的速度從0開始增加電壓直到視在放電電荷大于100pC的局部放電出現，記錄該電壓值并迅速降至零。對每組試樣進行測試 20次重復測量，每次施加電壓的間隔為至少1min，求取各測量值的平均值為 PDIV。為了研究不同試樣的局部放電特性，對所有試樣持續施加2倍 PDIV，記錄 10min內的放電脈沖，并繪制局部放電Q-N-Φ譜圖。

2.4 脈沖電聲法（PEA）

為了研究納米粒子對高水分變壓器油絕緣性能的改性機理，利用脈沖電聲（Pulse Electro-Acoustic，PEA）法測試了不同水分條件下純油和納米油中電荷分布及消散特性。PEA測量裝置示意圖如圖 1所示，上電極為10mm厚銅制陰極電極，下電極為10mm厚鋁制陽極并粘附有聲電傳感器，100μm厚度待測試油樣位于兩電極之間。實驗時，對其施加-16kV·mm-1負極性直流高壓以向試樣中注入空間電荷。在試樣上施加600V/5ns脈寬脈沖，通過其產生的電場和空間電荷之間的相互作用產生的聲壓波計算出試樣中電荷分布情況。對所有樣品在不同時間點進行30min加壓過程中空間電荷積累和斷開直流源后的電荷衰減特性測量。

圖1 PEA試驗裝置示意圖Fig.1 Experimental setup for PEA test

3 實驗結果及討論

3.1 不同水分含量條件下工頻擊穿特性

不同水分含量條件下純油及納米油的工頻平均擊穿電壓如圖2所示。可以看出，納米油和純油的擊穿電壓均隨油中水分含量的增加而降低，水分的增加會大大降低變壓器油的工頻擊穿強度。尤其是當相對水分含量從20%增大到40%時，純油的工頻擊穿電壓從 62.3kV陡降至 30.8kV。在較低水分含量下，純油和納米油擊穿電壓幾乎相同。隨著油中水分的增加，納米油的工頻擊穿電壓開始高于純油。當相對水分含量為80%時，納米油的工頻擊穿電壓是對應純油的2.2倍，與30%相對水分含量的純油的擊穿電壓接近。該結果表明TiO2納米粒子能夠顯著抑制水分對變壓器油工頻擊穿強度的劣化作用。

圖2 不同水分含量純油及納米油工頻擊穿電壓Fig.2 AC breakdown voltage of pure oil and nanofluid in different humidity

絕緣介質的低概率擊穿電壓對于變壓器的設計具有重大的意義[15,16]。大量研究表明威布爾分布是對絕緣介質擊穿電壓統計分析的有效方法之一[17-19]。本文以高水分含量（80%RH）純油和納米油為研究對象，對其工頻擊穿電壓進行了統計分析，結果如圖 3所示，油樣的擊穿數據均很好地服從威布爾分布。

基于威布爾分析的80%相對水分含量純油和納米油的63.2%概率和5%概率擊穿電壓見表1。納米油的 63.2%和 5%概率擊穿電壓分別達到了純油的2.2和2.46倍，進一步表明TiO2納米粒子可以大幅度提高高變壓器油的耐水分劣化性。

圖3 80%RH純油和納米油工頻擊穿試驗結果的威布爾擬合曲線Fig.3 Weibull fitting of AC breakdown voltages of 80%RH pure oil and nanofluid

表1 80%RH純油和納米油工頻擊穿電壓計算結果Tab.1 Calculation of breakdown voltage of 80%RH pure oil and nanofluid

3.2 不同水分含量條件下PDIV對比測試

不同水分含量條件下的純油及納米油 PDIV如圖4所示。兩類油樣的PDIV值隨油中水分含量的變化趨勢接近，當相對濕度超過 40%時，PDIV值發生明顯下降。與純油相比，各水分含量的納米油的PDIV均高于純油。當相對濕度增加到80%時，納米油的PDIV仍是對應純油的1.1倍。由此可見，TiO2納米粒子可以抑制不同水分含量變壓器油中的局部放電產生。

圖4 不同水分含量純油及納米油局放起始電壓Fig.4 PDIV of pure oil and nanofluid in different humidity

為了進一步對比研究納米粒子對變壓器油中局部放電的抑制作用，對高水分含量純油和納米油施加2倍對應的局部放電起始電壓，保持10min并同時檢測其中的局部放電現象，局部放電譜圖如圖 5所示，統計結果見表 2。從測試結果可以看出，在記錄時間內，納米油中的放電次數、總放電量和最大放電電流都遠小于純油。這進一步表明TiO2納米粒子可以抑制高水分含量變壓器油中的局部放電現象的發生和發展，減少局部高場強對變壓器油和絕緣紙板的損害。

