一种纳米粒子充电量的计算方法及装置

1.一种纳米粒子充电量的计算方法，其特征在于，所述方法包括：
在外电场作用下，纳米粒子被极化后，确定在预定时间纳米粒子能被充电的区域；计算在所述区域内用于对纳米粒子充电的充电电流密度；
根据所述充电电流密度得到纳米粒子的充电量；
其中，在外电场作用下，纳米粒子被极化后，确定在预定时间纳米粒子能被充电的区域的步骤包括：
在外电场作用下，纳米粒子被极化后，计算在预定时间纳米粒子沿粒径方向的电场分量；
根据所述电场分量，确定纳米粒子能被充电的区域；
在外电场作用下，纳米粒子被极化后，计算在预定时间纳米粒子沿粒径方向的电场分量的步骤包括：
根据方程计算纳米粒子沿粒径方向的电场分量Er(r,θ)：
其中，E0为外电场强度，R为纳米粒子半径，r为半径方向的位置变量，Q(t)为纳米粒子的充电量，ε1为变压器油的介电常数，σ1为变压器油的导电率；ε2为纳米粒子的介电常数，σ2为纳米粒子的导电率，t为时间，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，τr为驰豫时间常数，
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，根据所述电场分量，确定纳米粒子能被充电的区域的步骤包括：
在Er(r＝R,θ)>0的区域，电子会被吸附到纳米粒子上，所述纳米粒子被电子附着的区域形成一个窗口，临界角度为θc；
根据Er(r＝R,θc)＝0，得到所述纳米粒子能被充电的区域的临界角度θc：
其中， R为纳米粒子半径，Qs为
纳米粒子充电完成时的饱和电量，Qs＝-4πε1E0R2A(t)，Q(t)为纳米粒子的充电量，ε1为变压器油的介电常数，σ1为变压器油的导电率；ε2为纳米粒子的介电常数，σ2为纳米粒子的导电率，t为预定时间，τr为驰豫时间常数，
3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，计算在所述区域内用于对纳米粒子充电的充电电流密度的步骤包括：
根据以下方程计算充电电流密度Jr：
其中，ρe为电子电荷密度，μe为电子迁移率，Er为径向电场强度，R为纳米粒子半径，r为半径方向的位置变量，E0为外电场强度，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，0<θ<θc，Q(t)为纳米粒子的充电量。
4.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，根据所述充电电流密度得到纳米粒子的充电量的步骤包括：
根据所述充电电流密度计算纳米粒子的充电速率；
根据充电速率得到纳米粒子的充电量。
5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，根据所述充电电流密度计算纳米粒子的充电速率的步骤包括：
根据方程计算纳米粒子的充电速率
其中，τpc为纳米粒子充电时间常数， Jr为充电电流的密度，μe为电子迁移率，ρe为电子电荷密度，R为纳米粒子的半径，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，ε1为变压器油的介电常数，E0为外电场强度，Q(t)为纳米粒子的充电量。
6.根据权利要求5所述的计算方法，其特征在于，根据充电速率得到纳米粒子的充电量Q(t)的步骤包括：
t为预定时间，Qs为纳米粒子充电完成时的饱和电量，Qs＝-12πε1E0R2。
7.一种计算纳米粒子充电量的装置，其特征在于，包括：
充电区域确定模块，用于在外电场作用下，纳米粒子被极化后，确定在预定时间纳米粒子能被充电的区域；
充电电流密度获取模块，用于计算在所述区域内用于对纳米粒子充电的充电电流密度；
充电量计算模块，用于根据所述充电电流密度得到纳米粒子的充电量；
所述充电区域确定模块具体用于：
在外电场作用下，纳米粒子被极化后，计算在预定时间纳米粒子沿粒径方向的电场分量；
根据所述电场分量，确定纳米粒子能被充电的区域；
在外电场作用下，纳米粒子被极化后，计算在预定时间纳米粒子沿粒径方向的电场分量的步骤包括：
根据方程计算纳米粒子沿粒径方向的电场分量Er(r,θ)：
其中，E0为外电场强度，R为纳米粒子半径，r为半径方向的位置变量，Q(t)为纳米粒子的充电量，ε1为变压器油的介电常数，σ1为变压器油的导电率；ε2为纳米粒子的介电常数，σ2为纳米粒子的导电率，t为时间，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，τr为驰豫时间常数，

