0 引言
随着电力系统电压等级和输电距离的提升，传统油浸式电力设备正向着高耐压、大容量、高可靠性等方面不断发展[1-2]，对设备绝缘的耐压性能以及散热能力提出了更高的要求[3]。为了适应这一发展趋势，纳米改性绝缘材料应运而生[4]。纳米流体的概念最早由U. S. Choi 在1995 年提出[5]，并在1998年由V. Segal 等将此概念推广到纳米改性变压器油中[6]，以提高其绝缘和散热性能。纳米改性变压器油是指将一定质量的直径小于100nm 的固体纳米颗粒通过一定分散方法均匀分散到变压器油中形成的稳定胶体体系。研究发现，纳米改性变压器油较普通变压器油在耐压、导热、抗老化和抗水分等方面都有较为明显的优势[7-9]。
载流子是指可以自由移动的带电的物质微粒，载流子的定向移动形成电导过程，通过对电导电流的测量，可以分析得到载流子的输运特性。载流子迁移速度与电场强度的比值为载流子的迁移率，根据载流子迁移率变化可以分析得到电荷的传输特性。
W. F. Schmidt 首先总结了与液体电介质中电击穿过程的起始和发展密切相关的基本过程，包括电极过程、液相离子化、气泡形成以及击穿演化过程[10]。M. Butcher 等对普通变压器油高场下的电导过程进行测试和分析，并将电导过程分为三个阶段：欧姆电阻阶段、隧道效应阶段以及空间电荷限制电流饱和阶段[11]。周远翔等对变压器油的电导电流变化及各因素对其影响进行详细论述，但忽略了隧穿效应对电导过程的影响[12]。F. Negri 对磁流体的电导特性进行研究，但由于铁磁性纳米颗粒的加入，稳定性受电压等级影响很大，没有测得空间电荷限制电流饱和阶段的电导特性[13]。
目前，纳米颗粒对变压器油绝缘特性的改性机制的相关理论尚不成熟，国内外学者对纳米改性变压器油的研究还仅限于简单的理论分析。杜岳凡等利用热刺激电流法对改性前后变压器油中的陷阱特性进行了测试，结果表明，纳米粒子的加入增加了变压器油中的浅陷阱密度，提高了变压器油对电荷的消散和输运能力，从而能够改善变压器油的绝缘性能[14]。Lü Yuzhen 等用纯的老化变压器油与加入TiO2纳米改性的老化变压器油做交流击穿电压与脉冲电压试验测试，结果发现，在变压器油中分散性和稳定性良好的TiO2 纳米颗粒，可以大大提高老化变压器油的介电击穿性能[15]。施健等建立了纳米粒子改性变压器油的场致分子电离流注发展模型，通过仿真获得并对比纳米改性变压器油和纯油中流注发展过程中的电场、空间电荷、流注半径、流注发展速率等参数，发现纳米改性变压器油绝缘性能提高的根本原因是纳米粒子对电子的捕获[16]。葛扬首次实现了纯油和纳米变压器油在冲击高电场下的电子迁移率测量[17]。结果表明，纳米粒子显著提高了变压器油中的电子迁移率，纳米变压器油中浅陷阱密度变大，电子迁移率变快，流注发展变慢，击穿电压变高。在外部电场下，电介质从电传导到电击穿整个过程都与载流子的输运有密切关系，载流子定向运动形成电导电流，载流子的输运特性可以揭示电导本质[18-19]；电介质高直流电场强度下的载流子运动对于理解预击穿过程有重要作用[20]。本文将通过不同电场强度下纳米改性前后变压器油的直流电导特性，比较和分析载流子的运动过程及特征，对纳米变压器油性能得到提升的原因和纳米粒子的改性机制进行阐释。
1 纳米改性变压器油的制备和测试
目前，国内外纳米改性变压器油研究中所用的掺杂材料不尽相同，为研究纳米改性机制对变压器油绝缘性能的影响问题，本文制备了TiO2、SiO2 和ZnO 三种纳米材料改性的变压器油，并采用马尔文Zetasizer Nano ZS 90 激光粒度仪测量得到三种改性油中纳米粒径如图1 所示。由图1 中可以看出，纳米ZnO 改性的变压器油粒径最小，纳米粒子改性稳定性最高，而SiO2 和TiO2 改性变压器油效果都不是很理想，粒径超过纳米尺度范围，且较易沉降，不满足试验所需，因此本文所有试验皆以ZnO 改性变压器油所得数据为准，并基于该试验数据做出相关分析。
图1 不同纳米材料掺杂的纳米变压器油的纳米粒子粒径
Fig.1 Particle size of nano transformer oil doped with different nano materials
