ZnO納米改性變壓器油相對介電常數模型
為了了解納米顆粒添加對變壓器油相對介電常數的影響情況，本文采用ZnO 半導體納米顆粒制備改性變壓器油，在此基礎上研究了納米改性變壓器油相對介電常數隨納米顆粒體積分數和環(huán)境溫度的變化規律，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(lái)解釋納米改性變壓器油相對介電常數的變化機理。實(shí)驗結果表明，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介電常數，且相對介電常數值隨納米顆粒體積分數線(xiàn)性增長(cháng)，而隨環(huán)境溫度線(xiàn)性降低；同時(shí)納米顆粒極化模型的計算值較好地吻合了實(shí)驗測量數據。對所提模型的進(jìn)一步分析表明，納米改性變壓器油的相對介電常數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介電常數的增大主要是因為納米顆粒內部極化。
油紙絕緣作為一種成熟的絕緣技術(shù)，在大型電力設備中廣泛應用，特別是變壓器和電感器。隨著(zhù)設備運行時(shí)間的增長(cháng)，油紙絕緣結構在電、磁、機械等多種物理因素作用下，暴露出越來(lái)越嚴重的老化/劣化問(wèn)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的安全可靠性。調查顯示，2005∼2010 年我國因輸變電設備故障所引起的電網(wǎng)停電事故占當年總事故的37%∼48%，已居故障起因首位。因此優(yōu)化與改善油紙絕緣系統的絕緣性能及散熱特性，提高其絕緣可靠性、延長(cháng)設備使用壽命已經(jīng)成為學(xué)術(shù)及工程應用重點(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，以提高油流體的導熱能力。Choi 的研究也表明，通過(guò)在變壓器油中添加體積分數為0.5%的AlN 納米顆粒，可將油流體的熱導率提高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(jiàn)微粒小兩至三個(gè)數量級。進(jìn)一步研究表明，除了在導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，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。周遠翔等發(fā)現納米顆�？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)仿真的基礎上，認為油中的納米顆粒會(huì )“捕獲”流注發(fā)展過(guò)程中快速運動(dòng)的電子，從而降低流注的發(fā)展速度。杜岳凡等通過(guò)熱刺激電流法測試納米改性變壓器油的陷阱特性發(fā)現，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熱性能和放電擊穿特性等方面，尚未涉及相對介電常數、介損值等評價(jià)絕緣材料基本電氣特性的參數。
本文在制備ZnO 半導體納米顆粒改性變壓器油的基礎上，研究了納米改性變壓器油的相對介電常數隨納米顆粒體積分數和溫度的變化關(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(lái)解釋納米改性變壓器油相對介電常數的變化規律。
1、實(shí)驗準備
1.1、納米改性變壓器油制備
實(shí)驗中ZnO納米顆粒(Sigma-Aldrich 677450)通過(guò)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(guò)程中微小氣泡對實(shí)驗測量的不利影響。
圖1 ZnO納米顆粒TEM 照片
1.2、相對介電常數測量
實(shí)驗中ZnO 納米改性變壓器油所含顆粒體積分數分別為：0.025%、0.1%和0.2%。測量?jì)x器為DX6100一體化絕緣油精密參數測試儀，測試油杯按照IEC 60247標準，采用三極式結構油杯，電極間距2 mm。實(shí)驗中施加2000 V 工頻交流電壓，測量上述三種改性油樣在不同溫度下相對介電常數。
結論
(1)當納米顆粒含量較低時(shí)，ZnO 納米改性變壓器油的相對介電常數和普通變壓器油相比有小幅的增大,且改性油的相對介電常數隨納米顆粒體積分數的增大而線(xiàn)性增大，而隨溫度的升高線(xiàn)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)驗公式中幾乎忽略了納米顆粒對改性油相對介電常數的“貢獻”，所以Maxwell-Garnett 經(jīng)驗公式并不適用于對納米改性變壓器油相對介電常數的預測。
(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(guò)引入微觀(guān)納米顆粒內部極化和帶電納米顆粒取向極化，強化納米顆粒對改性變壓器油相對介電常數的“貢獻”。以上述三種極化為基礎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介電常數的變化規律。對模型的進(jìn)一步分析認為，納米改性變壓器油的相對介電常數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介電常數較高，主要是因為納米顆粒內部極化。
