冲击电压下纳米改性液体电介质空间电荷分布特性研究

摘要

电力系统安全、稳定、可靠的运行离不开液体电介质的优良电气性能，尤其是液体电介质的绝缘击穿性能。电介质的绝缘性能与其内部电场分布存在着重要关系，电介质内部的电场分布受电介质内部空间电荷影响，因此研究如何测量液体电介质中的电场和空间电荷分布特性有着重要的实际意义和理论价值。同时，研究表明：在液体电介质中添加纳米粒子可以提高液体电介质的绝缘击穿强度。纳米粒子提高电介质的绝缘击穿强度与纳米粒子对液体电介质中空间电荷分布、输运特性的影响有关。目前为止，纳米粒子对液体电介质改性机理的研究主要是理论放电仿真模型研究和直流电压下空间电荷消散特性的试验和理论研究，而液体电介质的冲击击穿又有其重要的电气特性，其冲击电压持续时间较短，纳米粒子在冲击电压作用下对空间电荷的作用机制是否与直流或交流一致还有待试验研究。
　　本文选择非导电纳米Al2O3粒子改性液体电介质碳酸丙烯酯，制得了纳米改性碳酸丙烯酯流体，测量了纯净碳酸丙烯酯和纳米改性碳酸丙烯酯的板板击穿电压，测量结果显示添加纳米改性后的碳酸丙烯酯击穿电压较纯净碳酸丙烯酯提高了26.42％。为进一步分析其提高机理，本文基于Kerr电光效应法测量对比了纳米改性前后碳酸丙烯酯中空间电荷和电场的分布特性，试验结果表明：添加的纳米粒子在液体电介质中引入了捕获电荷的“势阱”，从快速移动的电荷很可能被纳米改性碳酸丙烯酯中的“势阱”捕获，将快速移动的电荷转换成了迁移率很低的带电纳米颗粒，使其在电介质内部迁移的有效距离缩短，从而导致大部分空间电荷滞留积累于靠近同极性电极侧；滞留积累于极板附近的同极性电荷削弱了极板界面电场，从而抑制了电极向液体电介质中注入电荷，基于以上两种因素导致空间电荷减少，电场较纯净碳酸丙烯酯均匀，消散了快速移动的电荷从电场中获得的能量，抑制了流注的发展，从而提高了碳酸丙烯酯的绝缘击穿强度。
　　Kerr电光效应法能测量液体中电场和空间电荷分布，但传统高Kerr常数的测量系统无法适用于电力系统中常用的液体电介质（变压器油）这种低Kerr常数电场与空间电荷的测量。鉴于以上因素，本文对传统高Kerr常数测量系统进行了改进，改进措施主要是加长极板和提高光接收装置的灵敏度两个方面，通过试验验证了改进系统的测量准确度。本文选择四氧化三铁纳米粒子改性变压器油，制得了纳米改性变压器油流体，测量了纯净变压器油和纳米改性变压器油的板板电极、针板电极冲击击穿电压，试验结果显示：针板电极的正、负操作冲击击穿电压提高幅度分别为44.3%与8.12%；板板电极正极性击穿电压提高幅度为8.3%。为进一步分析其提高机理，利用改进的Kerr电光效应法测量了纯变压器油和纳米改性变压器油中空间电荷及电场分布特性图。试验结果表明：纳米改性变压器油中较纯变压器油中空间电荷少。不同空间电荷量导致变压器油中不同电场分布，纳米改性变压器油中电场较纯变压器油均匀。分析认为，纳米粒子的加入引进了“势阱”，快速移动的电荷很可能被“势阱”捕获，将快速移动的电荷转换成了迁移率很低的带电纳米颗粒，抑制了空间电荷产生和流注的发展，提高了变压器油的冲击击穿电压。

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目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

2 基于Kerr电光效应的液体电介质空间电荷测量方法研究

2.1 概述

2.2 基于Kerr电光效应的液体电介质中电场和空间电荷测量基本原理

2.3 基于Kerr电光效应的高Kerr常数液体电介质测量系统及其反算方法

2.4 基于Kerr电光效应的低Kerr常数液体电介质测量系统及反算方法

2.5 本章小结

3 纳米Al2O3改性碳酸丙烯酯击穿特性及空间电荷分布特性

3.1 概述

3.2 Al2O3纳米碳酸丙烯酯配置

3.3 纳米改性碳酸丙烯酯与纯净碳酸丙烯酯的击穿试验

3.4 纳米改性碳酸丙烯酯与纯净碳酸丙烯酯的空间电荷与电场分布特性测量

3.5 机理讨论

3.6 本章小结

4 纳米Fe3O4改性变压器油的击穿特性及空间

4.1 概述

4.2 Fe3O4纳米变压器油配置

4.3 纳米改性变压器油与纯净变压器油的击穿试验

4.4 纳米改性变压器油与纯变压器油平板电极间电场与空间电荷分布特性测量

4.5 纳米改性变压器油中电场测量

4.6 机理讨论

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录:

B 作者在攻读学位期间负责或参研的主要科研项目：