油纸老化文章

1、TiO 2纳米改性变压器油纸绝缘系统热老化特性分析0引言大型变压器作为电力系统的重要组成部分，其绝缘性能的优劣关系到电力系统安全稳定运行。油浸式变压器主要采用油纸绝缘系统，油纸绝缘的寿命决定了 变压器的使用寿命。相关研究表明纳米改性变压器油相比于普通变压器油具有更 好的绝缘性能冋。而纳米粒子在变压器油纸绝缘系统的老化方面的研究也开始 得到了学者的重视。国内外学者对纳米粒子在油纸绝缘老化进行了一系列的研究。Segal V对Fe3O4纳米流体和普通变压器油在185 C下进行了 12周的老化试验，实验结果表 明相比于普通变压器油Fe3O4纳米流体在老化后依然表现出较强的绝缘性能。 由于铁磁性纳米油流

2、体的稳定性和击穿特性受外部磁场的影响较大7-10,并不太适用于电力变压器，因此学者将注意力转移到半导体纳米材料上。杜岳凡对TiO2纳米粒子对老化变压器油的改性作用进行了研究将TiO2加入到经过36天老化后的变压器油中，发现其工频击穿电压、雷电冲击电压、局方起始电压和老化相同 时间的纯油相比都有了很大的提升， 空间电荷衰减率提高了 1.57倍、陷阱密度增 大的同时陷阱深度降低11,12。在对TiO2纳米改性变压器油直接老化方面的研究 中，文献13对TiO2改性变压器油和纯油同时进行了为期6天130 C的短期老化试 验，发现老化后的变压器油的工频击穿电压均值和1%击穿电压值分别是老化后的纯油的1.

3、19倍和1.27倍，在局放测试中，老化纳米油的1%击穿电压是老化纯 油的1.14倍。胡志峰又对TiO2变压器油和纯油进行了 36天130 C下的长期老化试 验，每6天进行一次测试，实验结果表明老化后 TiO2变压器油的工频击穿强度和 局方起始电压电压分别是老化纯油的1.4倍和1.1倍。目前对对纳米改性变压器油纸绝缘的综合老化研究尚为空白。本文对TiO2纳米改性变压器油浸纸板和纯油浸纸板进行了130 C下36天的热老化对比试验，在老化过程中每12天记录两种试样油的颜色并测试两种试样油的工频击穿电 压，每6天对两种试样的纸中酸值和油中的聚合度。1实验部分1.1试验样品的准备将25号变压器油过滤三次

4、以滤掉油中的杂质，杂质含量达到CIGRE 12.17标准，得到净纯矿物质油（简称纯油）。通过水浴超声法使纳米粒子（d2 Onm）均 匀分散到纯油中，制成浓度为 0.075%（体积浓度为 1%）纳米粒子改性变压器油 （简称纳米油）。将纯油和纳米油置于真空箱中，常温气压小于1kPa的状态下进 行真空干燥48小时，使油的水分小于1Oppm。与此同时，将纸板剪成相同形状， 放入烘干箱，在105C的温度下干燥48小时。根据真实变压器中油纸的含量（质 量比约为10:1），我们按照此比例分别在纳米油和纯油中放入相应比例的绝缘纸。由于变压器中，铜在老化过程中扮演催化剂的角色，按照文献15所述，按1.1mL 油

5、：0.5cm2铜片的比例向油样中加入铜片。1.2 加速热老化处理绝缘系统的寿命主要由热老化来决定。根据实验和统计资料得出：当这类 绝缘的工作温度在80T至140C范围内变化时，绝缘的寿命损失可按6度法则估 计，温度每提高6C,绝缘寿命缩短一半16。我们通过36天130C老化来模拟32 年的工作状况下的老化情况。 对盛有试样的烧杯通入氮气 5分钟以去除烧杯中的 空气并密封，放入老化箱中在130C加速热老化。在加速热老化的过程中，每6天对变压器油的酸值和绝缘纸板的聚合度进行测试，每 12天对变压器油的工频 击穿电压进行测试并观察变压器油的颜色。1.3 变压器油的工频击穿测试变压器油的工频击穿电压可

