纳米油改性及超憎水涂层的应用
摘要：变压器等输变电主设备的油纸介质已越来越不能满足特高电压等级对大容量、小型化、高可靠性绝缘系统的严格要求。
为了解决输电电压等级提高带来的高性能变压器油及油纸绝缘问题，基于纳米改性技术，开展具有优异电气性能的新型纳米油纸复合绝缘系统的研究。
采用变压器油纳米添加改性技术，研究了纳米改性变压器油的制备方法，得到了纳米改性提高变压器油破坏特性的最佳配比，并对纳米改性变压器油在交流、直流、雷电冲击下的破坏特性和局部放电起始电压进行了对比研究。
研究结果说明了纳米改性对于变压器油纸绝缘系统的性能提高提供了新的可能途径。
同时，在后文中说明了防覆冰的重要性，输电导线表面覆冰可能会导致断线、倒塔等安全事故，严重威胁着输电网络的安全可靠运行，后文探索防覆冰方法通过化学刻蚀及涂覆低表面能物质的方法，在导线表面制备了超憎水涂层，现象表明，超憎水涂层可以增大导线表面的水滴接触角（CA），减小冰与导线之间的作用力，在一定程度上可以抑制和缓解铝导线表面覆冰的形成和增长，可用于导线防冰工作中。
关键词：纳米改性；变压器油；防覆冰；涂层；超憎水；接触角
1纳米油改性的应用
物质经微纳米化后，尤其是处于纳米状态时，其尺寸介于原子、分子与块状材料之间，故有人称之为物质的第四状态。
纳米粒子具有许多特殊的性质，人们对纳米材料的研究表现出极大的热情，先后合成出多种功能先进、性能突出的纳米及纳米复合材料，广泛应用于工农业及航空航天等尖端领域。
纳米粒子粒度细、比表面积大、原子配位不足及高的表面能，使得这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，易团聚。
这种团聚的二次粒子难以发挥其纳米效应，使材料达不到理想的性能。
因此，为了提高纳米粒子在高聚物混合体系中的分散能力，增加纳米粒子与其他组分的结合力，需要对纳米粒子进行表面改性。
纳米粒子表面改性是指采用物理、化学等深加工处理的方法对纳米粒子的表面进行处理、修饰和加工，从而控制其内应力，增加纳米颗粒间的斥力，降低颗粒间的引力，使粒子的表面物理、化学性质(形貌、晶体结构、缺陷状态、应力状态、官能团表面能、表面疏水性、表面润湿性、表面电势、表面吸附和反应特性等)发生变化，有目的地改变纳米粒子表面的物理、化学性质，从而赋予纳米粒子新的功能、满足纳米粒子加工及应用需要的一门科学技术。
1.1纳米粒子团聚的原因
由于纳米粒子所具有的特殊的表面结构，所以在粒子间存在着有别于常规粒子(颗粒)间的作用能——纳米作用能(Fn)。
定性地讲，这种纳米作用能就是纳米粒子的表面因缺少邻近配位的原子，具有很高的活性，而使纳米粒子彼此团聚的内在属性，其物理意义应是单位比表面积纳米粒子具有的吸附力。
它是纳米粒子几个方面吸附的总和：纳米粒子间氢键、静电作用产生的吸附；纳米粒子间的量子隧道效应、电荷转移和界面原子的局部产生的吸附；纳米粒子巨大的比表面产生的吸附。
纳米作用能是纳米粒子易团聚的内在因素。
要得到分散性好、粒径小、粒径分布窄的纳米粒子，必须削弱或减小纳米作用能。
当采取适当方法对纳米粒子进行分散处理时，纳米粒子表面产生溶剂化膜作用能(Fs)、双电层静电作用能(Fr)、聚合物吸附层的空间保护作用能(Fp)等。
在一定体系里，纳米粒子应是处于这几种作用能力的平衡状态：当Fn>Fs+Fr+Fp 时，纳米粒子易团聚；当
Fn<Fs+Fr+Fp时，纳米粒子易分散。
要使纳米粒子分散，就必须增强纳米粒子间的排斥作用能：(1)强化纳米粒子表面对分散介质的润湿性，改变其界面结构，提高溶剂化膜的强度和厚度，增强溶剂化排斥作用；(2)增大纳米粒子表面双电层的电位绝对值，增强纳米粒子间的静电排斥作用；(3)通过高分子分散剂在纳米粒子表面的吸附，产生并强化立体保护作用。
1. 2表面改性方式
1）表面物理改性
表面物理改性一般是指不用表面改性剂而对微纳米粉体实施表面改性的方法，包括电磁波、中子流、α粒子、β粒子等的辐射处理以及超声处理、等离子处理、热处理、电化学处理等。
2）表面化学改性
表面化学改性指通过纳米粒子表面与处理剂之间进行化学反应或化学吸附，改变纳米粒子表面的结构和状态，达到表面改性的目的的方法。
