基于修正的havriliak-negami模型的sio2纳米改性变压器油宽频介电弛豫特性-温福新.pdf

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1、2016年4月第31卷第7期电工技术学报TRANSACTIONS 0F CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYV0131 No7A pr 2016基于修正的HaVriliak-Negami模型的Si02纳米改性变压器油宽频介电弛豫特性温福新12 董 明1 任 明1 Christof Sumereder3 Michael Muhr3(1电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安7100492中国大唐西北电力试验研究所 西安7100773Institute of High Voltage Engineedng and System Management Graz U

2、niversity of Technology Graz A8010)摘要 为了掌握纳米改性变压器油介电性能，探索纳米改性内在机理，对SiO，纳米改性变压器油介质损耗特性进行了试验研究。首先在室温条件下分别对纯变压器油和SiO，纳米改性变压器油的宽频介电谱进行测试，然后引入修正的Havriliak-Negami模型方程对实测结果进行拟合，并从该模型中提取了相应的介电参数用于分析纳米油介电性能的变化规律。试验结果表明，与纯变压器油介电谱相比，SiO：纳米油介电谱的低频段电导损耗降低了，而中高频段极化损耗增加了。经分析与讨论，可认为Si0：纳米颗粒添加到变压器油中，纳米颗粒与油分子形成微观双电层结

3、构，其增加了纳米流体中载流子跃迁势垒，致使纳米油宏观介电性能发生一定程度改变。关键词：纳米改性变压器油 宽频介电谱界面极化介电响应中图分类号：TM214The Broadband Dielectric Relaxation Prolperties of the Transformer oilBased on Si02 Nanoparticles Using Modified HaVriliakNegami Model耽n F龇讥。2 Do馏尬喟。 Ren M诹。 吼sfo厂S“舭re如rj Mic地ef JJl轧舻(1State Kev Labonltory of E1ectrical Ins

4、uIa【ion and Power EquipmentXian Jiaotong Universitv Xian 7 10049 China2China Datang Northwest Electric Power Test and Research Institute Xian 710077 China3Institute of High Voltage Engineering and System ManagementGraz UniverSity of Techn010盯 Graz A8010 Austria)Abstract In order to understand the di

5、electric pmperties of the tmnsfb肿er oil based on nanonuids andexplore its intemal modification mechanism， this p印er investigates the dielectric loss chamcteristics of thetransfb珊er oil based on Si02 nanopanicles Firstly the broadband dielectric spectroscopy of the pure transf0珊eroil and the oil base

6、d on si02 nan叩anicles are measured at room temperature The measured results are 6tted bythe modi6ed HaVriliakNegami model function Then the models parameters are extracted and analyzedTheI|esults indicate that， comparing with pure oils dielectric spectroscopy， the conduction 10ss in 10w frequencydom

7、ain of Si02 nanomodmed oil decreases， while its polarization loss in higher frequency domain increasesnrou曲analysis and diseussion，it could be i小rred that the rnjcroscopic electric double layer will be fo硼ed in theinte血ces of nan叩aIticles and oil molecules mer the incorporation of the Si02 nanopaIti

8、cles into the transfo彻er oilThis Inicroscopic stnlcture enhances the transition barrier of the charge c痢ers in nanofluids，resulting in thechange of眦cmscopic dielect而c pIDperties of the transfbmer oil based on nanonuids to a certain degreeKeywords： Tmnsf0珊er oil based on nanoparticles， broadband dieI

9、ectric spectroscopy， intedacialpolarization，dielectric response中央高校基本科研业务费专项资金、电力设备国家重点实验室创新基金(EIPEl3311)、中国博士后基金(2014M560777)和陕西省科学技术研究发展计划(2013GY2一D8)资助项目。收稿日期2015_03-3l 改稿日期2015-07-09万方数据箜!鲞箜!塑 墨塑堑笠基王堡垂的旦!塑!堕!：盟!竖型篮型笪皇Q2垫鲞堕壁变匡鲞迪童麴盆皇垫堡壁丝 !鱼20 引言 耗增加、击穿耐受水平提升等。电力变压器是电网运行中非常重要和关键的设备之一，其安全可靠运行直接关系到电网

10、运行可靠性，目前110 kV及以上电压等级的大型电力变压器普遍采用油一纸复合绝缘结构，随着输变电设备运行电压等级日益提高，油浸式电力变压器安全可靠性要求越来越受到重视。根据我国国家电网公司对110 kV及以上电力变压器事故统计分析表明，我国变压器事故主要由油一纸复合绝缘出现缺陷事故而导致1；，因此如何寻找提升传统油纸绝缘性能的有效技术方法与途径已日益迫切。纳米技术在电气工程领域中的应用已引起了各国研究学者的广泛关注。随着1995年美国阿贡实验室CChoi教授拉1首次将纳米颗粒添加到液体中，并提出了纳米流体概念，纳米流体开始成为液体电介质领域中一个新的研究热点。1998年ABB公司研究人员首次将