一种纳米粒子充电量的计算方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及高压绝缘介质领域，尤其涉及一种纳米粒子充电量的计算方法及装置。\n背景技术\n[0002] 电力变压器作为电力系统中能量转换和传输的核心设备，其安全稳定运行关系着人们正常的生活和国家的经济命脉，由操作冲击导致的内绝缘放电将带来严重的后果。变压器油是一种绝缘性能优良的液体电介质，并已在电力变压器中广泛应用，随着我国特高压电网的快速发展，电力系统电压等级不断增加，为了节省生产成本的和空间资源，变压器本身逐渐紧凑化，这进一步增加了变压器绝缘的设计与制造难度；同时，变压器油中不可避免地存在空间电荷，空间电荷的出现不一定引起击穿，但能够通过畸变场强，影响变压器油的击穿强度。\n[0003] 因此，从变压器油本身出发，提高其绝缘性能，这对提升变压器的绝缘水平和保障电力系统的安全运行具有重要的价值。例如可以通过向现有的变压器油中添加纳米粒子改性，以提高变压器油的绝缘性能，这样一来，计算纳米粒子添加物加入变压器油中后能否提高变压器油的绝缘性能成为本领域技术人员必须要解决的技术难题。\n发明内容\n[0004] 本发明的实施例提供一种纳米粒子充电量的计算方法及装置，通过计算可确定纳米粒子能否提高变压器油的绝缘性能。\n[0005] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：\n[0006] 一方面，提供一种纳米粒子充电量的计算方法，所述方法包括：在外电场作用下，纳米粒子被极化后，确定在预定时间纳米粒子能被充电的区域；计算在所述区域内用于对纳米粒子充电的充电电流密度；根据所述充电电流密度得到纳米粒子的充电量。\n[0007] 优选的，在外电场作用下，纳米粒子被极化后，确定在预定时间纳米粒子能被充电的区域的步骤包括：在外电场作用下，纳米粒子被极化后，计算在预定时间纳米粒子沿粒径方向的电场分量；根据所述电场分量，确定纳米粒子能被充电的区域。\n[0008] 优选的，在外电场作用下，纳米粒子被极化后，计算在预定时间纳米粒子沿粒径方向的电场分量的步骤包括：根据方程计算纳米粒子沿粒径方向的电场分量Er(r,θ)：\n[0009]\n[0010] 其中，E0为外电场强度，R为纳米粒子半径，r为半径方向的位置变量，Q(t)为纳米粒子的充电量，ε1为变压器油的介电常数，σ1为变压器油的导电率；ε2为纳米粒子的介电常数，σ2为纳米粒子的导电率，t为时间，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，τr为驰豫时间常数，\n[0011] 优选的，根据所述电场分量，确定纳米粒子能被充电的区域的步骤包括：根据Er(r＝R,θc)＝0，得到纳米粒子能被充电的区域的临界角度θc：\n[0012]\n[0013] 其中， R为纳米粒子半径，\nQs为纳米粒子充电完成时的饱和电量，Qs＝-4πε1E0R2A(t)， Q(t)为纳米粒子的充电量，ε1为变压器油的介电常数，σ1为变压器油的导电率；ε2为纳米粒子的介电常数，σ2为纳米粒子的导电率，t为预定时间，τr为驰豫时间常数，\n[0014] 优选的，计算在所述区域内用于对纳米粒子充电的充电电流密度的步骤包括：根据以下方程计算充电电流密度Jr：\n[0015]\n[0016] 其中，ρe为电子电荷密度，μe为电子迁移率，Er为径向电场强度， R为纳米粒子半径，r为半径方向的位置变量，E0为外电场强度，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，0<θ<θc， Q(t)为纳米粒子的充电量。\n[0017] 优选的，根据所述充电电流密度得到纳米粒子的充电量的步骤包括：根据所述充电电流密度计算纳米粒子的充电速率；根据充电速率得到纳米粒子的充电量。\n[0018] 优选的，根据所述充电电流密度计算纳米粒子的充电速率的步骤包括：根据方程计算纳米粒子的充电速率\n[0019]\n[0020] 其中，τpc为纳米粒子充电时间常数， Jr为充电电流的密度，μe为电子迁移率，ρe为电子电荷密度，R为纳米粒子的半径，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，ε1为变压器油的介电常数，E0为外电场强度，Q(t)为纳米粒子的充电量。