TiO2納米改性植物絕緣油的流注發展特性研究

周年榮，何 瀟，郭新良，何運華，張林山，譚向宇，方正云

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.云南電網有限責任公司，云南 昆明 650011）

0 引言

絕緣油是一種重要的絕緣介質，在電氣設備中運用廣泛，例如最常見的斷路器、變壓器、套管等。植物絕緣油有著高燃點、可降解、油紙絕緣組合好等特點，是礦物絕緣油的理想替代品[1-3]。植物絕緣油的研究早在50年前就開始了，當時國外的研究主要是對植物絕緣油的制取方法、理化性能、電氣性能等多個方面進行了系統的研究[4]。植物絕緣油不僅擁有較好的絕緣性能，而且生產成本相對較低，但是植物絕緣油的理化性能仍有不足。隨著納米科技的不斷發展，研究人員發現向傳統礦物絕緣油中添加納米粒子可形成穩定的溶膠體系，不僅可提高絕緣油的電氣強度，而且還可以改善絕緣油的散熱能力[5-8]。

鄒平[9]研制了Fe3O4納米改性植物絕緣油，使用寬頻介電譜測試儀對改性植物絕緣油進行測試后發現，當測試頻率大于1 Hz時，Fe3O4納米粒子改性植物絕緣油的介質損耗因數與空白油樣差異很小，而體積電阻率較空白油樣略大。司馬文霞等[10]對Al2O3納米改性礦物絕緣油的雷電沖擊特性進行了研究，發現改性礦物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓相比純油有所提升，而負極性雷電沖擊電壓相比純油有所下降。Lü Y Z等[11-13]研究了TiO2和Fe3O4納米改性礦物絕緣油的正極性流注發展特性，繪制了90 kV電壓下普通礦物絕緣油和納米改性礦物絕緣油正極性雷電預擊穿圖像，發現兩種礦物絕緣油的雷電預擊穿圖像有所不同，普通礦物絕緣油在預擊穿一開始階段出現樹枝形狀，隨著樹枝越來越多呈灌木狀，而納米改性礦物絕緣油出現的灌木樹枝會出現較長的向周圍發散的分支。

本文搭建觀測納米改性絕緣油擊穿過程的光學平臺，研究TiO2納米粒子對植物絕緣油流注發展特性的影響，并觀測TiO2納米改性絕緣油在正-負極性雷電沖擊下的流注起始與傳播特征，通過分析TiO2納米粒子對絕緣油空間電場的影響，揭示TiO2納米改性植物絕緣油中流注形態發展的規律。

1 試驗

1.1 雷電沖擊放電平臺

雷電沖擊放電平臺如圖1所示。放電平臺由沖擊電壓測試系統（阻容分壓器、示波器、電腦系統）和試驗油箱（環氧絕緣筒）組成。沖擊電壓測試系統由兩部分組成：一是沖擊電壓發生器，二是測量與控制部分，可以在不同場強、不同間隙距離下進行放電試驗。沖擊電壓發生器有六級，額定輸出電壓等級為900 kV，總能量為33.75 kJ，可通過改變波頭、波尾電阻使其產生1.2（±30%）/50（±20%）μs的標準雷電波，阻容分壓器能夠使沖擊電壓線性衰減上千倍以便測量，然后使其到達發生器工頻機的信息采集系統，從而記錄下電壓和電流的波形。

圖1 雷電沖擊放電平臺Fig.1 Lightning impluse discharge platform

電極使用針板電極，為保證試驗放電的穩定性，鎢針曲率半徑為（50±5）μm，板電極直徑為20 cm，材料為紫銅，模擬變壓器內部的極不均勻電場。

1.2 雷電沖擊光路平臺

在絕緣油被擊穿的瞬間，放電通道會出現強光，與預擊穿狀態下相比，流注發展時間短且光線弱。另外，改性絕緣油有吸光性，并且光子在油杯內會出現折反射，進一步使光強削弱。因此放電過程采用高速陰影成像法進行間接記錄，該光路平臺包括陰影成像系統和高速觸發系統。

