雷电冲击电压下纳米粒子改变变压器油纸绝缘特性的机理

摘要

随着我国特高压电网的快速发展，对电力变压器的绝缘水平提出了更高的要求。变压器油和油浸纸作为油浸式变压器中主要的绝缘介质，其绝缘性能直接关系到变压器的安全稳定运行。为了进一步提高电力变压器的绝缘水平，降低电力变压器的体积和重量，需要从根本上提高变压器油及其油纸复合介质的绝缘性能。近年来，研究发现纳米粒子能够显著提高变压器油的绝缘性能。对于纳米油的改性机理，人们用纳米粒子捕捉理论和陷阱理论分别在解释导电型和半导电型纳米粒子的改性现象，但是现在这些理论都还没有普适性。为此，本文研究了三种纳米油中流注发展特性和规律，探索了纳米粒子改变变压器油纸绝缘性能的机理。
　　制备了粒径尺寸相近的Fe3O4（导电材料）、TiO2（半导电材料）和Al2O3（绝缘材料）纳米粒子，并采用油酸修饰纳米粒子表面制得纳米粒子改性变压器油。系统研究了雷电冲击电压作用下纳米粒子类型、浓度和电极间隙距离对纳米油冲击绝缘性能的影响。研究结果发现，在相同浓度条件下，Fe3O4和TiO2纳米粒子可以显著提高变压器油的正极性雷电冲击击穿电压和延长击穿时间，稍微降低了变压器油的负极性雷电冲击击穿电压;Al2O3纳米粒子对变压器油冲击击穿性能无明显改性作用。随着油中纳米粒子浓度和油间隙长度的增加，纳米粒子对变压器油正极性冲击绝缘性能的改性效果更加显著。
　　为了研究油中流注的发展过程，研制了阴影法流注拍摄系统，观测了纯油和纳米油击穿前流注产生和发展过程，发现了纳米粒子对变压器油中流注发生和发展的影响规律:纳米粒子能够明显提高正流注的起始电压，引起正流注形态发生变化，即通道变粗、分支变多，导致正流注发展速度降低;纳米粒子加剧变压器油中负流注通道和其分支的发展，导致负流注发展速度升高。Fe3O4和TiO2纳米粒子对变压器油中正流注的发展改性明显，Al2O3纳米粒子对变压器油中正流注的发展无明显影响。
　　研究了纯油和纳米油中的陷阱特性，揭示了纳米粒子添加可以增加变压器油中浅陷阱密度的规律，给出了纳米油中陷阱特性与变压器油击穿特性以及流注形态之间的关系，提出了基于陷阱理论的纳米粒子对变压器油的改性机理。电子在浅陷阱之间反复入陷和脱陷过程中导致能量和视在迁移率降低。油中浅陷阱密度越多，陷阱中心能级越深，电子的迁移速率越低。迁移速度下降的电子更容易被捕获成为负极性空间电荷，与流注头部正极性电荷区域叠加，导致流注头部净电荷密度下降。在正冲击电压作用下，流注头部净电荷密度下降导致正流注前端的电场强度降低，从而抑制了油中正流注的发展。并利用基于场致分子电离的变压器油中流注放电仿真模型，验证了纳米粒子对变压器油中正流注发展过程的改性作用。
　　利用TiO2纳米油对绝缘纸板进行浸渍改性，研究了纳米粒子对变压器油浸纸板沿面闪络特性的影响规律。研究结果发现TiO2纳米粒子能够同时提高变压器油浸纸板的正、负极性沿面闪络电压，延长闪络时间;随着间隙沿面距离的增加，改性效果更加明显。这是因为TiO2纳米粒子降低了油纸之间介电常数的差异，均化了油纸之间电场强度的分布，并抑制了界面感应电荷的产生，降低界面电荷对流注的吸引作用，从而缓解了由于沿面流注体压缩导致前端的电场畸变，提高了沿面闪络电压。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 变压器油纸的绝缘特性

1．2．2 液体电介质中流注放电和发展

1．2．3 变压器油中流注仿真研究

1．2．4 纳米粒子对变压器油纸绝缘的改性

1．2．5 纳米粒子改性变压器油的机理研究

1．3 现阶段存在的问题

1．4 课题研究内容

第2章 纳米粒子对变压器油雷电冲击击穿性能的影响

2．1 引言

2．2 样品的制备与测试方法

2．2．1 纳米油的制备

2．2．2 变压器油雷电冲击击穿强度的测试方法

2．3 纳米油的雷电冲击击穿强度

2．3．1 纳米粒子类型的影响

2．3．2 纳米粒子浓度的影响

2．3．3 间隙距离的影响

2．4 本章小结

第3章 纳米粒子对变压器油中流注放电的影响

3．1 引言

3．2 变压器油中流注的测量系统和测试方法

3．2．1 流注测量原理

3．2．2 测量系统的构成

3．2．3 正流注的测量方法

3．2．4 负流注的测量方法

3．3 纳米粒子对变压器油中正流注放电的影响

3．3．1 正流注起始电压

3．3．2 正流注发展形态

3．3．3 正流注截止长度

3．3．4 正流注发展速度

3．4 纳米粒子对变压器油中负流注放电的影响

3．5 本章小结

第4章 纳米粒子对变压器油绝缘性能的改性机理

4．1 引言

4．2 纳米粒子对变压器油中陷阱特性的影响

4．2．1 热刺激电流测量方法

4．2．2 纳米油的陷阱特性

4．3 变压器油中电子迁移速率

4．3．1 跳跃迁移率模型

4．3．2 电子迁移率的测量

4．4 纳米粒子对变压器油的改性机理分析

4．5 纳米油中正流注的仿真研究

4．5．1 流注仿真模型搭建

4．5．2 纯油中正流注

4．5．3 纳米油中正流注

4．5 本章小结

第5章 纳米粒子对变压器油浸纸板绝缘性能的改性

5．1 引言

5．2 样品的制备与测试方法

5．3 纳米油与纸板的相互作用

5．4 纳米油浸纸板沿面闪络特性

5．5 改性机理分析

5．5．1 电场分布的影响

5．5．2 界面电荷的影响

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介