11、纳米颗粒添加到变压器油中，并证实了纳米材料的加入有效提高了变压器油的导热性能和绝缘性能1，之后各国研究学者也分别对纳米改性变压器油进行了不同程度的研究。41，研究结果均表明，纳米改性变压器油可在一定程度上提高变压器油击穿场强和局放起始电压，但目前对于纳米材料添加提高变压器油绝缘性能的理论机理及解释，各国研究者观点尚未形成一致性结论。为了深入研究纳米变压器油绝缘性能及其影响因素，有必要深入绝缘油分子层面，对其微观结构与宏观性能之问的相关性进行深入分析，进而对变压器油纳米改性机理提出合理解释。宽频介电谱方法1副是一种非破坏探测物质材料或体系内部不同组成的有效手段，具有测量频带宽、测量迅速等优点，通

12、过宽频介电谱测量，可获得材料分子的构造、束缚的和移动的电荷相关的大量信息，如介电常数、介电损耗、电容、电阻和电感等；还可依据各具体研究体系测量结果对宽频介电谱采取模型化解析。1，进一步获得关于界面结构、内部构成相电性质等诸多信息1。在室温及10106 Hz范围内，本文分别对添加了Si0，纳米颗粒的变压器油和纯油的宽频介电响应特性进行了测试，在基于修正HavriliakNegami模型对介电谱曲线有效拟合的基础上，进一步利用本文提出的电导损耗和极化损耗模型分别对介电谱实测结果进行解析计算。计算结果表明：一定比例的siO，纳米颗粒添加到变压器油中，纳米粒子与变压器油分子形成了微观双电层结构，其增加

13、了载流子跃迁势垒，引起纳米油宏观介电性能发生改变，即电导率下降、介质损1 电介质极化理论”1电介质的损耗角正切可定义为tan6=与 (1)S式中，7为复介电系数实部；s”为复介电系数虚部。对于单一的松弛极化行为最早由Debye提出4I，其方程可表示为s+=一is”=。+；孚 (2)l十l(U丁式中，s+为电介质的复介电系数。复介电常数的实部s 7与介质中的无功电流呈正比，同介质介电常数具有相同的意义；而虚部s”表示介质中电导和松弛极化引起的能量损耗大小，称为损耗因素。图1为一个典型Debye松弛过程示意。图中，8为弛豫强度，8。为介质的静态介电常数，s。为介质的光频介电常数。图1典型Debye

14、松弛过程Fig1 Schematic diagmm of Debye relaxation process事实上能满足式(2)所描述的Debye型弛豫情况很少。多数情况下，材料体系中存在两种以上的偶极子物质体系或因不同物质构成体系等原因，具有多弛豫时间对整个弛豫产生贡献1 3；，所测量的介损峰值也远宽于Debye方程所预测的结果，且多数情况是不对称的，此时称为NonDebye型弛豫行为。对于NonDebye型弛豫行为最敏感的判定是其在复平面上是否偏离由单一弛豫时间给出的半圆，这种偏离已经被许多学者提出的经验方程给予了公式化说明，其中典型的有colecole、Davidsoncole、Havri

15、liakNegami等提出的模型方程，上述3个典型的模型方程均可包含在HavriliakNegami(HN)方程中。+ s ，、一+丁可面：而 式中，0Bl；071；口和7是与弛豫时问分布相关的参数。当7=1时，HN方程就转换为colecole方万方数据168 电工技术学报 2016年4月程，当口=1时，该方程就转换为DavidsonCole方程。其中，实部和虚部分别为s 7(c，)=s；+sr()cos7p(t) (4)s”(co)=sr(co)sin7妒() (5)式中，7()和；p(cE)分别为r c，=-+2 c丁，。c。s(譬)+c下，邛一2(6)HN方程由于具有广泛适用性，不但可用

16、于对各种材料的介电弛豫进行分类，分离不同的弛豫过程，而且常用于拟合介电谱曲线，从介电谱中获得弛豫参数(如弛豫时间丁和弛豫强度s等)。文献13表明，在一定的温度和湿度条件下，材料的复介电常数s 4随频率的变化规律主要由以下3个方面决定：可移动载流子的传播；偶极分子的微观转动；材料界面处电荷的分离。其中可移动载流子在电介质中的传播即构成了电导行为，主要发生在介电谱的低频段；、两个方面则构成电介质中的极化行为，主要发生在介电谱的中高频段。这一理论已经在文献16中得到了验证。也就是说，电介质材料的介电谱应是由电导行为和极化行为共同组成，介电谱的介电常数虚部典型特征如图2所示。lOg甜陶2介电谱虚部典J

