摘要：本文介绍变电站中纳米技术的应用研究现状和相关实例，分析并展望纳米技术在变电行业的应用前景。

    随着输电系统电压等级的提高、城市用地的紧缺和用电容量的增大等，城市变电站面临着越来越大的压力，需朝着小型化、智能化、高效率等方向发展。变压器及其它部件作为变电系统中的重要组成部分，在电气、机械和化学等方面有很高的要求，任何部件的故障都有可能降低供电系统的可靠性，甚至导致重大的经济损失。
    变压器发明100多年来，其操作和功能没有重大变化，但在性能上取得了重要进展，出现了一批高电压等级、高容量、高可靠性、高效率的电气变压部件。然而，考虑到材料的物理性能，传统材料几乎达到了其性能的极限。进一步的研究和开发主要体现在常规材料的增强和新材料的发掘。纳米材料作为一种新型材料，引起了诸多领域材料科学的技术革命。例如，在电力系统变电领域，经过纳米改性的变压器油具有更高的热电率、电导率和交流击穿特性；采用纳米增强材料制作的绝缘子可用在超高压、特高压输电工程，其表面涂覆的纳米涂层具有自清洁防污功能。

    1 高压变电系统的挑战
    随着电压等级的提高，高压变电系统面临着诸多技术上的挑战。
    挑战一：高压设备的研制，降低噪音等级。变电站噪音来自变电站的各种设备，包括特高压变压器、并联电抗器、封闭开关及特高压避雷器、电压互感器、高压绝缘子等。随着电压等级的提高，需解决磁场引起的振动、噪音和发热问题，要求设计制造的设备满足相关的国际标准或国家标准，如我国对特高压输电线路可听噪音的限值是50～60dB。
    挑战二：污秽环境下绝缘子的击穿。环境的恶化、工业生产排出的含盐废气，会对输电线路绝缘产生破坏，在电力场的作用下绝缘子击穿，发生“污闪”现象。输电线路对高电压、大容量、远距离输送的要求，使传统绝缘子面临着巨大的挑战，使用复合材料或涂有特殊涂层的绝缘子具有抗污闪性能，可减轻输电运维工作量和停电次数。
    除了硬件设备制造上的挑战外，高压输电技术还面临着控制变电站及架空线周边产生的电磁环境，抑制电晕现象，提高电压传输等级和抑制内、外部过电压等问题。这不仅需要在设备制造上提升水平，还需要前期在理论上进行攻关，为设备设计和试验提供指导依据。

    2 纳米材料在变电系统中的应用研究现状
    2.1纳米改性变压器油
    纳米改性变压器油的研究重点体现在散热特性和电气特性两方面。当纳米颗粒尺寸减小时，纳米流体的有效热导率增加，产生布朗运动，轻而小的纳米颗粒不易发生沉淀，因而纳米流体比常规流体显示出更好的热传递性能。文献的测量结果表明，在体积比为0. 5％时，经ZnO、A12q、AIN纳米分别改性的变压器油的热导率增加约7%、而当体积比增大到1％时，纳米改性变压器油热导率分别增大了11%, 18％和20%。由此可见，对变压器油进行纳米改性可有效提高变压器油的热导率，从而提高变压器的散热效率。
    变压器油中的空间电荷效应是影响流注放电产生和发展的重要因素。纯净变压器油中加入纳米粒子后，纳米粒子与变压器油相接触而形成的特殊界面特性对纳米改性变压器油击穿过程中的空间电荷运输方面起着决定性作用。界面区域包含有大量的电子陷阱，这些陷阱能反复地捕获和释放流注中的电子，从而降低电子迁移的速度和能量，抑制流注的进一步发展。所以，加入纳米粒子后正极性操作和雷电冲击击穿电压相对纯净变压器油都会有所提高。文献试验了Fe3O4、 T1O2和A12O3纳米颗粒的变压器油，结果表明经纳米改性后的变压器油的正负操作冲击平均击穿电压都比纯净变压器油的有不同程度的提高，在最佳质量浓度条件下，正极性操作冲击下的击穿电压提高幅 度分别达到44.1%, 33.3%, 35.5%；同时，对负极性雷电冲击击穿电压的影响不显著，但正极性雷电冲击击穿电压幅度提高了20％以上。国外也有通过添加纳米粒子改善变压器油散热特性和电气特性的报道，如Sega等人通过纳米颗粒（Fe3q）改性常规矿物油，开发了第一款介电铁磁流体，结果显示经改性的液体的击穿电压是纯净矿物油击穿电压的2倍。
    纳米改性变压器油作为一种先进的绝缘流体，在改善变压器油介电特性和提高热传递方面取得了突破。另外，纳米流体存在着一些需要解决的问题，如纳米颗粒的分散和聚集，纳米颗粒的制作成本和大规模生产等问题。可以期待，纳米流体将作为电气变压器新一代绝缘流体而被广泛研究和应用。

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