\n[0021] 优选的，根据充电速率得到纳米粒子的充电量Q(t)的步骤包括：\n[0022]\n[0023] t为预定时间，Qs为纳米粒子充电完成时的饱和电量， Qs＝-12πε1E0R2。\n[0024] 另一方面，提供一种计算纳米粒子充电量的装置，包括：充电区域确定模块，用于在外电场作用下，纳米粒子被极化后，确定在预定时间纳米粒子能被充电的区域；充电电流密度获取模块，用于计算在所述区域内用于对纳米粒子充电的充电电流密度；充电量计算模块，用于根据所述充电电流密度得到纳米粒子的充电量。\n[0025] 优选的，所述充电区域确定模块具体用于，在外电场作用下，纳米粒子被极化后，计算在预定时间纳米粒子沿粒径方向的电场分量；根据所述电场分量，确定纳米粒子能被充电的区域。\n[0026] 本发明提供一种纳米粒子充电量的计算方法及装置，通过对纳米粒子充电量的研究，可判定纳米粒子对变压器油中流注发展过程是否会有影响，从而可确定纳米粒子能否提高变压器油的绝缘性能。\n附图说明\n[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。\n[0028] 图1为本发明实施例提供的纳米粒子充电量的计算方法的流程图；\n[0029] 图2(a)、图 2(b) 、图 2(c) 、 图 2(d)为本发明实施例提供的纳米粒子充电过程示意图；\n[0030] 图3为本发明实施例提供的纳米粒子充电的动态过程图。\n具体实施方式\n[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。\n[0032] 本发明实施例提供一种纳米粒子充电量的计算方法，如图1所示，所述方法包括：\n[0033] S10、在外电场作用下，纳米粒子被极化后，确定在预定时间纳米粒子能被充电的区域。\n[0034] 其中，如图2(a)所示，向纳米粒子施加外电场，在外电场作用下，变压器油中的纳米粒子会在极短时间内被极化，极化后的纳米粒子上、下球表面会出现正、负电荷(如图2(b))，与此同时，在电场作用下，变压器油中的正、负电荷分别向负电极和正电极方向移动，由于电子的迁移率远远大于正、负离子的迁移率，电子会沿电场方向快速地移动到纳米粒子带正电的区域，而正、负离子可近似地认为在极短的时间内没有移动，滞留在原处；电子一旦移动到纳米粒子表面后，就会立刻在其表面重新均匀分布，导致纳米粒子表面带正电的区域减小(如图2(c))，这一过程就好像在对纳米粒子表面进行充电，当充电电荷达到饱和后，整个纳米粒子就会带上负电，同时也不会再有电子被捕获过程(如图2(d))。即，图2(a)为t＝0-时刻电场中的纳米粒子；图2(b)为t＝0+时刻电场中的纳米粒子(纳米粒子表面出现正、负电荷平衡状态)；图2(c)为纳米粒子吸附电子后其表面电场分布；图2(d)为纳米粒子吸附电子饱和后其表面电场分布。\n[0035] 此处的预定时间，即为，实验过程中需要得到某一时刻纳米粒子的充电量时，该时刻即为此处的预定时间。\n[0036] 当纳米粒子周围存在大量自由电子时，纳米粒子沿粒径方向的电场分量r会发生变化，而沿粒径切线方向上的电场分量不会发生变化，基于此，根据粒径方向的电场分量，确定纳米粒子能被充电的区域。\n[0037] 即，S10步骤具体为：S11、在外电场作用下，纳米粒子被极化后，计算在预定时间纳米粒子沿粒径方向的电场分量。\n[0038] 具体的，根据方程计算纳米粒子沿粒径方向的电场分量Er(r,θ)：\n[0039]\n[0040] 其中，E0为外电场强度，R为纳米粒子半径，r为半径方向的位置变量，Q(t)为纳米粒子的充电量，ε1为变压器油的介电常数，σ1为变压器油的导电率；ε2为纳米粒子的介电常数，σ2为纳米粒子的导电率，t为时间，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，τr为驰豫时间常数，\n[0041] S12、根据所述电场分量，确定纳米粒子能被充电的区域。\n[0042] 其中，在Er(r＝R,θ)>0的区域，电子会被吸附到纳米粒子上，且均匀分布。