17、删组成Fig2 Typical schematic dia铲am of the imaginarypart of dielectric spectroscopy根据文献15研究结果可知，对于介电谱虚部8”中的电导部分可通过文献17提出的随机自由障碍能模型进行解释分析，其方程可表示为盯+(E) 2砥丁丽 (7)式中，丁。为克服决定直流电导率最大障碍的频率。极化贡献部分主要采用具有广泛适用性的HavriliakNegami方程对介电谱进行拟合分析，经电导修正的HN模型方程可表示为， 、s+()=-i0I导l+s晶() (8)L，J式中，o为常数；盯。为直流电导率；对于纯电子电导，s=1。根据Kra

18、mersKroning色散公式m1可知8h。=吾(罄以s”()：塾f5墨4孚以 (9)盯JO Z一(t，。复介电常数的实部和虚部包含相同信息，因此本文仅针对所测得的介电谱复介电常数的虚部8”进行讨论。2试品准备及实验情况21纳米油的制备本文选用克拉玛依25 4变压器油为基液，采用超声振荡将二氧化硅纳米颗粒均匀分散至变压器油中，制备了体积分数为0ol的纳米改性变压器油(以下简称纳米油)。纳米改性变压器油制备完成后，真空条件下静置24 h，以减少振荡过程中产生的气泡对实验结果的影响，并利用Metrohm 831卡尔费休微量水测定仪测试试样的水含量。22实验方法采用宽频介电阻抗谱仪cONcEPT 4

19、0分别对纳米油和纯油进行介电谱测量，测量频率范围为10一106 Hz，测量温度为室温25，采用液体样品池BDsl308装载纳米油试样，其具有良好的密封性能，可大幅降低环境温度和湿度等因素对测试结果的影响，使测试结果具有较高的测量准确度。试验电极采用铜板电极，电极直径为t配0 mm，上下电极间距为o1 mm，液体样品池连接示意图如图3所示。固定螺栓电极连接件绝缘压紧螺钉样品池卜电极放置样品电极样品材料样品池下电极图3 液体样品池BDsl308连接示意图Fig3 Liquid sample cell BDSl 308万方数据箜!鲞箜!塑 墨塑堑笠茎王丝垂笪旦!堕!垫!：堕!塑型篮型塑璺!Q2塑鲞堕

20、丝变匡墨迪童麴盆皇塾堡壁壁 !鲤实验回路整体连接原理图如图4所示。乜源图4实验回路连接示意图Fig4 Connected diagram of expemental circuit3测试结果在25 cC条件下，分别对纯油和纳米油介电谱进行了测试，纯变压器油实验结果如图5所示。从图中可以看出，在低频段(10102 Hz)，纯油介电谱虚部值8”均随频率的增加而近似线性下降；当频率较高(102106 Hz)时，其值随频率的增加下降较缓慢，未观察到明显的极化峰；而对于介电谱实部值8 7，在低频段(101 Hz)随频率的增加而快速下降，在中高频段其值保持不变。SiO，纳米油介电谱测试结果如图6所示。在低

21、频100 10l 102 103 104 105 106 107频率Hz纯变压器油的测试结果”随频频率，Iz图6 SiO：纳米油测试结果Fi6 Test results of()订)ase(1 on Si02 nanoparticles率的增加而线性下降，与纯油虚部具有相似变化趋势；而随着频率增加，出现了两个明显的极化峰，一个位于101102 Hz，另一个位于105106 Hz，与纯油测量结果具有明显区别。可见，纳米油和纯油相比，具有不同的极化机制。4分析与讨论利用上述修正的HN模型分别对纯油和Si0：纳米油所测得的实验数据进行拟合与解析，拟合结果如图7和图8所示。无论是纯油还是纳米油，介电谱

22、拟合曲线和实测结果具有良好的一致性，说明了该模型方程据具有适用性。频率Hz图7 纯变压器油介电谱曲线拟合结果Fig7 Fitfing resulls of dielectric spectroscopy()flransfjnller oil步贞率Hz图8 Si0，纳米油介电谱曲线拟合结果Fi昏8 Fitting cunre of oil based on Si02 nanopanicles对于变压器油而言，其电阻率较高，体积电阻率约为10幢10H Qm。在外电场的作用下，对于介电谱中复介电常数虚部s”(co)的低频段，其主要是由电导损耗造成，其中电导主要来源于变压器油中离子电导，而中高频段为极