图2 ZnO 纳米颗粒的TEM 照片
Fig.2 Transmission electron microscopy (TEM) image of the ZnO nanoparticles
图3 ZnO 纳米颗粒的XRD 分析图谱
Fig.3 X-ray diffraction (XRD) pattern of the ZnO nanoparticles
1.1 ZnO 纳米改性变压器油的制备
本文使用ZnO 纳米颗粒来制备纳米改性变压器油。试验采用水热法制备了ZnO 纳米颗粒，操作过程如下：取0.1mol/L 的二水醋酸锌（Zn(CH3COO)2·2H2O）溶液 20mL 和适量油酸（锌盐和油酸的摩尔比为1∶8）于烧杯中，在高速磁力搅拌的作用下滴入1mol/L 氢氧化钠（NaOH）溶液1mL，使Zn2+/OH-的摩尔比为1∶2，然后超声波振荡15min，转入衬有聚四氟乙烯的反应釜，加去离子水至反应釜的70%～80%，将反应釜置于电热鼓风干燥箱，调节烘箱的温度为100℃，升温速率为10℃/min，在100℃下恒温反应6h，然后关闭电源冷却至室温。离心洗涤，最后在80℃下干燥12h 获得样品。为了观察所制备纳米颗粒的形态和尺寸的均一性，本文开展了基于透射电子显微镜法（Transmission electron microscopy, TEM）的观测和X 射线衍射法（X-ray diffraction, XRD）的测试，其结果分别如图2 和图3 所示。可以看出，ZnO 纳米颗粒大小均匀，平均直径约为20nm；同时，XRD 图谱表明，衍射晶面分别为(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(200)、(103)、(112)、(201)，与ZnO 标准卡片JCPDS 70-2551 一致，表明水热反应获得的ZnO 颗粒具有标准的纤锌矿型六角柱结构，沿C 轴方向生长，且纯度较高。
本文使用克拉玛依25 号变压器油作为制备纳米改性变压器油的基液。在进行纳米粒子掺杂之前，根据GB/T 7595 的规定[21]，将变压器油放置于真空环境中，并在(105±2)℃下干燥48h。然后利用卡尔费休微水含量测试仪对干燥后的绝缘油进行测试，其水分含量约为8×10-4%，满足标准要求。纳米改性变压器油的制备过程如下：将不同浓度的ZnO 纳米粒子添加到变压器油，将混合溶液磁力搅拌10min，然后超声振荡30min 即可得到纳米粒子均匀分布的改性变压器油。试验制备了纳米粒子浓度分别为0.05g/L、0.1g/L 和0.2g/L 的纳米改性变压器油，并在80℃的真空环境下干燥48h，以减少水分和溶解气体对电导特性测试的影响。干燥后测试其水分含量约为6×10-4%。
在制备ZnO 纳米改性变压器油时，悬浮在变压器油中的微粒普遍受到范德华力作用很容易发生团聚，但吸附在小颗粒表面形成的具有一定电位梯度的双电层不能完全克服范德华力阻止颗粒团聚的作用[22]。为保证纳米改性变压器油的质量，避免发生团聚，本文使用了两步预防手段：首先在纳米ZnO制备时加入界面活性剂油酸；其次添加分散剂并用超声振荡和磁力搅拌，将纳米颗粒均匀地分散在变压器油中。使用油酸可以吸附在纳米颗粒表面，增加粒子间的距离，降低粒子间范德华吸引力势能，阻碍纳米粒子间的靠近，既使粒子与变压器油分子有良好的“亲和”作用，又使粒子间产生较强的排斥力，避免了团聚体的形成，经过充分搅拌，确保纳米粒子完全扩散，与变压器油形成稳定的胶体，使纳米改性变压器油效果达到最好；最后为验证加入油酸后对纳米改性变压器油的影响，采用动态光散射法（Dynamic Light Scattering, DLS）测试不同纳米掺杂浓度的变压器油纳米颗粒粒径随时间变化，测试结果如图4 所示。由图4 可知，未加油酸的改性油中纳米颗粒平均粒径随时间逐渐增大，且纳米颗粒浓度越大，粒径增大越明显，悬浮液越不稳定。加入油酸后，纳米颗粒平均粒径随时间增加缓慢，悬浮液稳定性提高。
图4 纳米颗粒粒径随时间变化