6、以表征变压器油击穿电压的能力， 是作为判断变 压器油绝缘性能的判据之一。 对未老化、老化 12天、老化 24天、老化 36天的 试样中的普通变压器油和纳米改性变压器油进行工频击穿测试。 每个试样在测试 前需要使其水分含量需要保持在10ppm11ppm之间。本文利用建通6801油介电 强度测试仪进行工频击穿电压测试，采用黄铜球盖形电极，极间距离为 2.5mm， 升压速率为2kV/s,每一个试样进行第一次升压前需静置 5分钟，每次击穿后需间 隔 1 分钟，期间通过磁棒在磁场的作用下对变压器油进行搅拌。 每一个试样进行 72 组测试。计算其工频击穿电压的均值。1.4 变压器油酸值的测试变压器油的酸值

7、是反映变压器油老化程度的重要指标， 变压器油的酸值的高 低与其电气性能有着十分紧密的关系， 油纸绝缘系统在老化过程中， 变压器油被 氧化产生的酸性氧化产物不仅会腐蚀变压器中的金属而且也会加速变压器油纸的老化速度。因此酸值是评定新油和判断运行油老化程度的重要化学指标。为了解纳米该型变压器油的酸值随老化的变化情况并与普通变压器油老化后的酸值 进行对比。对未老化、老化 6天、老化12天、老化18天老化24天、老化30 天、老化36天的纳米该型变压器有和普通变压器油进行酸值测试。本文根据 GB/T7599-1987采用瑞士万通877型全自动酸值滴定仪测试油样中的酸值， 以中 和每克变压器油试品酸值所需

8、要的氢氧化钾试剂的质量来表示，单位为mg/g。1.5纸板聚合度测试绝缘纸的主要成分是纤维素，而纤维素的是由葡萄糖单体组成的高聚合碳氢 化合物4.。绝缘纸的老化过程也就是纤维素降解的过程。纤维素大分子由葡萄 糖单元体组成，化学式为（C6Hlo05）n式中n为聚合度，表示纤维素是由多少个葡 萄糖单体组成，由于测试试样是由不同聚合度的纤维素组成的混合物，因此所测的聚合度为平均聚合度。聚合度反映了纸板的机械强度，老化过程中纸板纤维断 裂，聚合度降低，从而导致纸板的机械强度降低， 聚合度能够十分准确的反映出 绝缘纸板的老化程度，因此我们采用这种方法测试绝缘纸的老化程度，测试标准为 IEC 60450。2

9、结果和分析2.1油的外观图1未老化试样外观图2老化12天试样外观图3老化24天试样外观图4老化36天试样外观图1、图2、图3、图4分别为未老化、老化12天、老化24天、老化36天试样的外观,左边是纯油试样，右边是纳米油试样。 油的颜色和透明度直接反映了油的老化程度，油的颜色越深、透明度越低反映老化程度高。可以看出随着老化时间的增加，纳米油和纯油的颜色都越来越深，到老化后期试样已经完全的浑浊。对老化24天和老化36天的试样进行观察可以得到，老化后期纳米油的颜色比纯油的颜色更浅，说明纳米油比纯油的抗氧化性能更好。2.2工频击穿电压表1纳米油和纯油的工频击穿电压随老化时间的变化关系时间纳米油纯油老化

10、时间 工频击穿电压（kV）试样未老化66.868.212天79.6970.124天70.964.536天62.2653.21如表1所示，纳米油和纯油的工频击穿电压都将随老化时间的增加而降低， 与未老化的试样相比，老化36天的纳米油和纯油分别降低了 xx%、xx%。，与未 老化纯油相比，未老化纳米油的工频击穿电压提高了 xx% ;与老化12天的纯油相 比，老化12天纳米油的工频击穿电压提高了 13.68%;与老化24天的纯油相比，老 化24天纳米油的工频击穿电压提高了 9.92%;与老化36天的纯油相比，老化36天 纳米油的工频击穿电压提高了 17.00%。通过结果可以看出老化后与纯油相比， 纳

11、 米油依然具有更高的工频下的绝缘性能。2.3油的酸值表2纳米油和纯油的酸值随老化时间的变化关系时间酸值（mg/g）试样纳米油纯油0天0.006980.00586天0.008790.021912天0.01260.031118天0.02350.045824天0.03050.050130天0.07630.067836天0.06540.0798纳米油和纯油的酸值随老化时间的变化关系如表 2所示，随着老化时间的增 加，纳米油和纯油的酸值都会随着老化时间的增加而增长，且在老化后期酸值的增长速率明显高于老化初期。在整个老化过程中纳米油的酸值一直低于纯油的酸 值，这表明了纳米油相比于纯油具有更好的抗氧化性能。

