植物绝缘油的油纸浸渍与水解动力学特征及纳米改性方法研究

摘要

植物绝缘油是一种高燃点、可自然降解的液体电介质，具有良好的绝缘性能，在配电变压器中得到了成功应用。在实际应用中，由于植物绝缘油与矿物绝缘油的理化性能不同，需在植物油纸绝缘浸渍特性方面开展深入细致的理论与试验研究。而且在老化过程中，植物油纸绝缘的水解特性比矿物油纸绝缘复杂的多，有必要对植物绝缘油和纤维素相互影响的水解过程、植物油纸水解过程中酸性生成物的动态变化规律以及酸性生成物对植物油纸绝缘放电特性的影响等方面开展深入研究。同时，随着纳米技术的发展，对纳米改性绝缘油的研究已成为工程电介质领域的新课题。因此，作者在查阅了大量文献的基础上，开展了植物油纸绝缘浸渍特性、水解动力学特性、纳米植物绝缘油制备及击穿特性等方面的研究工作，主要包括以五个方面的内容。
　　 ①基于泊肃叶定律，分析了油纸绝缘浸渍基本原理，讨论了油纸绝缘浸渍模型中相关参数的测定与计算方法，提出了采用接触角测量仪测定绝缘油中绝缘纸毛细管引力的方法。设计了油纸绝缘浸渍试验模型和试验方法，通过试验获得并对比分析了植物绝缘油和矿物绝缘油中油纸绝缘浸渍长度与浸渍时间的关系曲线，并与理论计算结果进行了对比。结果表明，采用接触角测量仪测量绝缘油中绝缘纸毛细管引力的方法具有良好的测量精度，植物油纸绝缘浸渍模型的计算结果与试验结果具有一致性。
　　 ②系统测试和分析了温度、时间和水油比等试验条件对植物绝缘油水解过程的影响，提出了植物绝缘油水解试验条件和方法。根据植物绝缘油水解速率的测试结果，计算出植物绝缘油的水解反应活化能，提出并建立了植物绝缘油的水解动力学方程。测试了植物绝缘油在不同水解程度下的工频击穿电压、相对介电常数及介质损耗因数，分析了酸性生成物对植物绝缘油介电特性的影响规律。
　　 ③研究了植物油纸绝缘在热老化过程中的水解动力学特性，设计了含微量水份植物油纸绝缘的老化试验装置和试验方法，考察了铜对植物油纸绝缘水解特性的影响，分析了水解过程中油和纸中含水量、击穿电压、酸值、糠醛浓度及绝缘纸聚合度等参数的变化规律。根据对植物油纸绝缘老化过程中绝缘油酸值的测量结果，计算出植物油纸绝缘的水解反应活化能，提出并建立了植物油纸绝缘水解反应动力学方程。
　　 ④研究并提出了植物绝缘油的纳米改性方法，在采用油酸包覆四氧化三铁纳米粒子的表面改性方法的基础上，制备出稳定的植物绝缘油与四氧化三铁纳米粒子的共混体；采用激光粒度测量仪、透射电镜、红外光谱仪、热重分析仪等仪器对改性前后的四氧化三铁纳米粒子的粒径分布、表面形貌、油酸包覆效果及四氧化三铁纳米粒子在植物绝缘油中的分散稳定性进行了研究。研究结果表明，油酸与四氧化三铁纳米粒子表面形成了物理包覆和化学键合，表面改性四氧化三铁纳米粒子在植物绝缘油中具有良好的分散特性。
　　 ⑤研究了纳米改性植物绝缘油的理化和电气性能，重点测试了纳米植物绝缘油在工频和雷电冲击电压下的击穿特性。采用介电谱仪研究了纳米改性植物绝缘油的相对介电常数、介质损耗因数、体积电阻率随频率变化的规律。结合空间电荷分布和电场中纳米粒子的极化理论，分析了纳米改性植物绝缘油击穿场强提高的机理。研究结果表明，在工频和雷电冲击电压下，纳米改性植物绝缘油的击穿场强得到了不同程度的提高。
　　 上述研究工作揭示了植物绝缘油中油纸绝缘浸渍特性与水解动力学特性，证明了通过添加表面改性的四氧化三铁纳米粒子，可提高植物绝缘油在工频和冲击电压下的电气强度，对植物绝缘油及纳米植物绝缘油的应用具有重要的参考价值。