Fig.4 The variation of nanoparticle size over time
1.2 电导电流测量平台及方法
本小节搭建了电导电流测试平台，并采用阶梯升压法对改性纳米变压器油和普通变压器油的电导电流进行测试。
1.2.1 电导电流测量平台
测量平台主要由高压直流源、试验电极和静电计及其保护电路构成，电导电流测试回路如图5 所示。试验电极采用圆形板-板黄铜电极，间距为1.5mm，板电极直径为25mm，边缘为5mm 倒角，电极间电场近似为均匀电场。试验采用 Keithley 6517B 静电计测量试品的电导电流，其直流电流的理论测量范围为1fA～21mA，能够实现nA 级电流的精确测量。静电计自身压降小于1mV，最大输入电压250V。为了防止试品击穿造成的静电计损坏，试验设计了过载保护电路，由两个二极管（1N4148）反向并联而成，二极管的正向导通电压大于1mV，因此可将其并联在静电计两端，正常测量时不会导通，在试品击穿时导通，起过载保护作用。
图5 电导电流测试回路
Fig.5 Schematic of conduction measurement system
1.2.2 电导电流测量
根据IEC 60247 和IEC 61620 标准规定，在测量电介质电导电流时，对试品施加不同直流电压，由于空间电荷在电场作用下向两极迁移，流经试品的电流会逐渐减少到一个极限值。图6 为在室温25℃下测得的纯净的变压器油和纳米改性变压器油（0.1g/L）在不同电场强度下电导电流随时间的变化曲线，由图6 可知，经过变压器油中的电流在30s内均呈现稳定趋势。
因此，在后续的试验中，取60～100s 内电流的平均值作为流经变压器油的电导电流。加压方法采用阶梯式升压法，如图7 所示。电压持续时间tc 要大于通过试品的泄漏电流达到稳定的时间，选为2min，Δtc 为升压时间，一般在3s 以内。试验所测量的电压范围为500V～13kV，每次升压约500V。
图6 纳米改性前后变压器油电导电流的对比
Fig.6 Comparison of conduction current of traditional transformer oil and transformer oil-based nanofluid
图7 阶梯式升压方法
Fig.7 Step-up voltage method
2 载流子输运机制分析
载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，载流子在电场作用下定向运动会形成电导电流。纳米改性变压器油的电导可以分为弱电场下的电导和强电场下的电导，弱电场下，纳米改性油的电导主要包括离子电导和电泳电导；在强电场下，载流子的迁移主要和电极界面过程及电介质体过程相关。现有的理论主要分为电极效应、体效应和空间电荷效应。电极效应分为肖特基效应和隧道效应；体效应又称为普尔-弗伦克尔（Poole-Frenkel）效应或内肖特基效应，指在介质内部，由电子和正电荷中心的库仑相互作用产生普尔-弗仑克尔势垒，外加的电场降低了被俘获电子逃逸束缚所需克服的势垒的现象；与空间电荷效应对应的空间电荷限制电流（Space Charge Limited Current, SCLC）现象是介质在强电场下的一种基本现象。载流子在电介质中迁移时，有时可能被载流子陷阱所俘获形成陷阱空间电荷，当空间电荷产生的电场与外电场达到平衡时，注入电流到达稳定状态，此时介质中的电流是一种受空间电荷制约的电流，称为空间电荷限制电流。
对现有电导机理的数学关系进行总结见表1。可以看出，各种电导理论中电流密度与电场强度满足不同的比例关系，每种理论电荷转移的机制也各不相同。通过对试验测得电导电流与电场强度数据的分析和处理，确定二者满足的数学关系，与现有电导理论关系进行对比，可以分析得到纳米改性变压器油中载流子迁移及纳米改性机制。
表1 现有电介质电导理论
Tab.1 The current dielectric conduction theroies
电导理论 电流密度与电场强度关系欧姆定律 J∝E空间电荷限制电流 J∝E2肖特基效应 lnJ∝E1/2隧道效应 ln(J/E2)∝E-1电子雪崩电流 lnJ∝E