于是纳米粒子被电子附着的区域形成一个窗口，临界角度为θc，此时Er(r＝R,θc)＝0，得到纳米粒子能被充电的区域的临界角度，即，纳米粒子表面径向电场为0的位置的夹角θc：\n[0043]\n[0044] 其中， A(t)没有物理意\n义，代表了一个算式，R为纳米粒子半径，Qs为纳米粒子充电完成时的饱和电量，Qs＝-4πε\n1E0R2A(t)，Q(t)为纳米粒子的充电量，ε1为变压器油的介电常数，σ1为变压器油的导电率；ε2为纳米粒子的介电常数，σ2为纳米粒子的导电率，t为预定时间，τr为驰豫时间常数，[0045] S20、计算在所述区域内用于对纳米粒子充电的充电电流密度。\n[0046] 具体的，根据以下方程计算充电电流密度Jr：\n[0047]\n[0048] 其中，ρe为电子电荷密度，μe为电子迁移率，Er为径向电场强度， R为纳米粒子半径，r为半径方向的位置变量，E0为外电场强度，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，0<θ<θc， Q(t)为纳米粒子的充电量。\n[0049] S30、根据所述充电电流密度得到纳米粒子的充电量。\n[0050] 充电量可根据充电速率计算的到，即，S30步骤具体为：\n[0051] S31、根据所述充电电流密度计算纳米粒子的充电速率。\n[0052] 具体的，根据方程计算纳米粒子的充电速率\n[0053]\n[0054] 其中，τpc为纳米粒子充电时间常数， Jr为充电电流的密度，μe为电子迁移率，ρe为电子电荷密度，R为纳米粒子的半径，θ为纳米粒子表面任意位置与粒心的连线和外电场方向的夹角，ε1为变压器油的介电常数，E0为外电场强度，Q(t)为纳米粒子的充电量。\n[0055] S32、根据充电速率得到纳米粒子的充电量。\n[0056] 其中，对于电导率无穷大的纳米粒子来说σ2→∞，当t→∞时，A(t) ＝3，此时导电型纳米粒子的饱和充电量为Qs＝-12πε1E0R2，则充电速率为：\n[0057]\n[0058] 在此基础上，\n[0059] t为预定时间，Qs为纳米粒子充电完成时的饱和电量， Qs＝-12πε1E0R2。\n[0060] 示例的，以Fe3O4(四氧化三铁)、TiO2(二氧化钛)、Al2O3 (氧化铝)为例，给出了变压器油中发生分子电离时的电子电荷密度ρe＝–1000C/m3，电子的迁移率μe＝1×10-4m2V-1s-1，变压器油的介电常数ε1＝2.2×ε0＝1.95×10-11F/m，即可得到在变压器油中的纳米粒子的充电时间常数为τpc＝7.79×10-10s。对比微秒级的流注的发展时间，纳米粒子在变压器油中的电子充电时间极短，意味着纳米粒子会极大地影响纳米改性变压器油中流注发展过程，-19\n导致变压器油纳米改性后击穿电压提高。同时，假设各参数取值为：e＝1.6×10 C， E0＝1×108V/m，R＝5×10-9m，可以计算出Fe3O4、TiO2和Al2O3纳米粒子充电完成时的电荷极限值Qs分别为-1.836×10-18C(11.4e)， -1.767×10-18C(11.0e)，-1.270×10-18C(7.9e)，则纳米粒子充电的动态过程如图3所示。可以看出，三种纳米粒子对电子的吸附过程开始时都非常快，特别是前2ns，随着时间的推移，充电过程变缓慢，直至纳米粒子上的电荷饱满为止，充电过程中带负电荷的纳米粒子与电子之间的排斥力也越来越大。\n[0061] 本发明实施例还提供一种计算纳米粒子充电量的装置，包括充电区域确定模块，用于在外电场作用下，纳米粒子被极化后，确定在预定时间纳米粒子能被充电的区域；充电电流密度获取模块，用于计算在所述区域内用于对纳米粒子充电的充电电流密度；充电量计算模块，用于根据所述充电电流密度得到纳米粒子的充电量。\n[0062] 其中，充电区域确定模块，具体可以先在外电场作用下，纳米粒子被极化后，计算在预定时间纳米粒子沿粒径方向的电场分量；再根据所述电场分量，确定纳米粒子能被充电的区域。\n[0063] 具体的，可根据Er(r,θ)＝0计算能被充电的区域的临界角度，即，纳米粒子表面径向电场为0的位置的夹角θc：\n[0064]\n[0065]\n[0066] 充电电流密度获取模块计算充电电流密度Jr：\n[0067]\n[0068] 充电量计算模块先计算充电速率 再计算充电量Q(t)：\n[0069]\n[0070] 通常情况下σ2→∞，当t→∞时，A(t)＝3，此时导电型纳米粒子的饱和充电量为Qs＝-12πε1E0R2，则充电速率简化为：\n[0071]\n[0072] 充电量Q(t)：\n[0073]\n[0074] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。