（1）陰影成像系統

在均勻介質中，折射率是個常數，因此光在均勻介質中會沿直線進行傳播，但當介質不均勻或發生放電現象時，光在介質中的傳播則不會再沿直線傳播，而是出現偏折。基于上述原理，流注陰影成像光路由光源、準直透鏡、會聚透鏡、高速CMOS相機鏡頭及相機底片等設備構成，如圖2所示。在還沒進行雷電沖擊放電試驗時，絕緣油可看作處于一個相對靜止狀態，此時，光會通過透鏡及試驗油箱的石英玻璃窗在高速CMOS相機鏡頭中呈現亮圓形。在施加雷電沖擊電壓時，高壓電極受到雷電沖擊波形的作用，此時的絕緣油承受著來自高壓電極的電場力和熱量，使得之前處于相對靜止狀態的絕緣油出現低密度區，導致其介質分布不再均勻，進而在放電通道外形成一個折射區，導致光在透過絕緣油時發生偏折，使得在對焦參考面處形成類似M的亮圓形陰影流注圖，陰影流注圖經過透鏡進入高速CMOS鏡頭及底片，從而被記錄下來。

圖2 流注陰影成像光路原理圖Fig.2 Schematic diagram of streamer shadow imaging light path

（2）高速觸發系統

高速觸發系統對采用同步觸發實現流注放電瞬間產生信號的接收和成像記錄。使用帶力科WaveRunner610zi示波器采集電信號，采用高速CMOS相機拍攝。對于同步觸發，由分壓器輸出端獲得本系統的原始觸發信號，并通過同步起始信號觸發高速CMOS相機，原始輸入信號與CMOS間的時間小于標準雷電波波頭時間，因此這種同步觸發滿足高速CMOS相機的試驗目標及使用性能。該型號高速相機受限于實時內存技術，當拍攝速度越快時，相機拍攝輸出的像素越低且拍攝范圍越小。因此，考慮到試驗過程中針板油隙的距離范圍，試驗過程中選擇每秒5～10萬幀的拍攝速度進行流注放電圖像的拍攝，每張圖像的曝光時間為10μs，并選擇中央觸發的工作模式。

1.3 試驗方法

本研究使用國家電網重慶市電力公司電力科學研究院的沖擊電壓測試平臺對納米TiO2體積分數分別為0.025%、0.050%、0.075%、0.100%、0.125%的TiO2納米改性植物絕緣油及空白對照組（FR3植物絕緣油）共6個樣品進行正、負極性的雷電沖擊擊穿測試，使用標準雷電波形（1.2/50 μs）作為沖擊電壓波形，正極性針-板電極間隙為25 mm，負極性針-板電極間隙為15 mm，具體試驗步驟如下：

（1）使用待測樣品潤洗試驗油杯，潤洗時需使潤洗液浸潤電極。取下厚度規，然后擰松針電極的固定螺絲，使電極間間隙歸零，再重新固定。使用厚度規將電極間距離設定為25 mm，將待測樣品倒入潤洗過的油杯中，將油杯重新組裝好。

（2）將待測樣品靜置5 min后，將沖擊電壓發生器的接地棒取下，打開沖擊電壓測試平臺電源。設定沖擊擊穿電壓，調整好球隙距離，然后開始充電。

（3）達到預定電壓后，啟動點火裝置，使球隙放電，產生沖擊電壓對樣品產生一次沖擊。沖擊電壓發生器分閘后讀取示波器顯示的雷電波形。若波形顯示樣品未擊穿，則繼續升高充電電壓，直至示波器波形顯示樣品被擊穿，記錄擊穿電壓和擊穿時間。

（4）測得5個擊穿電壓后，更換電極極性，并按照步驟（1）的方法將電極間距調為15 mm；再測得5個擊穿電壓后，更換電極極性，將電極間隙重新調為25 mm。

2 結果與討論

2.1 沖擊擊穿電壓

表1、表2分別為TiO2納米改性植物油的正極性、負極性雷電擊穿電壓。

表1 TiO2納米改性植物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓Tab.1 The positive lightning breakdown voltage of TiO2nano-modified vegetable insulating oil

表2 TiO2納米改性植物絕緣油的負極性雷電擊穿電壓Tab.2 The negative lightning breakdown voltage of TiO2nano-modified vegetable insulating oil