纳米改性变压器油（以浓度为0.1g/L 为例，后续分析的样品均为此浓度）和普通变压器油的电导电流随电场强度的变化关系如图8 所示。从图中可以看出，随着外施电场强度的增加，变压器油电导电流逐渐增大。在弱电场阶段，电流随电场强度增加不明显，且很小；在强电场阶段，电流增加的速度逐渐加快，电流明显变大。在较低电场强度下，纳米改性变压器油的电导电流较大；随着电场强度逐渐升高，纳米改性变压器电导电流增加速率小于普通变压器油。
图8 两种变压器油的E-I 特性曲线
Fig.8 E-I curves of two kinds of transformer oil
电介质材料的电流密度J 由介质中的载流子密度n0、载流子在电场作用下的迁移速度v 和载流子的电荷q 乘积所决定，有
纳米颗粒的加入，主要是增加了载流子密度n0，使得较低电场强度阶段纳米改性油的电导电流增大。但通过比较纳米颗粒改性前后变压器油电导电流随外部电场的增加速率，可以发现，在强场阶段纳米改性变压器油电导电流增加速度与普通变压器油相比较慢，即纳米改性变压器油中载流子的迁移率较小，有利于抑制放电的发展，提高变压器油绝缘强度。
为进一步分析不同电场下纳米改性变压器油中载流子输运过程及纳米颗粒的影响，将所测得变压器油的电导电流数据使用富勒-诺德海姆（Fowler-Nordheim, F-N）作图法[23]进行分析。利用该方法可将整个电导过程划分为三个阶段，分别为欧姆电导阶段、隧道效应阶段和空间电荷限制电流饱和阶段[24]，E 与I 关系的F-N 作图曲线如图9 所示。
图9 E 与I 关系的F-N 作图曲线
Fig.9 Relationships between E and I in a F-N plot
2.1 欧姆电导阶段
在此阶段，普通变压器油和纳米改性油的I 与E 关系如图10 所示。从图中可以看出，电流I 和电场强度E 成正比例关系，符合弱电场时的欧姆定律，且纳米改性变压器油的电导电流大于普通变压器油且当纳米颗粒浓度增加时，电导率随之增大。由于电导率为电流密度与施加电场强度之间的比值，因此，纳米改性变压器油与普通变压器油电导率相比较大，且当纳米颗粒浓度增加时，电导率随之增大。
图10 欧姆电导阶段E-I 特性曲线
Fig.10 E-I curves in the ohmic stage
在低电场下，离子电导在普通变压器油的电导过程中起主导作用。而添加纳米粒子后，电荷可以吸附在变压器油中的纳米粒子表面形成荷电胶粒，对于纳米改性变压器油，除了烷烃分子或杂质分子解离出的离子之外，其载流子还包括胶体纳米颗粒，电导电流由离子电导和电泳电导共同形成。因此，纳米改性变压器油的载流子密度大于普通变压器油，且随着纳米颗粒的增加，载流子数密度增大，电导率增大。
2.2 隧道效应阶段
在低电场下，电导过程主要由离子电导和电泳电导形成。因此，在欧姆阶段，纳米颗粒的增加实际上增加了电泳电导过程并增加了载流子的数量。然而随电场强度增加，载流子逐渐由液体中的离子和荷电胶粒转变为电极发射出的电子，电子电导开始起主导作用。普通变压器油和纳米改性变压器油电导过程之间的差异主要是由纳米颗粒对电子的影响引起的。
根据普通变压器油高电场下电导过程的研究规律，在高电场下电导电流一般随电场呈指数增加，这意味着变压器油中存在大量带电粒子。假设在没有电子电导的情况下，离子电导仍然在高电场下起主要作用，那么可以认为电导电流的增加是由离子迁移率的增大或离子浓度的增加引起的，下面对这两种可能性进行讨论。
液体电介质中的离子迁移运动可以用穿越势垒的过程来描述[25]，离子的迁移运动示意图如图 11所示，图中，δ 表示A 和B 位置的几何距离，H 表示平均势垒高度。当外施电场为0 时，离子单位时间内从A 跳跃到B 位置和从B 跳跃到A 位置的数目相等，表示为n，具体表达为
式中，n0 为A 和B 位置的平均离子密度；λ 为离子在平衡位置A 和B 处的离子振动频率；k 为玻耳兹曼常数；T 为热力学温度。
图11 离子的迁移运动示意图
Fig.11 Schematic diagram of ion migration