圖5 80%RH純油及納米油2倍PDIV下局部放電譜圖Fig.5 Q-N-Φ Diagram for 80%RH transformer oil and nanofluid under 2 times PDIV

表2 2倍PDIV下80%RH純油和納米油的局部放電特性Tab.2 PD test statistics of 80%RH pure oil and nanofluid under 2 times PDIV

4 機理分析

變壓器油的絕緣強度與其在電場作用下介質內部的空間電荷及電場的分布情況密切相關[20-22]。在直流高壓作用下，10%相對水分條件下的純油及納米油中電場分布隨時間變化情況如圖6所示。加壓30min后，純油中最大場強從 21kV·mm-1下降到17kV·mm-1，而納米油中最大場強從 18.5kV·mm-1下降到 17.5kV·mm-1。由于油樣中水分含量極少，在長時間電壓作用下，純油和納米油內部電場并沒有產生嚴重畸變。

圖6 10%RH純油及納米油中電場分布Fig.6 Electric field distribution for transformer oil and nanofluid with 10%RH

研究表明，較高的水分會導致變壓器油中電荷的積累，造成電場的畸變[23]，相對含水量為80%時純油及納米油中電場分布隨時間變化情況如圖 7所示。隨著施加電壓時間的增加，純油陽極附近電場產生明顯畸變，30min后油中最大場強從18kV·mm-1上升到27kV·mm-1，達到了平均場強的1.66倍。與此相反，納米油中電場隨著加壓時間的增加逐漸變得均勻，其最大場強從 25.5kV·mm-1下降到 17.5 kV·mm-1，僅為平均場強的1.17倍。

圖7 80%RH純油及納米油中電場分布Fig.7 Electric field distribution for transformer oil and nanofluid with 80%RH

絕緣介質中空間電荷的減少及重新分布與電荷的消散特性有關[24]，因此，對純油和納米油中的電荷消散特性進行了研究，結果如圖8所示。由于聲波在油樣內部的衰減和散射作用導致 PEA測試曲線在陽極處峰值明顯而陰極處較平緩，因此采用陽極附近最大電荷密度進行電荷衰減速率計算[25]。在關閉電源后的16s內，純油中電荷密度從18.51C·m-3下降至 9.35C·m-3；而納米油中電荷密度從 14.94C·m-3迅速下降到 5.07C·m-3，其電荷消散速率是純油中的 1.5倍。由此可見，TiO2納米粒子可以使變壓器油中的電荷快速消散，抑制了空間電場的畸變和局部高強場的產生，從而提高了變壓器油的工頻擊穿強度和局放特性。

圖8 80%RH純油及納米油中電荷消散特性Fig.8 Characteristics of decay of space charge for 80%RH transformer oil and nanofluid

5 結論

本文利用 TiO2半導體納米粒子對變壓器油的絕緣性能進行了改性研究，測量了不同水分含量下變壓器油和納米油的工頻擊穿電壓和局部放電特性，對比分析了高水分含量下變壓器油和納米油中由于電荷積累導致的電場畸變以及撤壓后電荷消散特性，提出了高水分含量下納米粒子對變壓器油絕緣特性的可能的影響機理，得出主要結論如下：

（1）TiO2納米粒子可以顯著增強高水分變壓器油的工頻擊穿強度，在相對濕度為80%時，可將變壓器油的工頻擊穿電壓提高至純油的2.2倍。

（2）在同樣的電壓作用下，高水分含量的納米油中的局部放電次數、總放電量和最大放電電流都遠小于純油。TiO2納米粒子可以顯著抑制高水分含量的變壓器油中局部放電現象，減輕其對油和紙板的損害。

（3）TiO2納米粒子可以加快高水分含量變壓器油中的電荷消散速率，防止由于水分增大引起的電荷積累和電場畸變現象，從而提高了高水分變壓器油的絕緣性能。

[1] 王夢云. 110kV及以上變壓器事故統計與分析[J].供用電, 2005, 22(2): 10-14.Wang Mengyun. Faults statistics and analysis for equipments of transformers type in SG system in 2002- 2003[J]. Distribution & Utilization, 2005, 22(2):10-14.

[2] 王夢云, 薛辰東. 1995-1999年全國變壓器類設備事故統計與分析[J]. 電力設備, 2001, 2(1): 14-22.Wang Mengyun, Xue Chendong. Nation-wide statistics and analysis on power transformers faults in 1995-1999[J]. Electrical Equipment, 2001, 2(1): 14-22.

