唐炬教授团队在油浸式输配电装备状态监测领域取得新进展

近日，国际著名学术期刊Advanced Science《高级科学》（IF：17.52）在线发表了武汉大学电气与自动化学院唐炬教授团队在油浸式输配电装备状态监测领域取得的最新成果，论文题目为“Triboelectric Mechanism of Oil-solid Interface Adopted for Self-powered Insulating Oil Condition Monitoring”（《油-固界面摩擦起电机制及绝缘油中微量水分自取能传感》）。电气与自动化学院肖淞副教授、博士生吴豪颖为论文共同第一作者，李祎副研究员为论文通讯作者。

绝缘油在以变压器为代表的油浸式输配电装备中起到绝缘和冷却的重要作用。然而，设备强迫油循环产生的流动油会与绝缘纸板发生液-固摩擦，引发界面电荷分离并形成冲流电流（即“油流带电”），对设备绝缘构成威胁。另外，绝缘油中因长期电、热等应力老化产生的微水等杂质会影响油纸绝缘综合性能和设备可靠性。因此，厘清油-固摩擦起电机制并开展油中杂质的监测具有重要意义。

该研究利用液滴式摩擦纳米发电机（Droplet-TENG）作为电荷“探针”，系统解析了绝缘油与固体聚合物界面的电荷转移及双电层形成过程，首次证实了电子转移在油-固摩擦起电发展初期占据主导作用。随着油-固摩擦的发展，转移电荷、感应电流逐步降低并趋于稳定，界面电势则呈饱和增长变化；随后，电荷转移载流子由电子变为离子，并最终达到静态平衡。

进一步地，作者发现绝缘油中不同组成成分的摩擦起电特性存在显著差异，电荷转移量由高到低依次为：芳香烃>环烷烃>长支链烷烃>短支链烷烃。在此基础上，提出了油中多组分在双电层发展中的竞争效应，解释了不同成分加入对“紧密层”（Stern layer）和“扩散层”（Diffuse layer）的影响过程（图2）。最后，针对绝缘油中微量水分的监测需求，构建了管状结构摩擦纳米发电机（Tubular-TENG）作为自取能传感器，获取了油中微水含量与油-固摩擦起电响应间的关联关系，证实了利用油-固摩擦起电效应可实现油中微量水分的高精度检测。

该项工作深入揭示了油-固摩擦起电机制并丰富了绝缘油中杂质传感策略，为深刻理解油流带电、绝缘油状态监测等提供了新见解和新思路。研究工作得到国家重点研发计划（2020YFB0905900）、国家自然科学基金青年项目（52207169）和博士后创新人才支持计划（BX2021224）的资助。