ZnO納米改性變壓器油相對(duì)介電常數(shù)模型
為了了解納米顆粒添加對(duì)變壓器油相對(duì)介電常數(shù)的影響情況，本文采用ZnO 半導(dǎo)體納米顆粒制備改性變壓器油，在此基礎(chǔ)上研究了納米改性變壓器油相對(duì)介電常數(shù)隨納米顆粒體積分?jǐn)?shù)和環(huán)境溫度的變化規(guī)律，并提出了基于克勞修斯-莫索提(Clausius-Mossotti)方程的納米顆粒極化模型來解釋納米改性變壓器油相對(duì)介電常數(shù)的變化機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZnO 納米顆粒的添加將小幅度地增大納米改性變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)，且相對(duì)介電常數(shù)值隨納米顆粒體積分?jǐn)?shù)線性增長(zhǎng)，而隨環(huán)境溫度線性降低；同時(shí)納米顆粒極化模型的計(jì)算值較好地吻合了實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)所提模型的進(jìn)一步分析表明，納米改性變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)主要由普通變壓器油決定；相比于普通變壓器油，納米改性變壓器油相對(duì)介電常數(shù)的增大主要是因?yàn)榧{米顆粒內(nèi)部極化。
油紙絕緣作為一種成熟的絕緣技術(shù)，在大型電力設(shè)備中廣泛應(yīng)用，特別是變壓器和電感器。隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，油紙絕緣結(jié)構(gòu)在電、磁、機(jī)械等多種物理因素作用下，暴露出越來越嚴(yán)重的老化/劣化問題，特別是絕緣材料發(fā)熱引起的熱老化，進(jìn)而大大降低了電力系統(tǒng)的安全可靠性。調(diào)查顯示，2005∼2010 年我國(guó)因輸變電設(shè)備故障所引起的電網(wǎng)停電事故占當(dāng)年總事故的37%∼48%，已居故障起因首位。因此優(yōu)化與改善油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣性能及散熱特性，提高其絕緣可靠性、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命已經(jīng)成為學(xué)術(shù)及工程應(yīng)用重點(diǎn)關(guān)注的研究領(lǐng)域。1995 年納米微粒首次被添加到變壓器油中，以提高油流體的導(dǎo)熱能力。Choi 的研究也表明，通過在變壓器油中添加體積分?jǐn)?shù)為0.5%的AlN 納米顆粒，可將油流體的熱導(dǎo)率提高8%，整體熱效率提高20%。納米改性變壓器油是指在變壓器油中添加納米顆粒并形成穩(wěn)定的懸浮膠體，這些顆粒的平均直徑為幾到幾十納米，比變壓器油中常見微粒小兩至三個(gè)數(shù)量級(jí)。進(jìn)一步研究表明，除了在導(dǎo)熱性能方面大幅提高外，納米改性變壓器油和普通變壓器油相比還具有較好地電氣特性。V. Segal等發(fā)現(xiàn)，添加鐵磁材料的納米改性變壓器油和普通變壓器油相比，具有更高的工頻擊穿電壓。同時(shí)在正極性雷電沖擊下納米改性變壓器油的耐壓比普通油高近1 倍，且流注的發(fā)展速度更緩慢。周遠(yuǎn)翔等發(fā)現(xiàn)納米顆�？梢蕴岣咻^大間隙下變壓器油的擊穿電壓，改善其雷電沖擊伏秒特性。
Hwang 等在多物理場(chǎng)仿真的基礎(chǔ)上，認(rèn)為油中的納米顆粒會(huì)“捕獲”流注發(fā)展過程中快速運(yùn)動(dòng)的電子，從而降低流注的發(fā)展速度。杜岳凡等通過熱刺激電流法測(cè)試納米改性變壓器油的陷阱特性發(fā)現(xiàn)，納米顆粒增大了變壓器油中的淺陷阱密度，阻礙自由電子的運(yùn)動(dòng)，從而提高了納米改性變壓器油的放電性能。目前關(guān)于納米改性變壓器油的研究主要集中在它的導(dǎo)熱性能和放電擊穿特性等方面，尚未涉及相對(duì)介電常數(shù)、介損值等評(píng)價(jià)絕緣材料基本電氣特性的參數(shù)。
本文在制備ZnO 半導(dǎo)體納米顆粒改性變壓器油的基礎(chǔ)上，研究了納米改性變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)隨納米顆粒體積分?jǐn)?shù)和溫度的變化關(guān)系， 提出了基于克勞修斯- 莫索提(Clausius-Mossotti)方程的納米顆粒極化模型來解釋納米改性變壓器油相對(duì)介電常數(shù)的變化規(guī)律。
1、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
1.1、納米改性變壓器油制備
實(shí)驗(yàn)中ZnO納米顆粒(Sigma-Aldrich 677450)通過超聲振蕩方式均勻分散到25#克拉瑪依變壓器油中，制備獲得ZnO 納米改性變壓器油樣。圖1為ZnO 顆粒分散在乙醇中的電子透射顯微鏡(TEM)照片，可以看出ZnO 顆粒大小均勻，直徑約為30 nm。為了防止化學(xué)添加劑的干擾，實(shí)驗(yàn)中ZnO 顆粒未進(jìn)行表面化學(xué)處理，同時(shí)上述納米改性油樣在制備完成后靜置12 h，以減小振蕩過程中微小氣泡對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不利影響。
圖1 ZnO納米顆粒TEM 照片
1.2、相對(duì)介電常數(shù)測(cè)量
實(shí)驗(yàn)中ZnO 納米改性變壓器油所含顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為：0.025%、0.1%和0.2%。測(cè)量?jī)x器為DX6100一體化絕緣油精密參數(shù)測(cè)試儀，測(cè)試油杯按照IEC 60247標(biāo)準(zhǔn)，采用三極式結(jié)構(gòu)油杯，電極間距2 mm。實(shí)驗(yàn)中施加2000 V 工頻交流電壓，測(cè)量上述三種改性油樣在不同溫度下相對(duì)介電常數(shù)。
結(jié)論
(1)當(dāng)納米顆粒含量較低時(shí)，ZnO 納米改性變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)和普通變壓器油相比有小幅的增大,且改性油的相對(duì)介電常數(shù)隨納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而線性增大，而隨溫度的升高線性降減小。
(2)由于納米改性變壓器油中納米顆粒的含量很少，在Maxwell-Garnett 經(jīng)驗(yàn)公式中幾乎忽略了納米顆粒對(duì)改性油相對(duì)介電常數(shù)的“貢獻(xiàn)”，所以Maxwell-Garnett 經(jīng)驗(yàn)公式并不適用于對(duì)納米改性變壓器油相對(duì)介電常數(shù)的預(yù)測(cè)。
(3)在克勞修斯-莫索提方程中，除原有的變壓器油分子極化外，通過引入微觀納米顆粒內(nèi)部極化和帶電納米顆粒取向極化，強(qiáng)化納米顆粒對(duì)改性變壓器油相對(duì)介電常數(shù)的“貢獻(xiàn)”。以上述三種極化為基礎(chǔ)建立的納米顆粒極化模型，能夠較好地解釋ZnO 納米改性變壓器油相對(duì)介電常數(shù)的變化規(guī)律。對(duì)模型的進(jìn)一步分析認(rèn)為，納米改性變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)主要取決于變壓器油；相比于普通變壓器油納米改性變壓器油相對(duì)介電常數(shù)較高，主要是因?yàn)榧{米顆粒內(nèi)部極化。