当外施电场E≠0 时，A 比B 位置的势能高出了qEδ /2，则单位时间由A 跳跃到B 的离子数nAB 和由B 跳跃到A 的离子数nBA 可分别表示为
式中，E 为平均电场强度。则由A 迁移到B 的净离子数目可表示为
当电场不太大，即满足qEδ /2≪kT 时，式（4）可以简化为
记离子平均迁移速率为vd，载流子迁移率为μ，根据载流子迁移率的定义进行推导，有
根据以上结果可知，当满足条件qEδ /2≪kT 时，载流子迁移率与电场强度E 的大小无关。根据条件qEδ /2=kT 计算得到电场强度E≈250kV/mm，远大于测试电场强度。因此在本文所研究的范围内，离子的迁移率与电场强度大小无关。
假设离子的解离和复合过程可由AB↔A++B-表示，则当解离和复合过程由于热运动而处于平衡状态时对应的离子浓度[25]为
式中，Ea 为离子解离时越过的势垒能量；N0 为中性分子AB 的浓度；α 为与解离和复合速率有关的常数；A0、B0 为比例系数。
由式（8）可知，离子浓度随电场强度的变化并不满足指数关系。基于以上讨论，本文认为由电极发射的电子在强电场下的电导过程中起主导作用。在此阶段，电导电流和电场强度的关系应满足
式中，M 和N 为比例常数。
把纳米改性前后变压器油的ln(I/E2)与E-1 的关系进行线性拟合，其关系曲线如图12 所示。由图可知，ln(I/E2)与E-1 呈线性关系，满足式（9）的关系，纳米改性变压器油的曲线斜率为-16，普通变压器油的曲线斜率为-2.455，斜率N 为
式中，χ 为电子亲和势垒；ε 为相对介电常数；Δd为势垒厚度。
电子亲和势垒反映了将电极导带底的电子移出到真空中变成自由电子所需要的能量，因电极附近主要是变压器油且电极材料不变，因此认为电子亲和势垒不变。当电介质和金属电极接触时，会从电介质扩展到金属内亚原子距离内形成一个约100nm的纳米级界面，并会形成界面势垒C 和D，电极和变压器油界面示意图如图13 所示[19]。
图12 隧道效应阶段变压器油ln(I/E2)与E-1 的关系曲线
Fig.12 ln(I/E2)-E-1 curves of transformer oil in tunneling stage
图13 电极和变压器油界面示意图
Fig.13 Schematic of the interface between the electrode and transformer oil
该界面恒定带电构成双电层，在界面内可产生高达103MV/m 的电场[26]。在如此高电场强度下，即使电子的能量低于势垒的高度，当电子的德布罗意波的波长大于势垒A 的厚度时，电子将会隧穿通过势垒，这些透过的电子增加了变压器油的电导电流。也即在适中电场阶段，由场致发射而来的电子电导是影响变压器油电导电流的主要原因。
假设普通变压器油对应的势垒厚度为100nm，加入纳米颗粒后，经式（10）计算得到势垒厚度变为654nm。因此，纳米颗粒的加入主要是增加了界面势垒A 的厚度，相同电场强度下通过势垒进入到变压器油中的电子将会减少，大大削弱了空间中自由电子的密度，有利于抑制放电的发生。
根据图9 的结果可以发现，在变压器油中加入纳米颗粒后，隧道效应阶段的起始电场强度由0.8kV/mm 增加到1.2kV/mm。这主要是由于纳米颗粒对电子的捕获作用，削弱了电极附近的局部电场，降低了电子的运动速度，需要施加更高的电场，给电子提供足够的动能，才能使电子跃出电极金属进入界面并通过界面势垒C，进入到液体电介质的导带区。
纳米颗粒捕获电子后，会作为一种载流子在电场下运动，运动过程中会与油分子进行碰撞，将动能转移至油分子上，这种动能的转移会使液体分子沿载流子运动的方向运动。为清晰直观地显示载流子的运动，对纳米改性变压器油在直流电场下的流速场进行测试，结果如图14 所示，测试方法及试验细节详见文献[27]。
图14 不同激励电压下纳米改性变压器油中流速分布
Fig.14 Speed distribution of transformer oil-based nanofluid at different excitations