23、化损耗部分，因变压器油为单一均匀介质，其内部不存在界面极化，故其极化损耗主要源于油中偶极子转向极化。根据电导和极化模型分别对复介电常数虚部的电导贡献部分和极化贡献部分进行解析，结果如图9所示。可见在低频段的电导损05：图O3O万方数据170 电工技术学报 2016年4月耗为主部分，介电谱虚部值随频率的降低呈线性增加，而在中高频段可以观察到一个明显的极化峰，这与典型的电导和极化特征相吻合。步9 1辱H，图9纯油中电导和极化损耗拟合结果Fig9 Fitting curve of conductivity and polarizationloss in pure oil通过上文所述电导和极化模型分别

24、对纳米油的介电谱虚部进行分析，结果如图10所示。可以看出，和纯油相比，纳米颗粒的加入，引入了完全不同的损耗机制。在低频段电导损耗为主部分，s”随的增加而线性降低，这与典型电导特性一致，且电导部分拟合结果和实验值具有良好的一致性；而在中高频段存在两个清晰的极化峰：d极化峰(双电层中的对离子极化)和B极化峰(界面极化)，且其对离子极化的极化强度远大于界面极化。图10 Si0：纳米油中电导和极化损耗拟合结果Fi昏10 Filting curves of conductivity and polarization 10ssin oiI based on Si02 nanoparticles通过本文的模

25、型对介电谱虚部曲线拟合，可提取如表1所示的典型特征参数。对于纳米改性变压器油而言，由于纳米粒子比表面积较大，表面能较高，在外电场作用下会在油中形成稳定的双电层结构，如图11所示。纳米颗粒表面因吸附一定数量的电荷而带电，在颗粒附近分布了与之相反电荷的离子，靠近颗粒表面表l所测样品的特征参数Tab1 Characteristic parameters of experimental sample图11双电层结构Fig1 l E1ect“cal double layer stnlcture的离子层称为紧密层，其离子浓度较大；离子浓度较小、离表面稍远的为扩散层。由于其结构与纯油有所不同，因此其电导和极

26、化具有不同机制。在低频段电导损耗为主部分，电导主要由来自油中离子电导和由于纳米颗粒的加入而引起的电泳电导0所组成；在高频段极化损耗为主部分，从图10中可以看到存在两个对粒子双电层非常敏感的介电弛豫，它们来自两个典型的极化机制：由于包裹粒子的双电层中的对离子在外加电场作用下因形变而形成的大的诱导偶极矩，该极化出现在相对较低的频段(约在102104 Hz)；由于纳米粒子和油之间存在的相界面形成的界面极化，该极化出现在较高的频段(约在103108 Hz)，其中界面极化主要是由自由电荷的移动产生。在外电场作用下，油中自由电荷移动，被油和纳米粒子的界面所捕获，形成了空间电荷的局部集聚，使得介质中的自由电

27、荷分布不均匀，从而产生宏观偶极矩，引起了界面极化；而对离子极化主要是与粒子表面的双电层的结构和电性质有关。在双电层中空间电荷不仅导致界面极化，同时也导致双电层内部局部电流的不均匀分布，这种不稳定分布自然会通过离子的迁移扩散趋于平衡；另外，在双电层中的对离子与本体溶液之问为了达到不同电性质离子流的平衡而出现离子的扩散，这两种扩散结果将在中低频段形成一个诱导偶极矩，从而产生了对离子极化。根据绝对反应速率Eyring理论。1 8。可知，活化自由能与温度和弛豫频率的关系为万方数据第3l卷第7期 温福新等 基于修正的HavriliakNegami模型的si0：纳米改性变压器油宽频介电弛豫特性卫=簪x“等

28、) ，了2 i懿pI百J U)式中，丁为弛豫时间常数；K为玻尔兹曼常数，K=13810坷JK；矗为普朗克常数，=662610“Js；丁为绝对温度；R为气体常数，尺=8314 J(m01K)；u为活化自由能。将表l中得到的特征参数丁带入式(10)，可得到油样室温下的活化自由能，如表2所示。表2室温下样品的活化自由能Tab2 Activation energy of the sample oil at mom temperature从表2中可以看出，纳米粒子的加入增加了变压器油的活化能。根据量子物理理论19。，对于液体电介质而言，载流子定向迁移即构成电导行为。在外电场的作用下，载流子获得一定能量，

