随着我国电力工业规模的不断扩大,对电力变压器等电力设备的安全稳定性提出了更高的要求。变压器油作为变压器的主要绝缘介质,其绝缘性能的优劣将直接影响变压器的运行可靠性。纳米材料改性为变压器油绝缘水平的提高提供了新的思路,不仅有利于提高大规模输电系统的安全稳定性,而且有望缩小油浸式电气设备的尺寸、减少设备成本。因此,系统深入地开展纳米改性变压器油的研究,对于开发新型高性能绝缘介质和高可靠性特高压电力设备具有重要意义。本论文针对目前国内外纳米变压器油领域缺乏纳米粒子微观特性(尺寸、形貌和表面修饰)对变压器油绝缘性能影响规律的研究,纳米粒子极化捕捉电子和浅陷阱改性机理缺少直接的试验验证,以及纳米变压器油中微观电荷输运机制尚不明确等三方面问题,以二氧化钛纳米粒子改性变压器油为研究对象,开展了纳米变压器油的击穿性能、流注发展特性和微观电荷输运特性等的研究。本文首先以不同微观特性的二氧化钛纳米粒子作为改性材料,包括不同形貌(球状、棒状)、不同尺寸(粒径和长径比)和不同表面修饰(乙酸、己酸和油酸),采用二步法制得了相应的纳米改性变压器油。利用透射电子显微镜(TEM)和液体芯片,观测到了纳米粒子在变压器油中的分布状态,发现纳米粒子在变压器油中具有良好的单分散性。其次,通过测量纯油和纳米变压器油在正极性雷电冲击电压作用下的击穿性能,研究了纳米粒子微观特性对击穿电压的影响。结果发现,纳米粒子微观特性对纳米变压器油雷电冲击击穿性能具有显著影响。纳米粒子均提高了变压器油的击穿电压,棒状纳米粒子对变压器油击穿电压的改性效果更明显,是球状纳米粒子的近两倍;随着纳米粒子尺寸的减小、表面修饰剂链长减小,纳米变压器油的击穿电压逐渐提高。搭建了基于纹影法的变压器油中流注高清拍摄平台,首次实现了不同微观特性纳米变压器油在雷电冲击电压作用下流注发展特性的测量。结果发现,纳米粒子形貌、尺寸以及表面修饰对纳米变压器油中流注的影响规律与对击穿性能的改性规律具有一致性。与球状纳米粒子相比,棒状纳米粒子使得变压器油中流注起始电压更高,而且流注分支更多,流注形态变得更为密集,发展速度更慢。棒状纳米粒子对流注的抑制作用更明显,因此,棒状纳米变压器油的击穿电压更高;而随着纳米粒子尺寸的减小、表面修饰剂链长的减小,纳米变压器油中流注起始电压更高,流注分支更多、更密集,且发展速度更慢。因此,纳米粒子尺寸的减小和表面修饰剂链长的减小,更明显的抑制了流注的发展,从而提高了击穿电压。基于表面电位衰减法搭建了真空下电位衰减平台,研究了 TiO2纳米粒子微观特性对变压器油陷阱特性的影响,建立了 TiO2纳米粒子表面特性与陷阱特性的相互关系。结果发现,与球状纳米粒子相比,棒状纳米粒子表面具有更多的Ti3+陷阱态,引入厂更多的浅陷阱;随着纳米粒子平均粒径的减小,纳米粒子比表面积增大,粒子表面Ti3+缺陷态增多,向变压器油中引入了更多的浅陷阱;随着表面修饰剂分子链长的缩短,纳米变压器油中浅陷阱密度增大。基于Kerr光电法,设计了变压器油中电子迁移率的测量方法,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。结果表明,纳米粒子显著提高了变压器油中的电子迁移率,球状纳变压器油中的电子迁移率是纯油的2.6倍,而棒状纳米变压器油中电子迁移更快。可以看出,微观电荷特性与宏观击穿特性具有较好的一致性。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。设计了纳米粒子极化捕捉电子试验验证平台,试验验证了三类纳米粒子(导电型的Fe3O4、半导体型的TiO2和绝缘型的A12O3)极化捕捉电子的改性机理。结果发现,未极化情况下,三种纳米粒子促进了电子的消散,且浅陷阱增多,表明存在电子在浅陷阱间的快速迁移;极化后,纯油、TiO2和Al2O3纳米油中电荷消散与极化前相近,而Fe3O4纳米变压器油中电子消散显著减慢,低于纯油,表明存在纳米粒子对电子的捕捉。纳米粒子对电子的捕捉作用与浅陷阱间的迁移同时存在,提出了纳米粒子极化特性和陷阱特性对电子传输的协同影响机制。其次,结合陷阱特性和电子迁移过程,建立了电荷输运模型,首次揭示了纳米粒子对变压器油中电子迁移的影响机制,建立了陷阱参数和电子迁移率之间的定量关系。最后,揭示了纳米变压器油中流注发展机制,首次提出了微观电荷输运和宏观流注发展相结合的纳米粒子改性机理,即纳米粒子表面具有较多的Ti3+-氧空位缺陷态,加入变压器油中后,引入了大量的浅陷阱。浅陷阱的增多降低了电子跳跃传输的势垒,促进了电子的迁移。电子迁移变快,使得流注头部低密度区内电荷分离产生电荷电场,反向削弱了低密度区内的电场,不利于低密度区内气体放电,从而抑制了流注的发展,提高了变压器油的击穿电压。此外,纳米粒子微观特性的变化,会引起粒子表面陷阱态的变化,导致陷阱特性改变,从而影响电子迁移过程和流注发展,影响变压器油的击穿电压,这为纳米粒子的功能设计提供了理论依据。