根据图14，在10kV 直流电压下，电极板正对部分的平均流速约为2.156mm/s，在15kV 直流电压下，电极板正对部分的平均流速约为4.317mm/s，在20kV 直流电压下，电极板正对部分的平均流速约为7.962mm/s。随着电压的增大，流速逐渐增大。
图15 纳米改性变压器油流速随电场强度的变化
Fig.15 Flow rate of transformer oil-based nanofluid with respect to electric field strength
将流速和电场强度的关系绘成曲线如图15 所示。从图15 中可以看出，随着电场强度增加，载流子迁移速度增大。当由欧姆电阻阶段进入到隧道效应阶段时，曲线斜率增加，载流子迁移率相应增大，即载流子迁移率并不是保持不变的，在强场阶段随电场强度增加逐渐增大。
由图15 可以看出，随着电场强度的增加，纳米改性变压器油流速也相应地增加，当电导过程由欧姆阶段过渡到隧道效应阶段时，油流速的增加速率也随之加快。这表明在该电场强度下，载流子迁移率开始随着电场强度的增加而增加，同时载流子密度也因场致发射电子数目的增加而增加。
2.3 空间电荷限制电流饱和阶段
对介质施加更高的电场时，不仅会引起自由载流子迁移速度的增加和电极电荷注入的增强，还会引起载流子在变压器油中的倍增和空间电荷的积聚，下面讨论这一过程。
当外施电场继续增强时，流经介质的电流应是电极注入电流Is 和体内漂移电流Ib 连续而成，稳态情况下，应有Is=Ib。如果Is≠Ib，将在变压器油中形成过剩电荷，过剩电荷将被载流子俘获形成陷阱空间电荷。当Is＞Ib 时，阴极附近形成负空间电荷，反之，形成正空间电荷。当空间电荷产生的电场与外电场达到平衡时，注入电流到达稳定状态，此时介质中的电流是一种受空间电荷制约的电流，称为空间电荷限制电流（Space Charge Limited Current, SCLC）。
在纯净变压器油中，忽略陷阱对电子的捕获作用，电流与电场强度遵循莫特-古奈关系（Mott-Gurney law）[28]，有
式中，ε 为变压器油的相对介电常数，约为2.2；d为油间隙，d=1.5mm。
对纯油饱和阶段的电流I 与电场强度的二次方E2 进行拟合，结果如图16 所示。从图中可以看出，电流I 与电场强度E2 成正比，满足式（11），拟合曲线斜率为0.023 3，可以得出饱和阶段载流子的迁移速率约为2.93×10-5cm2/(V·s)。
对于纳米改性变压器油，纳米颗粒的加入，使得变压器油中陷阱密度增加，无法忽略陷阱对电子的捕获作用，这里引入一个系数θa 来代表与陷阱密度有关的修正系数，有
式中，nt 为纳米颗粒引入的陷阱密度；ni 为未改性变压器油中本征陷阱密度。
图16 SCLC 阶段普通变压器油E2-I 关系曲线
Fig.16 Plot of E2-I curve for the traditional transformer oil under high electric field excitation
对于注入电荷的一部分被陷阱俘获形成陷阱空间电荷的情况，θa＜1，则纳米改性变压器油中载流子迁移率为
式中，μ0 为普通变压器油的载流子迁移率。
采用同样的方法对纳米改性变压器油的电流I与电场强度的二次方E2 进行拟合，如图17 所示。从图中可以看出，电流I 与电场强度E2 成正比，并可以得出高电场强度下载流子的迁移率约为 2.2×10-5cm2/(V·s)，较普通变压器油小，由式（12）可以计算得出陷阱密度为纯油的约1.5 倍，结论与杜岳凡等研究结果一致[28]。
图17 SCLC 阶段纳米改性变压器油E2-I 关系曲线
Fig.17 Plot of E2-I curve for transformer oil-based nanofluid under high electric field excitation
载流子迁移率的降低，主要是由于纳米颗粒的加入，变压器油中的陷阱密度增加，在高电场强度区，电离产生的电子在运动过程中不断被浅陷阱捕获和释放，降低了电子的迁移速率。因此，纳米颗粒起到了抑制载流子迁移的作用。
