《Industrial Crops and Products》：Impact of moisture on the frequency–temperature characteristics of the complex permittivity of pressboard composite impregnated with an innovative bio-oil for power transformer solid insulation
编辑推荐：
研究人员采用频率域介电谱（Frequency Domain Spectroscopy, FDS）方法，对浸渍NYTRO? BIO 300X生物油的压纸板复合材料（ncP-BO-W）在水分含量0.6 wt%至5 wt%、温度20 °C至70 °C、频率10
研究人员采用频率域介电谱（Frequency Domain Spectroscopy, FDS）方法，对浸渍NYTRO? BIO 300X生物油的压纸板复合材料（ncP-BO-W）在水分含量0.6 wt%至5 wt%、温度20 °C至70 °C、频率10?4 Hz至5000 Hz范围内的复介电常数实部（ε′）和虚部（ε″）进行了测量与分析。结果表明：当水分含量低于渗流阈值（约1.4 wt%）时，ε′仅在低频区域呈现单一下降阶段（阶段I）；当水分含量达到2 wt%及以上时，ε′曲线在高频区域出现第二阶段（阶段II）。介电弛豫时间的活化能ΔE(ε,τ)≈(1.057±0.0371) eV，与电导弛豫时间活化能ΔE(σ,τ)≈(1.064±0.0246) eV一致，表明极化与电导均源于相邻水纳米液滴之间的电子隧穿。研究排除了复合物中液态水存在的可能性。损耗因子ε″的活化能ΔE(ε″,τ)≈(1.02627±0.01606) eV，利用该活化能可将不同温度下的ε″曲线归一化至20 °C，且不同水分含量的归一化曲线重合良好。该研究为基于生物油的变压器固体绝缘介电诊断提供了参考特性。
液-固绝缘系统已在电力变压器中应用近一个世纪，固体绝缘主要采用纤维素制品如压纸板和纸，液体绝缘则多为石油基矿物油。近年来，环保法规及碳减排要求促使变压器行业寻求可生物降解的植物基绝缘油，NYTRO? BIO 300X即为其代表产品。然而，生物油与矿物油的介电、热学及机械性质存在差异，直接沿用基于矿物油的诊断参考特性可能导致水分评估误差。水分是纤维素绝缘老化和失效的关键因素，长期运行中水分含量可升至5 wt%的临界值，因此建立针对生物油浸渍绝缘的频域介电谱参考特性具有重要意义。
该研究旨在确定浸渍NYTRO? BIO 300X生物油的压纸板复合材料（ncP-BO-W）在水分含量0.6–5 wt%、温度20–70 °C、频率10
?4 Hz至5000 Hz范围内的复介电常数实部（ε′）和虚部（ε″）的频率-温度参考特性，并分析水分含量对特性的影响。
研究人员采用Weidmann压纸板和NYTRO? BIO 300X生物油，制备了6个水分含量分别为0.6、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 wt%的浸油压纸板样品。样品先经真空干燥（80 °C，72 h，压力<1 hPa），再通过吸湿法将水分含量调节至目标值，随后在45 °C下浸油14天完成浸渍。测量使用FDS-PDC DIRANA仪表，搭配三电极电容器，在10
?4 Hz至5 kHz频率范围和20–70 °C温度范围内采集数据。通过Arrhenius图计算介电弛豫时间活化能，并利用活化能对损耗因子进行温度归一化处理。
结果部分围绕复介电常数实部和损耗因子展开。
关于复介电常数实部的频率-温度特性，实验发现水分含量为0.6 wt%和1 wt%时，ε′仅在低频区存在一个下降阶段，称为阶段I。当水分含量达到2 wt%及以上时，ε′曲线在高频区出现第二阶段（阶段II），阶段II随水分和温度升高而更加明显。温度升高使ε′曲线向高频移动，对应弛豫时间随温度降低。通过Arrhenius图计算得到各水分含量下介电弛豫时间活化能，其平均值为ΔE(ε,τ)≈(1.057±0.0371) eV。该值与先前测得的电导弛豫时间活化能ΔE(σ,τ)≈(1.064±0.0246) eV在误差范围内一致，说明两者的弛豫机制相同，即电子在相邻水纳米液滴之间的量子隧穿。阶段II的静态介电常数值在28–34范围内，且随温度变化不显著，符合式(7)预测的电子隧穿极化行为，进一步验证了该机制。
关于损耗因子的频率-温度特性，ε″曲线在低频区近似线性下降，中频区下降速率减缓，高频区趋于恒定。温度或水分含量升高使这些区域向高频移动，同时ε″值增大。通过Arrhenius分析得到损耗因子活化能等于电导的广义活化能，为ΔE(ε″,τ)≈(1.02627±0.01606) eV。利用该活化能将不同温度下的ε″曲线沿纵轴和横轴平移至参考温度20 °C，结果显示每个水分含量下的归一化曲线高度重合，说明温度影响可被有效消除。不同水分含量的归一化曲线位置随水分增加而向更高损耗和更高频率方向移动。
讨论部分重点分析了液态水是否可能存在于复合材料中。若存在液态水，5 wt%水分含量仅能使压纸板的极化率增加约0.05×70≈3.5，而实际阶段II的极化率增量为28–36，是液态水贡献的8–10倍。此外，阶段II测得的弛豫时间约160 s，远大于液态水的约10
?11 s，相差超过13个数量级；介电弛豫和电导的活化能也远高于含盐溶液（如NaCl溶液0.15 eV）。这些证据彻底排除了复合材料中液态水存在的可能性，支持水以纳米液滴形式分散于纤维素基质的模型。
结论部分指出，研究确定了生物油浸渍压纸板复合材料复介电常数的参考特性，明确了水分含量和温度对ε′和ε″的影响规律，并证明电子隧穿是主导极化与导电机制。所得介电弛豫时间活化能（1.057±0.0371 eV）与矿物油体系（0.827±0.0094 eV）存在显著差异，因此这些参考特性仅适用于生物油绝缘系统，不可直接用于矿物油。综合利用实部与虚部的参考特性，可为基于损耗角正切的变压器绝缘状态诊断提供可靠依据，进而发展针对生物油绝缘的专用评估算法。