29、当所获能量超过液体电介质中载流子跃迁所需能垒时，才能形成电导，图12为液体电介质中载流子跃迁所需克服的能垒模型U A B C 工图12液体电介质中载流子跃迁所需克服的能垒模型Fig 1 2 The ener夥ba而er model of cha唱e carriers indielectrjc liquid由于变压器油中纳米颗粒的加人，提高了油中载流子跃迁能垒(如表2所示)，载流子从A跃迁到B需要外界提供更高的能量，一方面油中载流子跃迁概率降低，纳米油直流电导率和纯油相比有所下降；另一方面载流子最终在电极之问贯穿，形成导电通道需要更高的能量，进而提高了纳米变压器油的击穿强度。5 结论为了深入了解

30、纳米改性变压器油的电气性能，本文在室温及10106 Hz频率范围内分别对变压器油及SiO，纳米改性变压器油的宽频介电谱进行了测试，并对变压器油纳米改性机理进行了深入研究，得到如F结论：1)对于纳米改性变压器油，由于纳米颗粒加入，使其具有了与纯油相比不同的损耗产生机制：在电导损耗方面，引入电泳电导构成的电导损耗；在极化损耗方面，由于双电层的形成引入对离子极化和界面极化所构成的极化损耗。2)本文所提出的介电谱曲线拟合方法不仅适用于纯变压器油中单弛豫损耗特性拟合，还可对siO：纳米油中多弛豫损耗行为进行模型化解析。3)将一定比例的SiO，纳米颗粒添加到变压器油中，纳米粒子与变压器油分子形成微观双电层

31、结构，增加了载流子跃迁能垒，从而引起了纳米油宏观介电性能的提升。参考文献1 王梦云110 kV及以上变压器事故统计分析J供用电，2006，23(1)：14，22Wang Mengyun Analysis of the fault statistics oftransfonners 1 10 kV and overJ Distribution &Utilization，2006，23(1)：l_4，222 choi c，Choi u sDevelopments and印plications ofnon-newtonian nowsM New York： ASMEPubIication 1 995

32、3 segal V，Hjortsbe。g A，Rabinovich AAc(60 Hz)and impulse breakdown strength of a coUoidal nuid basedon 【ransfomer oil and magnetile nanoparticlescIEEE Intemalional Symposium on Electrical Insulation，Arlin殍on，VA，1998，2：619_6224 Hwa“g J G，zaln M，0sullivan F MEffects ofnanoparticle charging on stIamer d

33、evelopment intransfo珊er oilbased nanonuidsJJoumal of appliedphysics，2010，107(1)：014310-0143175 chiesa M， Das s K Experimenfal investigation of thedielectric and c00ling perfb册ance of colloidal suspensionsin insulating mediaJ colloids and su血ces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2009，335(13)：

34、88976 周远翔，王云杉，田冀焕纳米改性变压器油的破坏特性J高电压技术，2010，36(5)：1155一1159Zhou YuaI】xiang， Wang Yunshan Tian Jihuan， et a1Breakdown characteristics in transfo舯er oil modi6ed bynanoparticles l J High Voltage Engineering，20 l 0，36(5)：115511597 沈谅平纳米改性变压器油的制备及其特性研究D武汉：华中科技大学，20128 杜岳凡，吕乇珍，李成榕，等半导体纳米粒子改万方数据j卫一 一 皇王夔查堂塑

35、兰Q!生兰旦91012性变压器油的绝缘性能及机制研究J中国电机工程学报，2叭2，32(10)：177182Du Yuefan， Yuzhen， “Chengrong， et a1 Insulatingproperty and mechanism of semiconducting nanoparticlesmodi6ed t啪sfonIler oilsJPmceedings of the csEE，2012，32(10)：177182刘君，周利军，吴广宁纳米改性变压器油一纸复合绝缘频率响应特性J中国电机工程学报，20ll，31(28)：144153Liu Jun， zhou un， Wu Gu

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39、ulation systemJPmceedings of the csEE，2015，35(4)：10021008陈季丹，刘子玉电介质物理学M北京：机械工业出版社，1986Dyre J Cne random freeenergy b枷er model for acconduction in disordeId solidsJ Joumal AppliedPhysics，1988，64(5)：2456-2468殷之文电介质物理学M北京：科学出版社，2006金维芳电介质物理学M北京：机械工业出版社，1997作者简介温福新男，1990年生，硕士研究生，研究方向为电力设备故障诊断及新型绝缘电介质材料。Email：wfxxju163eom董明男，1977年生，副教授，博士生导师，研究方向为电力设备故障诊断与在线监测。Email：do“gmingmailxjtueducn(通信作者)万方数据