变压器油中添加纳米粒子对其冲击绝缘特性和放电过程中空间电荷分布的影响

With the improvement of the transformer oil withstanding performance of impulse voltage, the insulation characteristic and the breakdown voltage of transformer oil-paper insulation system can be enhanced, which cause the cost of transformer manufacture can be lowered. Earlier experimental works have shown that the impulse breakdown voltage of the transformer oil-based nanofluids can be improved. Therefore, in this project, based on the impulse breakdown tests and the Kerr eletro-optic space charge measurment techniques, the effects of different types of nanoparticals, different diameter and different mass ratio of nanoparticals on the impluse insulation characteristics of transformer oil are investigated. The universal effect of nanoparticls on the impluse insulation characteristics of transformer oil can be obtained. The optimal nanoparticals parameters and collocation method can be also gained by comparing the effects of different nanoparticles on the impluse insulation characteristics. Moreover, the space charge distribution principle under impulse voltage with different nanoparticles and space charge effect on discharge can be obtained by the optic-electro space charge measuremnt. By the establishment of the impluse discharge model of transformer oil-based nanofluid, the effect of nanoparticles on the space charge production, transportation and dissipation and the effect of space charge on the improvement of insulation performance can be investigated.The research achievements can lay a foundation for the transformer manufacture technique and overvoltage suppression technique.

提高变压器油冲击耐受电压可提升变压器油纸绝缘的冲击绝缘性能和变压器的过电压水平，从而降低变压器的制作成本。已有初步研究表明添加纳米粒子材料变压器油的冲击放电电压可得到大幅提高。因此，本项目通过搭建变压器油冲击试验平台和Kerr电光效应空间电荷测量平台，研究添加不同类型、不同尺度和不同质量配比的纳米粒子对变压器油冲击绝缘特性的影响规律，以获得纳米粒子对变压器油冲击绝缘特性影响的普适性规律；对比变压器油在添加不同纳米粒子材料时的冲击绝缘特性，获取最优配置方法和最优纳米粒子物理参数；研究冲击电压作用下的变压器油添加不同纳米粒子材料时的空间电荷分布规律，分析空间电荷对放电过程的影响机制，通过建立空间电荷影响下变压器油的微观放电模型，研究冲击电压下纳米颗粒在变压器油中对空间电荷产生、输运、消散过程的作用，及空间电荷对提高绝缘性能的影响机制，研究成果可为我国变压器制造技术和过电压防御技术提供理论参考。

采用基于克尔效应的电光测量方法，对液体介质在冲击电压作用下空间电荷产生、输运以及消散特性进行研究，获得了冲击电压作用下空间电荷的演变规律，试验研究了不同电压形式下介质的冲击绝缘特性的变化规律，建立了基于载流子输运的冲击击穿过程动力学模型，从微观和宏观角度分析纳米改性变压器油冲击击穿机理。取得的成果如下：.1)选取Fe3O4(良导电型)、TiO2(半导体型)和Al2O3(非导电型)三种具有不同导电性能的纳米粒子，通过超声振动分散处理以及表面改性，成功制备了理化特性和电气性能优的新型纳米变压器油。.2)获得了不同浓度的纳米改性变压器油的工频/冲击击穿特性，发现在工频、操作、雷电冲击电压作用下纳米改性变压器油的击穿电压提升幅度最大分别可达21.1%、44.2%、27.6%；得到三种纳米改性变压器油具有最佳电气性能时的纳米粒子浓度：0.03 g/L（Fe3O4）、0.01 g/L（TiO2）和0.02 g/L（Al2O3）；发现电极材质介质绝缘特性有显著的影响。.3)基于Kerr电光效应原理，搭建了低Kerr常数空间电荷测量装置。通过增长光路克服了Kerr常数低造成的电光效应不明显、测量准确性差等问题；引入阵列光探传感装置，克服了传统光电CCD测量中时间不连续的缺点，实现了单次冲击电压下平行平板电极间液体电介质中空间电荷的时空连续性测量。.4)研究了不同电极材料、电压波形和纳米粒子对电场和空间电荷分布特性的影响规律，发现铝/不锈钢电极附近电荷密度分别为0.227 C/m3、0.168 C/m3，纳米粒子通过改变空间电荷注入、迁移过程影响介质内电场分布，从而改变介质击穿电压。.5)基于变压器油冲击特性试验结果以及空间电荷的演变规律，结合正离子、负离子和电子的流体力学连续性方程和泊松方程，建立了变压器油中流注发展的场致分子电离模型，并通过试验验证；基于该模型理论分析了纳米粒子的充电过程，发现了纳米粒子对流注发展速率、形态结构、粒子浓度等参数的影响规律，揭示了纳米粒子对变压器油流注发展的影响以及提升介质绝缘性能的机理。