由表1可知，FR3油原油本身便具有較好的雷電沖擊能力，其正極性雷電擊穿電壓平均值能達到70 kV以上。而經TiO2納米改性的油樣雷電擊穿電壓都比原油高，說明TiO2納米粒子的添加能夠提高植物絕緣油的正極性雷電擊穿性能。但是，由表2發現，TiO2納米粒子的添加導致絕緣油的負極性雷電擊穿電壓較原油下降。將表1及表2數據繪制成折線圖如圖3所示。

圖3 TiO2納米改性植物絕緣油雷電擊穿電壓與納米體積分數的關系Fig.3 The relationship between lightning breakdown voltage and nano volume fraction of TiO2nano-modified vegetable insulating oil

由圖3可知，TiO2納米粒子能夠提升植物絕緣油的正極性雷電擊穿性能，當TiO2體積分數為0.125%時，植物絕緣油的雷電擊穿電壓提升了19.2%，且在一定體積分數范圍（0.025%～0.075%）內，TiO2納米改性植物絕緣油的雷電擊穿電壓隨體積分數的增加提升較為明顯。當TiO2納米體積分數超過0.075%時，正極性雷電擊穿電壓的提升趨于穩定。由此可推測，若TiO2納米體積分數繼續增加，可能對于植物絕緣油正極性雷電擊穿性能的提升效果開始減小。然而TiO2納米粒子的添加導致負極性雷電擊穿電壓下降，并且隨著納米體積分數的增加而下降得更多。這是因為植物絕緣油在針尖附近會被電離，從而產生電子崩，納米粒子在電場作用下形成電荷勢阱后，會捕獲電子，在負極附近產生速度較慢的帶負電荷的納米粒子，使其與負極之間的電場變弱，與板極之間的電場變強。與純油中的極性效應相比，板極附近的電場會更大，導致擊穿電壓減小。

2.2 流注發展形貌分析

選用TiO2納米改性植物絕緣油和FR3原油進行正-負極性流注發展形貌的觀察和分析。由于TiO2納米粒子會提升植物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓和降低負極性雷電擊穿電壓，觀察流注發展時添加納米粒子油樣的正極性雷電沖擊電壓相較原油稍高，而負極性雷電沖擊電壓相較原油稍低。使用高速CMOS相機對流注的形貌進行拍攝，得到正極性雷電沖擊下的流注發展形貌特征如圖4～5所示。

圖4 原油在58 kV正極性雷電沖擊下的流注發展形貌Fig.4 The streamer propagation morphology of pure oil under the impact of positive lightning at 58 kV

圖5 TiO2納米改性絕緣油在62 kV正極性雷電沖擊下的流注發展形貌Fig.5 The streamer propagation morphology of TiO2nano-modified insulating oil under the impact of positive lightning at 62 kV

由圖4～5可知，原油的流注僅在針極附近出現較長分支，而通過TiO2納米改性的植物絕緣油在流注發展過程中會出現較長的向周圍發散的分支，導致流注發展通道比較大，這也是TiO2納米改性植物絕緣油的雷電擊穿性能得到提升的原因。分析認為改性植物絕緣油中的TiO2納米顆粒會吸附周圍電子，導致電子較容易向四周遷移，進而使得流注會形成較長的分支。圖6、圖7分別為原油和TiO2納米改性絕緣油在負極性雷電沖擊電壓下的流注發展形貌。由圖6～7可知，在負極性雷電沖擊電壓下，原油中的流注發展速度比改性植物絕緣油中的慢，而原油中的發展長度要比改性植物絕緣油中的長。這是因為改性植物絕緣油中的TiO2納米粒子會吸附電子，導致流注會往四周發展，因此發展長度較短。同時改性植物絕緣油還會在負極附近產生大量遷移速度緩慢的帶負電荷的納米粒子，加強板電極與負極性納米粒子區域的電場，導致流注發展較迅速。

圖6 原油在68 kV負極性雷電沖擊下的流注發展形貌Fig.6 The streamer propagation morphology of pure oil under the impact of negative lightning at 68 kV