[3] 廖瑞金, 桑福敏, 劉剛, 等. 變壓器不同油紙絕緣組合加速老化時油中水分和酸值含量研究[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(4): 125-131.Liao Ruijin, Sang Fumin, Liu Gang, et al. Study on generation rate of characteristic products of oil-paper insulation aging[J]. Proceedings of the CSEE, 2010,30(4): 125-131.

[4] M Hasheminezhad, E Ildstad, A Nysveen. Electrical breakdown strength of interfaces between solid insulation and transformer oil with variable water content[C]. IEEE Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2008: 575-578.

[5] Wang X, Wang Z D. Particle effect on breakdown voltage of mineral and ester based transformer oils[C].IEEE Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2008: 598-602.

[6] Fofanali, Wasserbery V, Borsi H, et al. Challenge of mixed insulating liquids for use in high voltage transformers: part 1[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2002, 18(4): 18-31.

[7] Segal V, Hjortsberg A, Rabinovich A, et al. AC(60Hz)and impulse breakdown strength of a colloidal fluid based on transformer oil and magnetite nanoparticles[C]. IEEE International Symposium on Electrical Insulation Arlington, VA, USA: IEEE, 1998: 619-622.

[8] Kopcansky P, Tomco L, Marton K, et al. The DC dielectric breakdown strength of magnetic fluids based on transformer oil[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, 289(3): 415-418.

[9] 杜岳凡, 呂玉珍, 李成榕, 等. 半導體納米粒子改性變壓器油的絕緣性能及機制研究[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(10), 177-182.Du Yuefan, Lü Yuzhen, Li Chengrong, et al. Insulating property and mechanism of semiconducting nanoparticles modified transformer oils[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(10): 177-182.

[10] Chiesa M, Das S K. Experimental investigation of the dielectric and cooling performance of colloidal suspensions in insulating media[J]. Colloids and Surf-aces A:Physicochemical and Engineering Aspects, 2009,335(5): 88-97.

[11] Du Y F, Lv Y Z, Li C R, et al. Effect of electron shallow trap on breakdown performance of transformer oil-based nanofluids[J]. Journal of Applied Physics,2011, 110: 104104.

[12] Du Y F, Lv Y Z, Li C R, et al. Effect of semiconductive nanoparticles on insulating performances of transformer oil[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2012, 19(3): 770-776.

[13] Du Y F, Lv Y Z, Li C R, et al. Effect of water adsorption at nanoparticle–oil interface on charge transport in high humidity transformer oil-based nanofluid[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2012, 415: 153-158.

[14] Du Y, Zahn M, Lesieutre B C, et al. Moisture equilibrium in transformer paper-oil systems[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 1999, 15(1): 11-20.

[15] Maik K, Stefan T, Tobias S. Diagnostic application of moisture equilibrium for power transformers[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2010, 25(4):2574-2581.

[16] Liu Q, Wang Z D. AC and lightning breakdown strength of mineral oil nytro gemini X and 10 GBN[C]. International Electrical Insulation Conference.Birmingham. UK: INSUCON, 2009: 14-19.

[17] Martin D, Wang Z D. Statistical analysis of the AC breakdown voltages of ester based transformer oils[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, 15(4): 1044-1050.

[18] Abernethyd R B. The new Weibull handbook[M]. 5th ed. Florida: R. B. Abernethy, 2006.

[19] IEC 62539-2007, IEC/IEEE Guide for the Statistical Analysis of Electrical Insulation Breakdown Data[S].[20] Nelson J K, Fothergill J C. Internal charge behaviour of nanocomposites[J]. Nanotechnology, 2004, 15(5):586-595.

[21] Chen G, Fu M, Liu X Z, et al. Ac aging and spacecharge characteristics in low-density polyethylene polymeric insulation[J]. Journal of Applied Physics,2005, 97(8): 083713-083713-7.

[22] Alison J M. A high field pulsed electro-acoustic apparatus for space charge and external circuit current measurement within solid insulators[J]. Measurement Science Technology, 1998, 9(10): 1737.

[23] Takashi M, Yasuhide N, Tatsuo T. Determination of electric field distribution in oil using the Kerr-effect technique after application of DC voltage[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1990, 25(3):475-480.

[24] Tanaka T. Dielectric nanocomposites with insulating properties[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(5): 914-928.

[25] Zhou T C, Chen G, Liao R J, et al. Charge trapping and detrapping in polymeric materials: Trapping parameters[J]. Journal of Applied Physics, 2011,110(4): 043724-043724-6.