二氧化钛纳米粒子对变压器油耐水分劣化性的影响机制

Recently, nanoparticles have shown great potential in improving water resistance of transformer oil, which can enhance breakdown strength of transformer oil up to 40% in comparison with that of base oil. This provides a new way to reduce the deterioration effect of water on the insulating properties of oil-paper system in transformer. However,there is still lack of a corresponding theory to explain this phenomenon. In this project, we aim to explain this phenomenon by taking transformer oil modified by TiO2 nanomaterials (nano-oils) as the research object. Firstly, we will synthesize nanoparticles with different morphologies, sizes and surface modification status by wet chemical method and prepare nano-oils. Then,the effect and working mechanism of microstructures and surface status of nanoparticles on water form and distribution behavior in the oil will be studied. The relation between microstructures and surface absorption water with its surface charge characteristics of nanoparticles in the oil will be measured and analyzed. In the end, influencing mechanism of TiO2 nanoparticle on water resistance of transformer oil will be proposed based on the combination of microscopic property of water and nanoparticle and macrosopic breakdown performance of transformer oil.This project is of great significance to understand the working mechanism of nanoparticles on water resistance of transformer oil,which will provide the basis for restraining deterioration effect of water in the transformer oil and guiding the development of new kind of oil-paper system in power transformer.

近年来的研究表明：纳米粒子在提高变压器油耐水分劣化性方面显示了极大的潜力，适当纳米粒子的加入可以将高湿度变压器油的击穿强度提高近40%，这为解决油纸绝缘的水分劣化问题提供了新的思路。由于该领域的研究刚刚起步，国内外还缺少相应的理论来解释这一现象。 本项目针对这一问题，以二氧化钛纳米粒子改性变压器油为研究对象，采用湿化学法制备不同形貌、尺寸和表面修饰状态的纳米粒子，配制相应的纳米油；系统研究纳米粒子微观结构和表面修饰状态对变压器油中水分存在形式和分布特性的影响规律和机理；测试分析纳米粒子微观结构和表面吸附水分与其表面电荷特性的作用关系；将水分和纳米粒子的微观特性与变压器油的宏观击穿性能相结合，提出纳米粒子对变压器油耐水分劣化性的影响机制。本项目的实施对于深入了解纳米粒子增强变压器油耐水分劣化性的微观机制具有重要意义，同时也为有效抑制水分对变压器油的劣化和研制新型油纸绝缘系统奠定理论基础。

本项目针对纳米粒子提高变压器油耐水分劣化性尚缺少理论解释这一问题，以二氧化钛纳米粒子改性变压器油（简称：纳米油）为研究对象，系统研究了纳米二氧化钛形貌、尺寸与表面修饰等微观结构的调控和纳米油的分散稳定性，分析了纳米粒子微观结构和浓度对变压器油中水分的分布和聚集状态的影响规律，仿真发现了纳米油模型中水分分布的变化规律，结合纳米粒子微观结构对不同水分变压器油工频击穿性能和油中电场的改性作用，提出了纳米粒子提高变压器油耐水分劣化性的作用机制。.主要研究成果包括：1. 通过控制反应配比等参数实现了对二氧化钛纳米粒子形貌、尺寸和表面修饰的调控，发现了纳米棒定向附着提高其长径比的生长机理。2. 提出了搅拌超声复合分散方法，利用搅拌的高速剪切力和超声空化作用有效抑制了纳米粒子在分散过程中的团聚，制备出了具有良好高温分散稳定性的纳米油。3. 发现纳米粒子可以显著提高油中水分的均匀分布，实现水分聚集状态由多聚态向低聚态的转变，揭示了纳米粒子均化油中水分分布和改变水分聚集状态的作用机制。4. 发现了纳米粒子可以显著提高变压器油的工频击穿性能，其尺寸、形貌、表面修饰和浓度对击穿强度的影响作用与水分聚集状态的变化密切相关。5. 揭示了纳米粒子提高变压器油耐水分劣化性的改性机制，正是由于极性二氧化钛纳米粒子在油中引入的大量固液界面，有利于抑制油中多分子水簇的形成及其在电场下的快速迁移，削弱了水分子导电通道的形成，从而显著提高纳米变压器油的工频击穿强度。.本项目研究成果已发表SCI论文12篇，申请国家发明专利2项，培养博士后1名、博士1名、硕士研究生5名。