圖7 TiO2納米改性絕緣油在66 kV負極性雷電沖擊下的流注發展形貌Fig.7 The streamer propagation morphology of TiO2nano-modified insulating oil under the impact of negative lightning at 66 kV

2.3 流注擊穿形貌及其消散過程分析

在正極性雷電沖擊電壓下，原油和納米TiO2改性植物絕緣油在雷電沖擊下的流注發展及消散過程分別如圖8、圖9所示。

圖8 原油在64 kV的正極性雷電沖擊擊穿下的流注形貌Fig.8 The streamer morphology of pure oil under 64 kV positive lightning impulse breakdown voltage

圖9 TiO2納米改性絕緣油在77 kV的正極性雷電沖擊擊穿下的流注形貌Fig.9 The streamer morphology of TiO2 nano-modified insulating oil under 77 kV positive lightning impact breakdown voltage

由圖8～9流注發展擊穿過程可知，納米改性植物絕緣油中的流注通道要比原油中的大，并且在400 μs時，納米改性植物絕緣油中的流注通道比純油中黯淡，說明TiO2納米改性植物絕緣油的流注消散速度比純油中的快。這是因為TiO2納米粒子會捕獲帶電微粒，導致電荷較容易向四周進行遷移，使得擊穿通道較大。

原油和TiO2納米改性植物絕緣油在負極性雷電沖擊擊穿電壓下雷電沖擊的流注發展及消散過程分別如圖10、圖11所示。

圖10 原油在76 kV的負極性雷電沖擊擊穿下的流注形貌Fig.10 The streamer morphology of pure oil under 76 kV negative lightning impulse breakdown voltage

圖11 TiO2納米改性絕緣油在74 kV的負極性雷電沖擊擊穿下的流注形貌Fig.11 The streamer morphology of TiO2 nano-modified insulating oil under 74 kV negative lightning impulse breakdown voltage

由圖10～11可以發現，在負極性雷電擊穿電壓下，TiO2納米改性植物絕緣油的的流注發展通道相比原油更大，流注持續時間更長。這是由于TiO2納米粒子會捕獲帶電微粒，導致電荷較容易向四周進行遷移，使得擊穿通道較大。

2.4 流注擊穿電壓與擊穿時間

表3、表4分別為正、負極性雷電擊穿電壓及擊穿時間。

表3 原油及TiO2納米改性植物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓和時間Tab.3 The positive lightning breakdown voltage and time of pure oil and TiO2nano-modified vegetable insulation oil

表4 原油及TiO2納米改性植物絕緣油的負極性雷電擊穿電壓和時間Tab.4 The negative lightning breakdown voltage and time of pure oil and TiO2nano-modified vegetable insulation oil

由表3可知，在正極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米改性植物絕緣油的擊穿電壓要比原油的大，并且擊穿時間也比原油的擊穿時間長，說明在正極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米粒子不但能提升植物絕緣油的擊穿電壓，還能阻礙流注在絕緣油中的發展，延長擊穿時間。

由表4可知，在負極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米改性植物絕緣油的擊穿電壓要比原油的小，并且擊穿時間也比原油的短，說明在負極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米粒子不能提升植物絕緣油的雷電擊穿電壓。其原因是TiO2納米粒子在負極附近會形成遷移速度緩慢的帶負電荷納米粒子，使板電極與帶負電荷納米粒子區域間的電場得到加強，導致擊穿電壓不增反減。

3 結論

（1）TiO2納米改性植物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓相比原油得到提升，最高可提升19.2%，說明向植物絕緣油中添加TiO2納米能夠提升絕緣油的正極性雷電沖擊性能。

（2）從所拍攝到的流注發展過程發現，在正極性雷電沖擊電壓作用下，TiO2納米改性植物絕緣油流注的發展速度相對來說比較緩慢，且流注通道比較大，這是因為TiO2納米粒子會捕獲電子，導致流注會往四周進行發展，因此發展速度較慢且短。

（3）在負極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米改性植物絕緣油的擊穿電壓及時間相比原油反而有所下降，這是由于TiO2納米粒子在負極性雷電沖擊下吸附電子后會加強板電極與負極性納米粒子之間的電場，因此相比原油流注發展速度更快。