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摘要：变电站出线电缆性能的优劣直接影响着变电站的供电可靠性，而电缆绝缘层材料的耐局放性能是衡量电缆绝缘性的重要指标。聚合物基纳米复合材料作为电介质和电气绝缘材料在电气工程领域有着广泛的应用前景。本文简要介绍了纳米复合电介质的发展及结构特性，在总结多篇文献的基础上给出了纳米复合电介质的局部放电机理，并引用实验来论述纳米复合电介质具有较强的抗局部放电能力。
关键词：110kV变电站出线电缆；纳米复合电介质；局部放电
1 引言
变电站在电能的应用环节中起着承上启下的重要作用。110kV变电站都是直接对用户的，起着区域供电保障的重任。作为电缆外层的绝缘保护，聚合物纳米复合电介质是无机材料以纳米尺度均匀分散于聚合物中而形成的复合体系，其优良的性能获得了各电缆厂家的青睐。自上世纪八、九十年代以来，绝缘材料制造与应用领域关于纳米电介质的研究非常活跃。1994年T.J.Lewis提出纳米电介质的概念并作为电介质未来的研究方向，使得电介质的研究从传统的德拜松弛理论转向纳米尺度的介观理论[1]。对纳米尺度介电现象的研究有助于理解聚合物纳米复合电介质宏观介电性能所对应的微观结构机理，并有可能大幅度提升电力设备和电力电子器件的绝缘品质，开拓电介质应用的新领域。
2 绝缘聚合物纳米复合电介质的发展
人们自觉地把纳米材料作为研究对象始于20世纪50年代，原联邦德国的Kanzing等观察到了BaTiO3中的极性微区，它们的尺寸在10~100nm之间；到了20世纪60年代，著名的物理学家、诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman首次提出合成纳米粒子的设想；1962年，Kubo及其合作者针对金属超微粒子的研究，提出了超微颗粒的量子限制理论或量子限域理论；1984年德国萨尔大学的Gteiter教授等人首次采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳米粒子，然后在真空室中复位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型；20世纪90年代初，人们发现了纳米颗粒硅和多孔硅在室温下的在光致可见光区的发光现象；第一届国际纳米科学技术学术会议上把纳米材料作为材料科学的一个新的分支，由此引起了世界各国材料界和物理界的广泛关注和极大兴趣[2]。
3 绝缘聚合物纳米复合电介质的结构特性
3.1 表面效应
当微粒尺寸下降到纳米级时，表面原子数与颗粒总原子数之比会急剧增加。由于表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，故表现出很高的化学活性。随着粒径的减小，纳米颗粒的比表面积增大，表面能增大，表面张力上升，表面活性增加，表面原子极不稳定，很容易与其他原子结合，如出现粒子吸附、团聚和凝聚等现象[1]。
3.2 量子尺寸效应
纳米颗粒的尺寸小到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象与纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的现象，以及能隙变宽现象均称为量子尺寸效应[3]。
3.3 小尺寸效应
当粒子尺寸与光波波长、电子De Broglie波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或者更小时，晶体的周边性边界条件受到破坏，非晶态纳米颗粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、热、磁、力学等特性呈现突变的现象，称为小尺寸效应[2]。
3.4 量子限域效应
当纳米颗粒的半径与电子的De Broglie波长、相干波长及激子玻尔半径可比拟时，电子的平均自由行程受小粒径的限制，局限在很小的范围，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应。
3.5宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力成为隧道效应。近年来，人们发现纳米粒子的磁化强度，超导体的磁通密度等宏观物理量在量子相干器件中也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应[4]。
4 绝缘聚合物纳米复合电介质的局部放电机理
在电气设备的绝缘系统中，一般来说，不同部位的电场强度是不同的。如果局部区域的电场强度超过该区域介质的击穿场强时，放电就会发生，由于这种放电并不会贯穿施加电压的两导体之间，整个绝缘系统并没有被击穿，仍然保持绝缘性能。这种现象成为局部放电（PD）。
5 PI/Al2O3纳米聚合物的耐局部放电实验
制备不同纳米粒子含量的PI/Al2O3纳米聚合物，测试不同老化温度下局部放电次数等电特性，并借助傅里叶红外光谱分析、扫描电镜等分析手段，研究了纳米复合膜的平均放电量、放电次数以及不同温度下纳米薄膜的耐电晕寿命，如图1、图2所示。
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图1 纳米Al2O3掺杂PI薄膜平均放电量和放电次数
从图1可以看出，纳米Al2O3的掺入提高了复合薄膜的耐电晕性能，并延缓了电晕对试样的侵蚀。由于无机纳米粒子的电导率相对于聚酰亚胺基体层的电导率高，从而能够高效的疏导聚集在聚酰亚胺材料表面的电荷，使得电荷迁移率增加，减少残余电场从而使得平均放电量下降。
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图2 不同温度下纳米薄膜耐电晕寿命
从图2可以看出，低温下纳米含量越高的复合薄膜，其耐电晕寿命越长；随着实验温度的升高，试样的绝缘寿命急剧降低。但即使在高温环境中，复合薄膜的绝缘寿命仍然比纯PI薄膜的长，纳米含量为25%的复合薄膜在240oC的寿命为纯PI薄膜的6倍。
除此之外，纳米粒子还具有较高的热导率，产生的热量更容易散出。而温度的降低可以减弱局部放电活动、减少空间电荷的注入深度和密度，进而削弱了局部放电的外部侵蚀和空间电荷的内部破坏作用。
5.结论
聚合物因具有优良的物理和化学性能而已经被广泛地用作变电站出线电缆绝缘材料。聚合物纳米复合绝缘材料正在成为电介质领域研究的热点。本文通过对国内外文献的总结，得出以下结论：
1）纳米材料的加入，既可以提高聚合物的力学、热学等性能，又能发挥纳米材料在电、磁等方面的优越性。纳米材料还可以改善聚合物的介电性能，提高聚合物的耐局部放电能力，延长聚合物材料的绝缘使用寿命，保证电力设备的安全运行。
2）纳米Al2O3的掺入减少了局部放电次数与放电量，降低了电子对试样表面的撞击，阻止基体大分子链被破坏，提高了复合薄膜的耐电晕性能。
参考文献：
[1]田付强，杨春，何丽娟，等.聚合物/无机纳米复合电介质介电性能及其机理最新研究进展[J].电工技术学报，2011，26（3）：1-12.
[2]刘洋.新型高分子纳米复合薄膜的介电和阻挡电晕放电特性[D].黑龙江：哈尔滨理工大学，2008：6-7.
[3]倪星元，沈军，张志华，等.纳米材料的理化特性与应用[J].高分子学报，2014，862-870.