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隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)和輸電距離的提升，傳統(tǒng)油浸式電力設(shè)備正向著高耐壓、大容量、高可靠性等方面不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)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(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，納米改性絕緣材料應(yīng)運(yùn)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(zhì)量的直徑小于100nm的固體納米顆粒通過(guò)一定分散方法均勻分散到變壓器油中形成的穩(wěn)定膠體體系。研究發(fā)現(xiàn)，納米改性變壓器油較普通變壓器油在耐壓、導(dǎo)熱、抗老化和抗水分等方面都有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

載流子是指可以自由移動(dòng)的帶電的物質(zhì)微粒，載流子的定向移動(dòng)形成電導(dǎo)過(guò)程，通過(guò)對(duì)電導(dǎo)電流的測(cè)量，可以分析得到載流子的輸運(yùn)特性。載流子遷移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度的比值為載流子的遷移率，根據(jù)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(jié)了與液體電介質(zhì)中電擊穿過(guò)程的起始和發(fā)展密切相關(guān)的基本過(guò)程，包括電極過(guò)程、液相離子化、氣泡形成以及擊穿演化過(guò)程。M. Butcher等對(duì)普通變壓器油高場(chǎng)下的電導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行測(cè)試和分析，并將電導(dǎo)過(guò)程分為三個(gè)階段：歐姆電阻階段、隧道效應(yīng)階段以及空間電荷限制電流飽和階段。周遠(yuǎn)翔等對(duì)變壓器油的電導(dǎo)電流變化及各因素對(duì)其影響進(jìn)行詳細(xì)論述，但忽略了隧穿效應(yīng)對(duì)電導(dǎo)過(guò)程的影響。F. Negri對(duì)磁流體的電導(dǎo)特性進(jìn)行研究，但由于鐵磁性納米顆粒的加入，穩(wěn)定性受電壓等級(jí)影響很大，沒(méi)有測(cè)得空間電荷限制電流飽和階段的電導(dǎo)特性。

目前，納米顆粒對(duì)變壓器油絕緣特性的改性機(jī)制的相關(guān)理論尚不成熟，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)納米改性變壓器油的研究還僅限于簡(jiǎn)單的理論分析。杜岳凡等利用熱刺激電流法對(duì)改性前后變壓器油中的陷阱特性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)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(duì)電荷的消散和輸運(yùn)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(yàn)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在變壓器油中分散性和穩(wěn)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(chǎng)致分子電離流注發(fā)展模型，通過(guò)仿真獲得并對(duì)比納米改性變壓器油和純油中流注發(fā)展過(guò)程中的電場(chǎng)、空間電荷、流注半徑、流注發(fā)展速率等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)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(duì)電子的捕獲。

葛揚(yáng)首次實(shí)現(xiàn)了純油和納米變壓器油在沖擊高電場(chǎng)下的電子遷移率測(cè)量。結(jié)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(fā)展變慢，擊穿電壓變高。在外部電場(chǎng)下，電介質(zhì)從電傳導(dǎo)到電擊穿整個(gè)過(guò)程都與載流子的輸運(yùn)有密切關(guān)系，載流子定向運(yùn)動(dòng)形成電導(dǎo)電流，載流子的輸運(yùn)特性可以揭示電導(dǎo)本質(zhì)；電介質(zhì)高直流電場(chǎng)強(qiáng)度下的載流子運(yùn)動(dòng)對(duì)于理解預(yù)擊穿過(guò)程有重要作用。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員首次對(duì)納米改性變壓器油在強(qiáng)電場(chǎng)下的電導(dǎo)電流進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)不同電場(chǎng)強(qiáng)度下納米改性前后變壓器油的直流電導(dǎo)特性，比較和分析了載流子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及特征，對(duì)納米變壓器油性能得到提升的原因和納米粒子的改性機(jī)制進(jìn)行了闡釋。通過(guò)對(duì)納米改性變壓器油電導(dǎo)電流及載流子流速場(chǎng)的分析，得到了載流子在不同電場(chǎng)下，尤其強(qiáng)電場(chǎng)下的輸運(yùn)特性，并解釋了納米顆粒的作用機(jī)制，進(jìn)一步完善了納米顆粒對(duì)變壓器油的改性機(jī)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(chǎng)下載流子輸運(yùn)過(guò)程可以分為歐姆電阻階段、隧穿效應(yīng)階段和空間電荷限制電流飽和階段三個(gè)階段：

圖2 TSDC 測(cè)試方案

圖3 變壓器油TSDC測(cè)試結(jié)果

1）在歐姆電阻階段，電流I與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比關(guān)系，納米顆粒的加入增加了載流子的數(shù)密度，使得電導(dǎo)電流增加。

2）在隧道效應(yīng)階段，ln(I/E2)與E-1成正比關(guān)系，載流子由液體中的離子和荷電膠粒轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌O發(fā)射出的電子，電子電導(dǎo)起主導(dǎo)作用，隨電場(chǎng)強(qiáng)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(shì)壘的厚度，減少了通過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入界面區(qū)域的電子，且由于納米顆粒對(duì)電子的捕獲作用，增加了由歐姆階段過(guò)渡到隧道效應(yīng)階段的電場(chǎng)強(qiáng)度，提高了絕緣強(qiáng)度。

3）在空間電荷限制電流飽和階段，I與E2成正比關(guān)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(fā)生。

根據(jù)以上三個(gè)階段的討論，可以發(fā)現(xiàn)，盡管納米粒子的添加增大了變壓器油低電場(chǎng)強(qiáng)度下的電導(dǎo)率，但納米粒子對(duì)強(qiáng)電場(chǎng)下電擊穿過(guò)程的抑制作用更為突出。

在未來(lái)的工作中。應(yīng)采用不同的試驗(yàn)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(jī)制，包括在改善絕緣特性方面納米顆粒對(duì)變壓器油中運(yùn)動(dòng)電荷的抑制作用，抗水分、抗老化方面納米顆粒的界面效應(yīng)，以及導(dǎo)熱方面納米顆粒的強(qiáng)化效應(yīng)等，這對(duì)進(jìn)一步完善納米顆粒改性機(jī)理，推動(dòng)納米改性變壓器油的工程應(yīng)用具有重要意義。

以上研究成果發(fā)表在2020年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“納米改性變壓器油中載流子輸運(yùn)特性分析”，作者為董明、楊凱歌、馬馨逸、胡一卓、謝佳成、徐廣昊。