2.4 陷阱电荷的测试与对比验证
为验证纳米改性变压器油在较高电场强度下是否可以产生浅陷阱捕获电子，本文采用 concept90介电温度谱测量系统对改性变压器油进行热刺激去极化电流（Thermally Stimulated Discharge Current,TSDC）测量，旨在佐证文中前述结论的正确性。设置油样厚度为0.5mm，测试的测试方案如图18 所示。
图18 TSDC 测试方案
Fig.18 Test scheme of thermal stimulated depolarization current
首先对室温下的样品升温到极化温度30℃，然后在此温度下对试品施加250V 的极化电压，保持30min 使极化过程充分完成；然后利用液氮对样品急剧降温，以-30℃/min 的速率降至-15℃，使充分取向的电荷冻结；此时撤掉外施电压，在-15℃下将试品短接10min，以释放掉残余电荷；保持短接状态，以3℃/min 的速率进行升温，直至90℃，记录升温过程中的电流，对纯油和纳米改性变压器油进行测试，获得了变压器油中的陷阱分布特性，变压器油TSDC 测试结果如图19 所示。改性前后变压器油TSDC 测试结果对比见表2。
图19 变压器油TSDC 测试结果
Fig.19 TSDC test results of transformer oil
表2 改性前后变压器油TSDC 测试结果对比
Tab.2 Comparison of TSDC test results of transformer oil before and after modification
试品 峰值电流/pA 陷阱能级/eV 陷阱电荷量/nC纯油 1.83 0.411 3.21纳米油 4.23 0.283 7.88
从图19 和表2 可以看出，纳米改性变压器油和普通变压器油的曲线都表现出单峰的特性。纳米改性变压器油的电流峰值是普通变压器油的2.4 倍，陷阱电荷量是普通变压器油的2.5 倍。由此可见，纳米粒子的加入大大增加了变压器油中的浅陷阱密度，浅陷阱密度的增加，使得高电场强度下产生的电荷在纳米改性变压器油中有更大的机会被浅陷阱捕获。本文通过对变压器油的TSDC 试验，验证了高电场强度下纳米粒子的加入使变压器油更易形成浅陷阱。通过对纳米变压器油的TSDC 试验，充分证明了纳米粒子的加入增加了变压器油中的浅陷阱，载流子被浅陷阱捕捉释放，抑制了载流子的迁移。
3 结论
本文通过对纳米改性变压器油电导电流及载流子流速场的分析，得到了载流子在不同电场下，尤其强电场下的输运特性，并解释了纳米颗粒的作用机制，进一步完善了纳米颗粒对变压器油的改性机理。纳米改性变压器油在不同电场下载流子输运过程可以分为欧姆电阻阶段、隧穿效应阶段和空间电荷限制电流饱和阶段三个阶段：
1）在欧姆电阻阶段，电流I 与电场强度E 成正比关系，纳米颗粒的加入，增加了载流子的数密度，使得电导电流增加。
2）在隧道效应阶段，ln(I/E2)与E-1 成正比关系，载流子由液体中的离子和荷电胶粒转变为电极发射出的电子，电子电导起主导作用，随电场强度的增加，载流子迁移率逐渐增大。纳米颗粒的加入增加了界面势垒的厚度，减少了通过势垒进入界面区域的电子，且由于纳米颗粒对电子的捕获作用，增加了由欧姆阶段过渡到隧道效应阶段的电场强度，提高了绝缘强度。
3）在空间电荷限制电流饱和阶段，I 与E2 成正比关系，纳米颗粒的加入增加了变压器油的陷阱密度，降低了载流子的迁移率，有利于抑制放电的发生。
根据以上三个阶段的讨论，可以发现，尽管纳米粒子的添加增大了变压器油低电场强度下的电导率，但纳米粒子对强电场下电击穿过程的抑制作用更为突出。在未来的工作中。应采用不同的试验手段，尝试从不同角度探索纳米颗粒在变压器油中的作用机制，包括在改善绝缘特性方面纳米颗粒对变压器油中运动电荷的抑制作用，抗水分、抗老化方面纳米颗粒的界面效应，以及导热方面纳米颗粒的强化效应等，这对进一步完善纳米颗粒改性机理，推动纳米改性变压器油的工程应用具有重要意义。
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