简介

目前由于其高散热性和独特的电气性能，正受到越来越广泛的关注。以近年来纳米改性变压器油的相关研究成果为基础，分析了纳米改性变压器油在导热、击穿、老化、抗水分影响以及改性油一纸相互作用等方面的特点，并介绍了目前常用的三种用于解释绝缘油介质中纳米颗粒改性机理的理论模型，最后提出了纳米改性变压器油领域后续研究需要关注的问题，即纳米颗粒材料体系的选择、高稳定性改性变压器油的制备工艺以及纳米颗粒对变压器油的改性机理。

随着电网系统的快速发展，电压等级和传输容量不断提升，这不仅使得电力设备的体积和重量持续增加，同时也降低了设备的安全可靠性。调查显示，20052010年间我国因输变电设备故障导致的电网停电事故占当年总事故的37%-48%，居故障起因第一位。油纸绝缘作为一种较为成熟的绝缘技术，在电力设备中受到广泛运用，但随着服役年限的增加，在电、磁、机械等多重物理场的作用下，油纸绝缘结构暴露出了越来越严重的综合老化问题，尤其是由材料发热引起的热老化1.

为了解决油纸绝缘结构的散热问题，1995年纳米微粒首次被添加到变压器油中形成纳米流体，以提高绝缘结构自身的散热能力。C.Choi等的研究表明在变压器油中添加体积分数为0.5%的A1N纳米颗粒，可将油流体的热导率提高8%，整体热效率提高20%。纳米改性变压器油是指在变压器油中添加纳米颗粒，并形成稳定的悬浮胶体，这些粒子的平均直径为几到几十纳米，比变压器油中常见微粒小2到3个数量级。纳米改性变压器油最开始是以纳米磁流体(magnetic nanofluids)作为研究对象，即添加Fe304等铁磁性纳米材料，但研究显示铁磁性纳米油流体的稳定性和击穿特性受外部磁场的影响较大，并不适用于变压器等油纸绝缘结构的电力设备。在后续的相关研究中，半导体材料和绝缘材料逐渐被作为改性纳米材料添加到变压器油中。同时，流体基液也由矿物变压器油发展到植物变压器油。国内外各项研究结果表明，通过纳米材料改性的变压器油在导热性、电气特性和抗老化等方面都具有较明显的提高。

纳米改性变压器油独特性能导热性能在20世纪80年代，微米级或更高数量级的固体颗粒就被添加到液态介质中，来提高流体的导热能力。但由于固体颗粒的大尺寸和高密度，在重力作用下颗粒容易沉淀，无法长时间保持混合液的物理稳定性，故长期以来混合导热流体的开发应用都受到巨大的阻碍。而近二三十年来，随着材料工艺的发展，纳米流体逐渐成为新一代的热传导介质，受到广泛重视2。

在油纸绝缘变压器中，变压器油一方面作为绝缘材料，保证导体之间的电气绝缘;另一方面也作为散热流体，通过循环流动将铁心和线圈产生的热量传递到箱体外部。因此，纳米改性变压器油作为一种全新的纳米电介质材料，其导热性能备受国内外研究者的关注。 的研究结果显示，纳米颗粒的添加可以较大程度上提高混合液的热导率，增强流体导热性能。C.Choi等在其研究中发现，纳米改性变压器油热导率与颗粒体积分数和颗粒材料本身固有热导率值成正比，不同类型的纳米颗粒对变压器油热导率和整体热效率的影响。

实验结果表明，纳米颗粒可以提高变压器油的热导率和热传递效率，对于体积分数为4%的球形A120:颗粒，其油流体的热导率可提高20%;而对于体积分数为0.5%的A1N纳米颗粒，其纳米油热导率提高8%，整体热传递效率提高20%。

针对纳米流体热导率显著增强这一现象，P.Kelinski等综合了相关研究，提出纳米流体导热强化的4种可能机理，分别为纳米粒子的布朗运动、纳米粒子本身的高热导率、颗粒与溶液接触面的固液界面效应以及纳米粒子的团聚。

电气特性关于纳米改性变压器油的电气击穿特性首先是由ABB公司的Segal等在1998年开展了研究}s}随后Herchl, Hwang等也相继研究了不同电压类型下纳米改性油的击穿特点，上述研究均是以纳米磁流体作为研究对象。近两年来我国学者也开始了针对纳米改性变压器油的研究，清华大学周远翔等对其自制的改性油进行了交直流、冲击电压作用下击穿和局部放电等方面的放电特性研究，并通过热刺极电流法(thermally stimulated current TSC)和脉冲电声法(pulse electroacoustic technique PEA)研究纳米颗粒的改性原理;西南交通大学刘君等研究了不同水分含量下纳米改性油一纸复合绝缘系统的频率响应特性2.

