纳米氮化硼改性植物绝缘油及其导热与绝缘性能研究

发布时间：2020-09-12 13:29

　　纳米改性技术可提高传统材料导热性能和绝缘性能而被广泛应用。植物绝缘油作为环保新型液体电介质,已广泛应用在国内配电变压器中。研究纳米植物绝缘油对推广植物绝缘油变压器在更高电压等级应用具有重要意义。然而,在纳米绝缘油研究方向仍存在诸多难题,其中的三个关键难点问题为:(1)纳米粒子能否兼顾植物绝缘油绝缘性能提高其散热性能问题。(2)植物绝缘油本身分子结构区别于矿物油,其电导、介质损耗较高,缺乏研究纳米粒子对其电导与介质损耗的影响机制问题。(3)纳米粒子对植物绝缘油击穿影响机制,流注发展形态影响问题。作者针对以上三方面问题,对比研究了植物绝缘油的纳米改性方法,测量了纳米植物绝缘油的导热和介电特性,获得了高导热、低介质损耗纳米改性植物绝缘油,研究了纳米植物绝缘油及油浸纸流注放电发展过程,揭示了纳米粒子提升植物绝缘油绝缘机制。论文主要内容有:(1)采用液相剥离法制备的少层氮化硼纳米片改性植物绝缘油,并制备纳米Fe_3O_4改性植物绝缘油作为对比。通过扫描电镜和X射线衍射等对纳米材料进行表征,并分析了纳米粒子在植物绝缘油中分散稳定性能。试验结果表明,液相剥离法制备的BN纳米片和油酸改性的Fe_3O_4纳米粒子在植物绝缘油中具有良好的分散稳定性;对纳米植物绝缘油的导热性能和电气性能进行测试,结果表明BN纳米植物绝缘油的导热系数提高14%,直流电导率降低了48%,介质损耗降低50%。(2)建立了纳米BN改性植物绝缘油导热系数模型和介质损耗模型。运用典型的Maxwell模型、HC模型和Yu模型对纳米绝缘油的导热系数进行了计算,发现几种模型的计算值均远小于实际测量值,分析了纳米粒子形状和吸附层因素对纳米植物绝缘油导热系数的影响,提出了纳米植物绝缘油导热系数改进模型,将模型计算值与测量值对比具有很好的一致性;对BN纳米片和Fe_3O_4纳米植物绝缘油的介质损耗模型进行了分析,通过研究纳米粒子在植物绝缘油中电泳迁移和对植物绝缘油中离子电导的影响,提出了两种纳米植物绝缘油的电导计算模型,从而建立纳米植物绝缘油的介质损耗近似计算模型。(3)研究了纳米粒子对植物绝缘油的流注放电特性的影响。通过高速摄像机及光学平台观测了纳米植物绝缘油在正负雷电冲击电压下流注的起始、传播和击穿过程,并分析了纳米粒子对植物绝缘油流注放电形态的影响。试验结果表明,纳米粒子增加了植物绝缘油中的流注放电主通道个数,并降低了预击穿下流注发展的停止长度,且均在100μs~200μs内在针尖处出现反向二次流注。纳米粒子缩短了植物绝缘油中二次流注停止长度,基于电场空间电荷理论分析了纳米粒子对二次反向流注产生的影响。(4)研究了纳米粒子对植物绝缘油浸纸板介面流注放电形态的影响。观测了正负雷电冲击电压下介面流注发展的形态,并分析了负极性流注的发展、消散和击穿过程。试验结果表明,纳米粒子增加了植物绝缘油纸介面流注发展过程中油中分枝数,30μs后流注开始消散,在140μs前后,三种油样在消散过程中均出现二次反向流注,基于界面电荷理论分析了纳米粒子对油纸绝缘中电场的影响,揭示了纳米粒子提高介面击穿的机制。上述研究工作,将为制备电气性能优良、低介质损耗、兼顾绝缘性能提高散热性能的纳米植物绝缘油提供理论支撑与试验依据。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;TQ645;TM215.4
【部分图文】：

矿物绝缘油,纳米改性,正极性,电压

重庆大学博士学位论文缘油流注的发展时间要比普通绝缘油的长一倍左右，并且随着针球雷电冲击和击穿时间优势越明显[54]。但负极性雷电冲击下纳米油的击穿时间要小于纯油。文献[55]研究了 TiO2纳米矿物油的雷电特性积分数 0.075%下纳米矿物油正极性雷电冲击电压提高了 23.6%，流低了 34.8%。文献[25]首次发现了 Fe3O4纳米粒子可以提高植物绝缘极性雷电冲击电压，分别提高了 37%和 12%。主要由于植物绝缘油子结构不同导致和纳米矿物油的不同结果。纳米绝缘油流注发展特性前研究绝缘油放电过程主要研究预击穿阶段流注发展过程，通过高析流注起始、传播发展的特征[56-58]。液体电介质在局部高场强度作用通道，短时间内在外部能量注入会产生称为类似“树枝”的形状[59-614]研究了 TiO2和 Fe3O4纳米矿物油的正极性下流注发展特性，如图 1.5

纳米,绝缘油,极化过程

1 绪论要支干的长细丝或树枝形态，在极不均匀场下当施加电压介于流注压间，获得流注的速度有所增加，介于 1 到 10km/s 之间。纳米绝缘油击穿机理米绝缘油的工频击穿、交流击穿和雷电击穿特性都是流注发展导致理工学院 Hwang 对纳米流体放电过程中的电场进行仿真，如图 1子在电场的作用下短时间内发生极化，提出纳米捕获电子理论[65, 6纳米颗粒表面周围平均分布着由纳米极化产生的正负电荷，在流注于电子运动的速度要大于正电荷的运动速度，纳米粒子吸收快的电电荷，从而降低了纳米油中流注发展速度，增加了纳米油的击穿电

分布图,矿物绝缘油,陷阱深度,纳米粒子

图 1.7 纳米粒子陷阱深度分布图Fig. 1.7 Simulating calculation of trapping of nanoparticles表 1.4 不同纳米绝缘油的击穿电压提升百分比Table 1.4 Enhancement of breakdown strength for different nanofluids.纳米绝缘油交流击穿电压直流击穿电压正雷电冲击电压TiO2改性矿物绝缘油[51, 55]27% (0.02 wt%) - 23.6% (0.075 vol %Fe3O4改性矿物绝缘油[54, 69]42.8% 21.4%(0.25 vol%) 82.5%Fe2O3改性矿物绝缘油[46]12.8% (0.016 vol%) - -SiO2改性矿物绝缘油[70]17% (0.074 vol%) - -Al2O3改性矿物绝缘油[71]降低 - -ZnO 改性矿物绝缘油[72]8.3% (0.0005 vol%) - -SiC 改性矿物绝缘油[47]降低 - -BN 改性矿物绝缘油[73]28.6% (0.1 wt%) 20% (0.1 wt%) -C60改性矿物绝缘油[72]34% (0.1%) - -

【参考文献】