表面化学改性法在纳米粒子表面改性中占有极其重要的地位，是目前最常用的表面改性方法，主要有酯化反应法、表面活性剂法、偶联剂法、表面接枝反应法等。
由于纳米粒子的团聚，纳米粒子的表面改性直接关系到纳米粒子的应用。
目前，表面改性的方法比较多，但能从根本上解决问题的方法还较少，须进一步研究探讨。
另外，在对纳米粒子进行表面改性时，还应考虑改性剂的复合使用，以期达到更好的改性效果。
纳米粒子复合材料的制备是纳米粒子应用的主要领域，目前不同的表面改性方法只是集中于处理方法的本身，忽略了处理方法与已处理的纳米粒子之间的关系，对它们在制备纳米粒子填充聚合物复合材料中的应用尚未深入研究。
在以后的研究工作中，有必要探讨经处理的纳米粒子的微观结构对纳米复合材料的影响，使纳米粒子的特殊效应在复合材料中得到很好的体现，最终使材料的力学、光学、热学等方面的性能都有较大的提高。
1.3纳米油改性的具体应用
油纸绝缘是一种典型的液固复合绝缘, 在油浸式变压器中有着广泛的应用。
目前大型特高压变压器均采用油纸绝缘。
然而, 随着输电电压等级的不断提高, 油纸复合绝缘已越来越难以满足高电压等级对大容量、小型化、高可靠性绝缘系统的严格要求。
而对油纸复合绝缘在多物理场作用下老化破坏特性和沿面放电规律认识的不足, 以及对绝缘的体积效应、介质的空间电荷效应等方面的相关理论依据的缺乏, 进一步增加了变压器绝缘设计和制造的难度。
因此, 研究油纸复合绝缘系统老化和破坏的机理, 改进和提高绝缘材料性能, 开发新型高性能绝缘材料, 是高可靠性高压变压器制造技术的发展方向, 也是我国特高压电力设备发展的迫切需要。
纳米技术在绝缘材料领域的应用研究是目前的热点问题,也是在绝缘材料性能提高方面最有可能取得突破和进展的学科重要发展方向。
有文献报道在变压器油中添加纳米粒子形成胶体被用来增强变压器绕组线圈的散热作用。
传统的小桥击穿理论认为纯净度是绝缘油电气强度的根本保证, 当油中含有杂质时, 杂质在电场作用下形成小桥, 导致油的绝缘性能大幅度下降, 因此工程上对油的净化要求非常严格。
然而, 介于介观和微观之间的亚微尺度纳米粒子, 比普通的杂质粒子小2到3个数量级以上, 纳米效应使得纳米粒子和液体介质形成稳定的溶胶体系。
由于胶体的稳定性, 在外加电场下, 纳米粒子不会积聚形成小桥, 小桥理论不再适用。
当在纳米尺度内改性液体介质,纳米效应将导致变压器油基胶体耐电强度升高。
由于受固有的小桥理论局限, 这一重要的纳米效应多年来一直没能受
到足够的重视。
纳米技术在油纸复合绝缘中的应用, 目前在国内鲜见研究, 国外也仅有少数科研机构进行了单一介质下的纳米应用研究, 且局限在交流和脉冲电压形式下的部分电气性能变化上。
纳米技术在传统油纸复合绝缘中的应用是提高油纸绝缘强度的新思路、新方法, 有必要从机理探索和工程实践需要两方面进行纳米技术在油纸复合绝缘中的基础研究。
在纳米改性变压器油的破坏特性中做过的一个实验，将经过处理的纳米改性变压器油置于标准油杯中, 油杯中采用可调节的铜制尖板电极, 在2、3、4、5mm 间隙下分别多次测量其在交流和直流条件下的击穿电压。
在5 mm 间隙下测量其雷电冲击下的50%击穿电压伏秒特性曲线。
另外, 利用局部放电测量系统测量了纳米改性变压器油在油杯中尖板间隙下的局部放电起始电压。
所有的实验均使用未经纳米改性处理的变压器油进行对比实验。
根据实验，我们可以看出：
1) 纳米改性变压器油能够提高在较大间隙下的交直流击穿电压达约10%~20% , 能够显著提高原有变压器油的局部放电起始电压达29%~53%,对于提高变压器绝缘系统的抗老化破坏性能和降低介质损耗具有重要意义。
2) 纳米改性变压器油能够很好地改善原有变压器油在雷电冲击条件下的50% 击穿伏秒特性曲线。
3) 基于纳米粒子介质球极化模型, 计算了极化电荷在粒子表面产生的势阱深度, 阐明了纳米粒子界面对电子的捕获和流注的阻挡作用提高纳米改性变压器油在大间隙下绝缘性能的物理过程。
因此，纳米改性变压器油给传统的变压器油纸复合绝缘结构带来了新的提高性能的可能性，这是一个崭新的研究领域。
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