交直流耐压特性从传统的工程角度看，固体微粒的添加对于绝缘油的介电强度具有致命的危害，因为这些杂质微粒在外施电场下容易定向排列，形成放电“小桥”，从而导致绝缘油的击穿。但对于纳米流体而言，由于纳米尺度下的界面效应，纳米颗粒不但不会破坏变压器油的绝缘性能，反而有助于提高其耐压强度。周远翔等的研究表明，在较短的间隙距离下，纳米改性变压器油交流和直流击穿电压基本和纯净变压器油相同，但是随着间隙距离的增大，与纯净变压器油相比，改性变压器油的击穿电压显著提高。图2所示为交流、直流电压作用下纳米改性变压器油与纯净变压器油击穿特性的对比。

华北电力大学杜岳凡、吕玉珍等着重研究了纳米材料种类、颗粒含量以及颗粒表面改性化学剂对改性变压器油交流耐压幅值的影响。图3给出了不同材料体系和表面改性方法下，改性油交流耐压值随颗粒含量的变化情况，其中1号样品未进行表面处理，2号和3号样品分别使用硬脂酸和硅油进行表面处理。

上述研究表明，添加适量的纳米颗粒可以提高变压器油交直流电压下的击穿电压幅值，但是这种增大趋势与纳米材料种类、颗粒含量以及颗粒表面改性情况有很大关系。J.Kudelcik等认为纳米颗粒可以抑制液体电介质分子电离和液体中气泡的产生，从而增大击穿电压值，而当颗粒含量较高时，纳米颗粒容易“团聚”，形成“小桥”，反而降低击穿耐受电压幅值

冲击耐压特性冲击电压作用下的击穿特性是描述绝缘材料性能的重要指标，在实际运用中雷电冲击以及操作冲击对于油纸绝缘材料也是较为严峻的考验。Segal等的研究表明}s}，在针一球电极构成的极不均匀电场中，正极性标准雷电冲击(波前/判嚎值时间为1.2/50 s)下纳米改性变压器油的耐压幅值显著提高，和纯净油相比其幅值大致可提高50%，且流注的发展速度也比纯净变压器油中的速度要慢，这种现象随着间隙距离的增大越来越明显;而负极性冲击下的耐压值基本不变。同时纳米改性油在冲击电压作用下针电极的极性效应不明显，这与纯净变压器油冲击电压作用下的极性效应具有非常大的差异。表1给出了纯净变压器油和改性油冲击电压作用下击穿幅值和截断时间的比较。

抗老化特性老化是降低绝缘材料使用寿命最重要的原因之一，对于油纸绝缘结构其老化是多种因素综合作用的结果，其中热老化是最主要的因素。Segal等最先开展关于纳米改性变压器油热老化的研究，实验中纳米改性油和纯净变压器油分别与纸板、铜片、硅钢片混合，在185℃下进行12周的热老化通过对比老化后改性油与纯油在交流电压和冲击电压下的击穿特点，发现纳米改性油在击穿特性方面的抗老化性优于普通变压器油，这与华北电力大学的研究结果相似。表2所示为185℃热老化后纳米改性油与纯油的交流、冲击耐压比较。图5所示为130℃热老化后普通变压器油和纳米改性油局部放电起始电压值的对比情况 实验结果表明，纳米颗粒的添加可以提高变压器油的抗老化性能，和同样老化程度的普通变压器油相比，纳米改性变压器油在交流耐压、冲击耐压和局部放电起始电压等多方面都表现出较好的陛能。

抗水分特性已有的研究成果表明，对于各种可能降低绝缘油性能的不利因素，纳米改性变压器油除了在老化方面表现出较好的性能外，其受水分的影响程度也低于普通变压器油。Segal等的研究表明，纳米颗粒可以束缚变压器油中的水分，减轻水分对变压器油的不利影响。表3所示为普通变压器油和改性油在不同水分含量下的交流耐压值对比。

颗粒表面“捕获”电子模型纳米改性变压器油在交流、直流以及冲击电压作用下的击穿特性可以统一归纳为油中流注的发展变化情况。麻省理工学院Hwang等认为，因为在流注的发展过程中电子运动远比正电荷要快，所以纳米颗粒可以将大量电子吸附到自身表面，同时由于纳米颗粒的运动速率远小于电子，在这吸附过程中快速运动的电子被转化为缓慢运动的电负性粒子，这样在降低流注头部电场强度的同时进一步减缓了正负电荷的运动速率，从而增大了冲击耐受电压和击穿时延.

