纳米改性变压器油放电微观参数的测定及电学改性机制研究

The electrical, mechanical, and thermal properties of transformer oil could be improved by adding nanoparticles, which provides possibility to promote operational reliability of power equipment. Some exploratory studies have been done on preparation methods, physical and chemical properties and insulation characteristics of transformer oil-based nanofluids (TNFs) by scholars around the world. However, the electrical properties of TNFs are influenced by many factors so that the analysis and interpretation of experimental results depend heavily on assumptions and estimations of parameters. Thus it is difficult to explain the modification mechanism explicitly, which seriously restricts the application and development of TNFs. In the context of common problems for the TNFs application in this project, the key discharge parameters of self-maintained, non-self-maintained and dissociation processes in TNFs under steep rise-time voltage are measured by GHz pulse current measurement system. Then, the effects of nanoparticles on the discharge microcosmic parameters will been evaluated quantitatively including effective electron generation rate, ionization rate, the drift and diffusion velocity of charge carrier in oil and the critical process of streamer propagation. Finally, the modification and simulation of streamer discharge model are developed based on the obtained parameters from experiment which lays the scientific foundation for the optimal design and development of liquid dielectric modified by nanoparticles.

纳米颗粒添加到传统变压器油中，可改善其电气、机械、导热等特性，为电力装备进一步提高运行可靠性提供了可能，受到了广泛关注。目前，国内外学者在纳米改性变压器油的制备方法、理化和绝缘特性等方面已开展了探索性研究。但由于纳米改性变压器油的电气特性受多种因素影响，实验结果的分析和解释过多依赖大量的参数假设和估计，难以明确改性机制，严重制约了纳米改性变压器油的应用与发展。本项目以纳米液体电介质应用的共性问题为背景，采用GHz迁移电流测量系统对陡前沿电压下纳米改性变压器油放电非自持、自持及消解过程中的关键参数进行测定，量化评价纳米颗粒对放电微观参数（包括有效电子产生率、电离率、油中载流子迁移和消散速率以及流注发展临界过程等）的影响，基于实测参数开展流注放电模型的修正和仿真研究，完善变压器油纳米改性机制的理论解释，为纳米液体电介质材料的优化设计和发展提供科学基础。

绝缘油作为一种优良的液体储能与绝缘介质，由于其绝缘强度高、击穿自恢复性能突出、散热性能优良等特点，在电气设备领域应用广泛。随着电力装备绝缘系统向高电压、紧凑型、长寿命等方向发展，对其绝缘结构和材料均提出了更高的要求。随着纳米流体学的发展与成熟，纳米流体电介质材料展现出巨大的应用前景。通过对绝缘油加入纳米颗粒改性，可制备高介电性能、高导热性能及强理化稳定性的纳米改性绝缘油流体，该领域近年来受到国内外研究者的广泛关注。.项目组立足于国内外纳米绝缘流体的研究现状，搭建了GHz宽频带迁移电流时域测量系统，相比以前的实验系统提高了测量的灵敏度和准确度；对陡脉冲电压下纳米改性变压器油不同阶段下的非自持、自持放电及消解放电微观参数进行了测定，采用经典通量算法对纳米流体载流子输运参数进行计算，揭示了直接影响放电行为的关键参数及变化范围。对不同种类和粒度的纳米改性颗粒的放电宏观参数和微观参数进行对比研究，通过纳米改性变压器油的光-电联合时域信号图像明确了纳米流体放电发展的各阶段特征，通过参数变化规律分析了纳米添加物对放电微观过程的改性机制，可用于指导变压器油纳米电学改性机制分析与材料设计。最后，项目组基于实验结果参数构建了电流体动力学的仿真模型，降低了以往模型计算对参数假设的依赖，探索了纳米流体流柱放电的时空演化规律，探索了纳米变压器油材料的设计参考依据和工程应用方法。.研究纳米改性变压器油的放电机理有助于推动对物质放电的微观现象的进一步认识；对纳米材料改进机制的探索将指导新型绝缘材料的开发以及纳米材料的设计和工程应用；纳米改性变压器油的放电规律和微观机理的研究有助于改善现有电力设备的绝缘性能和使用寿命，推动未来电力系统的发展。