12、这也与对纳米油和纯油 的外观的观祭得到结果相一致2.4纸板聚合度12001000510 15 20 25 30 35 40图x纯油浸纸板和纳米油浸纸板的聚合度与老化时间的规律纳米油浸纸板和纯油浸纸板的聚合度与老化时间的规律如图 1所示，纳米油 浸纸板和纯油浸纸板在未老化的时候聚合度都为 1100左右，在老化初期两者的聚 合度在短时间内快速下降，且纳米油浸纸板的速率比纯油浸纸板的速率略快。 在 老化后期，纳米油浸纸板和纯油浸纸板的聚合度的下降速率逐渐变慢， 在末期稳 定在500左右，且在老化后期纳米油浸纸板的聚合度略高于春油浸纸板的聚合度。3结论(1)随着老化时间的增加，纯油和纳米油的颜色都将越

13、来越深且纳米油的颜色比纯油的颜色更深。(2)变压器油的酸值会随着老化时间的增加而增长，纳米油的酸值总体低于纯油(3) 从对变压器油的颜色和酸值测试的结果预示纳米油可能具有更好的。(4) 两种变压器油的工频击穿电压都会随着老化时间的增加而降低，纳米油的工频击穿电压始终高于纯油，说明在老化过程中纳米油保持着相比于纯油在工 频下的绝缘水平的优势。(5) 纯油浸纸板和纳米油浸纸板的聚合度都会随着老化的时间的增加而降 低，且老化前期聚合度下降的速率较快，老化后期聚合度的下降速率较慢。(6) 纳米油浸纸板在老化前期的聚合度略低于纯油浸纸板，老化后期的聚合度略高于纯油浸纸板。说明在老化前期，纳米油浸纸板的老

14、化速率更快，但在老 化后期纳米油浸志办的老化速率反倒变慢。1 Segal V, Hjortsberg A, Rabi no vich A, et al. AC (60 Hz) and impulse breakdow n stre ngth of a colloidal fluid based on transformer oil and magnetite nanoparticlesC/Electrical Insulation,1998.Conference Record of the 1998 IEEE International Symposium on. IEEE, 1998, 2:

15、 619-622.2 Hwa ng J G, Zah n M, OSulliva n F M, et al. Effects of nan oparticle charg ing on streamer development in transformer oil-based nanofluidsJ. Journal of applied physics, 2010, 107(1): 014310.3 Herchl F, Kopcansky P , Timko M, et al. Dielectric properties of magnetic liquids in high electri

16、c fieldsJ. Acta Physica Polo ni ca-Series A Ge neral Physics, 2008, 113(1): 569-572.4 Yue-fa n D, Yu-zhe n L, Jia n-qua n Z, et al.Breakdow n properties of tran sformer oil-based TiO 2nano fluidC/Electrical In sulation andDielectric Phe no me na (CEIDP),2010 Ann ualReportConference on. IEEE, 2010: 1

17、-4.5 Hwa ng J G, Zah n M, OSulliva n FM, et al. Effects of nan oparticlecharg ing on streamerdevelopment in transformer oil-basednanofluidsJ. Journalof appliedphysics, 2010,107(1):014310.6 Segal V, Nattrass D, Raj K, et al. Accelerated thermal aging of petroleum-based ferrofluidsJ.Journal of magneti

18、sm and magnetic materials, 1999, 201(1): 70-72.7 Lee J C, Seo H S, Kim Y J. The in creased dielectric breakdow n voltage of tra nsformer oil-basednano fluids by an exter nal magn etic fieldJ. I ntern ati onal Journal of Thermal Scie nces, 2012, 62: 29-33.Patel R , Upadhyay KPRV , Mehta R. Rheology o

19、f transformer oil based ferrofluidsJ.Indian journal of engineering & materials sciences, 2004, 11: 301-304.9 Kop ?ansky P, Tom?o L, Marton K, et al. The DC dielectric breakdown strength of magnetic fluidsbased on transformer oilJ. Journal of magnetism and magnetic materials, 2005, 289: 415-418.|10 V 奁 3 L, Bica D, Avdeev M V. Magn etic nan oparticles and concen trated magn etic nano fluids: synthesis, properties and some applicationsJ. China Particuology, 2007, 5(1): 43-49.11 杜岳凡.TiO_2纳米粒子对变压器油绝缘和电荷输运特性的影响D.华北电力大学，2013.12 Lv