ZnO纳米改性变压器油相对介电常数模型
为了了解纳米颗粒添加对变压器油相对介电常数的影响情况，本文采用ZnO 半导体纳米颗粒制备改性变压器油，在此基础上研究了纳米改性变压器油相对介电常数随纳米颗粒体积分数和环境温度的变化规律，并提出了基于克劳修斯-莫索提(Clausius-Mossotti)方程的纳米颗粒极化模型来解释纳米改性变压器油相对介电常数的变化机理。实验结果表明，ZnO 纳米颗粒的添加将小幅度地增大纳米改性变压器油的相对介电常数，且相对介电常数值随纳米颗粒体积分数线性增长，而随环境温度线性降低；同时纳米颗粒极化模型的计算值较好地吻合了实验测量数据。对所提模型的进一步分析表明，纳米改性变压器油的相对介电常数主要由普通变压器油决定；相比于普通变压器油，纳米改性变压器油相对介电常数的增大主要是因为纳米颗粒内部极化。
油纸绝缘作为一种成熟的绝缘技术，在大型电力设备中广泛应用，特别是变压器和电感器。随着设备运行时间的增长，油纸绝缘结构在电、磁、机械等多种物理因素作用下，暴露出越来越严重的老化/劣化问题，特别是绝缘材料发热引起的热老化，进而大大降低了电力系统的安全可靠性。调查显示，2005∼2010 年我国因输变电设备故障所引起的电网停电事故占当年总事故的37%∼48%，已居故障起因首位。因此优化与改善油纸绝缘系统的绝缘性能及散热特性，提高其绝缘可靠性、延长设备使用寿命已经成为学术及工程应用重点关注的研究领域。1995 年纳米微粒首次被添加到变压器油中，以提高油流体的导热能力。Choi 的研究也表明，通过在变压器油中添加体积分数为0.5%的AlN 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，这些颗粒的平均直径为几到几十纳米，比变压器油中常见微粒小两至三个数量级。进一步研究表明，除了在导热性能方面大幅提高外，纳米改性变压器油和普通变压器油相比还具有较好地电气特性。V. Segal等发现，添加铁磁材料的纳米改性变压器油和普通变压器油相比，具有更高的工频击穿电压。同时在正极性雷电冲击下纳米改性变压器油的耐压比普通油高近1 倍，且流注的发展速度更缓慢。周远翔等发现纳米颗粒可以提高较大间隙下变压器油的击穿电压，改善其雷电冲击伏秒特性。
Hwang 等在多物理场仿真的基础上，认为油中的纳米颗粒会“捕获”流注发展过程中快速运动的电子，从而降低流注的发展速度。杜岳凡等通过热刺激电流法测试纳米改性变压器油的陷阱特性发现，纳米颗粒增大了变压器油中的浅陷阱密度，阻碍自由电子的运动，从而提高了纳米改性变压器油的放电性能。目前关于纳米改性变压器油的研究主要集中在它的导热性能和放电击穿特性等方面，尚未涉及相对介电常数、介损值等评价绝缘材料基本电气特性的参数。
本文在制备ZnO 半导体纳米颗粒改性变压器油的基础上，研究了纳米改性变压器油的相对介电常数随纳米颗粒体积分数和温度的变化关系， 提出了基于克劳修斯- 莫索提(Clausius-Mossotti)方程的纳米颗粒极化模型来解释纳米改性变压器油相对介电常数的变化规律。
1、实验准备
1.1、纳米改性变压器油制备
实验中ZnO纳米颗粒(Sigma-Aldrich 677450)通过超声振荡方式均匀分散到25#克拉玛依变压器油中，制备获得ZnO 纳米改性变压器油样。图1为ZnO 颗粒分散在乙醇中的电子透射显微镜(TEM)照片，可以看出ZnO 颗粒大小均匀，直径约为30 nm。为了防止化学添加剂的干扰，实验中ZnO 颗粒未进行表面化学处理，同时上述纳米改性油样在制备完成后静置12 h，以减小振荡过程中微小气泡对实验测量的不利影响。
图1 ZnO纳米颗粒TEM 照片
1.2、相对介电常数测量
实验中ZnO 纳米改性变压器油所含颗粒体积分数分别为：0.025%、0.1%和0.2%。测量仪器为DX6100一体化绝缘油精密参数测试仪，测试油杯按照IEC 60247标准，采用三极式结构油杯，电极间距2 mm。实验中施加2000 V 工频交流电压，测量上述三种改性油样在不同温度下相对介电常数。
结论
(1)当纳米颗粒含量较低时，ZnO 纳米改性变压器油的相对介电常数和普通变压器油相比有小幅的增大,且改性油的相对介电常数随纳米颗粒体积分数的增大而线性增大，而随温度的升高线性降减小。
(2)由于纳米改性变压器油中纳米颗粒的含量很少，在Maxwell-Garnett 经验公式中几乎忽略了纳米颗粒对改性油相对介电常数的“贡献”，所以Maxwell-Garnett 经验公式并不适用于对纳米改性变压器油相对介电常数的预测。
(3)在克劳修斯-莫索提方程中，除原有的变压器油分子极化外，通过引入微观纳米颗粒内部极化和带电纳米颗粒取向极化，强化纳米颗粒对改性变压器油相对介电常数的“贡献”。以上述三种极化为基础建立的纳米颗粒极化模型，能够较好地解释ZnO 纳米改性变压器油相对介电常数的变化规律。对模型的进一步分析认为，纳米改性变压器油的相对介电常数主要取决于变压器油；相比于普通变压器油纳米改性变压器油相对介电常数较高，主要是因为纳米颗粒内部极化。