空间极化“势阱”模型根据Takada等的观点，在外加电场作用下，纳米颗粒表面两侧由于极化会生成电荷，这些极化电荷产生的电场畸变原有电场，从而在颗粒附近形成“势阱”。

浅陷阱障碍理论虽然颗粒表面“捕获”和空间极化“势阱”两种理论模型在一定程度上都解释了纳米颗粒的添加可以提升变压器油耐压性能这一现象，但这两种理论都存在明显的缺陷。同样极化“势阱”模型在构建过程中是以单个纳米颗粒为基础的，并没有考虑纳米颗粒的团聚以及颗粒之间的相互影响等因素。华北电力大学杜岳凡等采用热刺极电流法和脉冲电声法研究纳米颗粒改性机制，认为纳米颗粒的加入显著增加了变压器油中浅陷阱的密度，增强了纳米油捕捉电子的能力。图纯油和纳米改性油的陷阱能级分别为0.416 eV和0.418 eV，均处于浅陷阱级别，而纳米油的电流曲线峰值是纯油的2.52倍，即纳米油中的陷阱密度远大于纯油中的陷阱密度，且通过对曲线进行积分可得纳米油陷阱电荷量是纯油的1.85倍。这表明，纳米颗粒的添加显著增强变压器油中浅陷阱密度，自由电子在运动过程中将不断被陷阱捕获和释放，严重阻碍了电子的迁移效率，从而使得纳米改性油的放电性能提高1。

总结纳米改性变压器油作为一种新型的绝缘材料，给传统的油纸复合绝缘结构带来了新的突破。一方面它可以显著改善油纸绝缘结构的散热性能，有效地解决绝缘材料的热老化问题;另一方面，纳米颗粒的引入还可以提高变压器油的绝缘特性。 以近几年来国内外的研究状况为基础，从交直流耐压、冲击特性、抗老化、抗水分以及纳米油一纸交互作用等方面对纳米改性油的性能进行总结，介绍目前适用于纳米改性油击穿特性解释的3种理论模型。然而纳米改性变压器油还是一个全新的领域，针对它的研究还比较少，不管是在理论解释还是在绝缘特性上都有许多问题需要深入探索，具体叙述如下:

1)纳米材料体系的选择。理论上讲，绝大部分固体材料都可以提高纳米流体的导热性能，例如金属材料、绝缘材料、半导体材料等。但是纳米颗粒的引入必须考虑到纳米油作为绝缘材料实际使用的这一要求，而不能仅仅追求散热能力的提高。对于纳米改性变压器油的评价标准将是电气耐压特性、抗老化特性、稳定性和散热性等多种因素的综合，所以改性纳米颗粒材料体系的筛选将是当前以及今后一个长期存在的问题。

2)纳米改性变压器油的稳定性是其作为绝缘

材料运用的必备条件。在纳米流体中，纳米粒子很容易聚集形成团聚体，在重力的作用下缓慢沉降，这样会使纳米流体性能逐步退化，甚至造成微管堵塞、热导率降低。目前克服颗粒团聚，保持流体稳定性的有效手段是对颗粒进行表面处理，一般为通过分散剂改善颗粒表面活性。但是利用化学试剂表面改性往往会破坏改性油的电气特性和老化特性，因此寻找合适的改性变压器油的制备工艺，保证改J陛油的稳定性与其他性能的平衡，将是纳米改性变压器油研究过程中的主要问题3。

3)目前国内外针对纳米改性变压器油开展的研究还比较少，而关于改性油独特性能的理论解释更仅仅处于开始阶段，很大程度上还依赖于固体聚合物中纳米改性的相关理论。在今后的研究中，除了关注不同材料体系和制备方法对纳米改性油传热、电气等方面性能的影响之外，纳米颗粒对变压器油的改性机理将是另一个研究重点。