納米Al2O3改性變壓器絕緣紙性能的研究

廖瑞金，呂 程，吳偉強(qiáng)，梁寧川，楊麗君

（重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的核心部件，擔(dān)負(fù)著電力系統(tǒng)電能變換的重要任務(wù)。絕緣紙和變壓器油組成了油浸式變壓器的內(nèi)絕緣，近年來(lái)隨著電壓等級(jí)的不斷提高，對(duì)變壓器內(nèi)絕緣的要求越來(lái)越高，希望提高變壓器絕緣紙的性能并從而提高油紙復(fù)合絕緣的性能［1-2］。因此，提高絕緣紙和變壓器油所組成的復(fù)合絕緣的性能具有重要的實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究來(lái)提高變壓器油的絕緣性能，如：向油中添加納米粒子、采用各種植物油、各種植物油和礦物油的混合油等，取得了不少的研究成果［3-5］，而對(duì)提高天然纖維素絕緣紙電氣性能的改性研究還很少見(jiàn)。

從19世紀(jì)90年代起天然纖維素絕緣紙就被廣泛用在油浸式電力設(shè)備中，雖然其他電絕緣材料有了較大的變化和進(jìn)步，但纖維素絕緣紙由于具有價(jià)格低、機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸容易控制、浸油后電氣性能優(yōu)良等特點(diǎn)，目前仍是油浸變壓器的首選絕緣材料［6-7］。在傳統(tǒng)的造紙行業(yè)，為了提高紙張的各種性能，在造紙的過(guò)程中加入不同的無(wú)機(jī)填料以增強(qiáng)紙張的性能［8］。但關(guān)于無(wú)機(jī)填料對(duì)纖維素絕緣紙絕緣性能影響的研究卻很少，原因在于絕緣紙作為一種特種紙，除了對(duì)其絕緣性能有比較高的要求外，對(duì)其力學(xué)性能也有比較高的要求，而采用傳統(tǒng)的微米級(jí)別的無(wú)機(jī)粒子對(duì)紙進(jìn)行填充改性會(huì)大大降低紙張的力學(xué)性能。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)納米級(jí)別的無(wú)機(jī)粒子的制備取得了很大的發(fā)展，而利用無(wú)機(jī)納米粒子來(lái)增強(qiáng)改性聚合物的各項(xiàng)性能也成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)［9-16］。納米粒子粒徑小、比表面積大，利用納米粒子改性聚合物在一定的含量?jī)?nèi)不但不會(huì)降低材料的力學(xué)性能，反而會(huì)使材料的力學(xué)性能有所提高，因此，有必要研究納米粒子改性的纖維素絕緣紙的絕緣性能。金屬氧化物納米粒子Al2O3制備工藝成熟，被廣泛用于聚合物的改性研究，并取得了良好效果。為了研究納米Al2O3對(duì)絕緣紙性能的影響，筆者通過(guò)添加納米Al2O3抄造出絕緣紙，對(duì)含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米Al2O3的絕緣紙浸油后的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、介電性能進(jìn)行測(cè)試分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 紙張的制備

材料選?。簩?shí)驗(yàn)用槳板為俄羅斯進(jìn)口針葉木漿，選用納米Al2O3平均粒徑為30nm（上海邁坤化工有限公司生產(chǎn)），紙張制備過(guò)程中的用水均采用電導(dǎo)率為10μs／cm的去離子水。

紙張抄造：將用偶聯(lián)劑KH-570處理過(guò)的納米Al2O3粒子與去離子水按照0.1%～0.5%的質(zhì)量比制成懸濁液，將懸濁液進(jìn)行機(jī)械攪拌分散（5 000r／min），再超聲分散；將打好漿的木漿用去離子水稀釋到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%以下，再將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3懸濁液在解離器中攪拌數(shù)分鐘，讓纖維與二氧化鈦混合均勻；最后，在紙頁(yè)成型器上抄造成纖維含量為120g／m2，厚度為0.1mm的絕緣紙。制備的絕緣紙中含納米Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，2%，3%，4%。

1.2 紙張的性能測(cè)試

1）紙中納米Al2O3含量的測(cè)定。

利用TGA測(cè)試改性絕緣紙中納米Al2O3含量，升溫速率為10℃／min，測(cè)試溫度范圍為0～600℃。

2）紙張的預(yù)處理及浸油。

將絕緣紙剪成直徑4和8cm的圓片，放入溫度為90℃、真空度為50Pa的真空干燥箱中干燥48h；將25＃礦物絕緣油進(jìn)行濾油處理，除去內(nèi)部氣體、水分以及雜質(zhì)微粒；將處理過(guò)的25＃絕緣油按油紙質(zhì)量約為20∶1的比例注入干燥后的裝有絕緣紙?jiān)嚻返牟Ａ恐?；并將玻璃瓶放置于真空浸油箱（溫度?0℃、真空度為50Pa）中真空浸油24h，以確保絕緣紙浸油充分；充分浸油后的試品充入氮?dú)獠⒚芊?，密封時(shí)用磨口塞塞上并纏生膠帶，以確保密封度。

3）紙張的抗張強(qiáng)度測(cè)試。

抗張強(qiáng)度的測(cè)量采用濟(jì)南安尼麥特儀器有限公司的AT-L-1型拉力試驗(yàn)機(jī)，最大拉力為500N。根據(jù)ISO 1924-2∶1994，GB／T 12914-2008中恒速拉伸法測(cè)量，測(cè)量原理：抗張強(qiáng)度試驗(yàn)儀在恒速拉伸的條件下，將規(guī)定尺寸的試樣拉伸至斷裂，測(cè)定其抗張力。樣品寬為15mm，拉力試驗(yàn)機(jī)夾距為10cm，斷裂時(shí)間為20±5s。

4）紙張的擊穿電壓測(cè)試。

絕緣紙工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)按照GB T1408-2006進(jìn)行，采用25＃礦物油作為浸油媒質(zhì)，測(cè)試含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3的絕緣紙連續(xù)升壓時(shí)樣品的短時(shí)快速（10～20s）擊穿強(qiáng)度。試驗(yàn)變壓器參數(shù)為50kV·A／50kV，輸入電壓為380V，升壓速度為500V／s。每次測(cè)量6個(gè)試樣，最后求取平均值。試驗(yàn)環(huán)境溫度為25℃，相對(duì)濕度為50%。

因手抄片的均勻性比商品紙要差，故為了更好地表征絕緣紙的擊穿性能，數(shù)據(jù)處理時(shí)采用擊穿場(chǎng)強(qiáng)來(lái)表示。試驗(yàn)中每次擊穿后，測(cè)量擊穿孔洞處的厚度d，采用E＝U／d計(jì)算絕緣紙擊穿場(chǎng)強(qiáng)。試驗(yàn)中工頻擊穿測(cè)試裝置如圖1所示，高壓電極與低壓電極均為直徑25mm的銅電極，高壓電極與電源之間通過(guò)直徑1cm的銅棒相連，低壓電極與直徑15cm的鋼殼容器相連并接地，25＃絕緣油在容器中作為介質(zhì)。

5）介電性能測(cè)試.

絕緣紙介電性能采用Concept80寬帶介電譜測(cè)試系統(tǒng)（Novocontrol GmbH）測(cè)試絕緣紙的頻域介電譜、頻域介損譜和頻域內(nèi)的體積電導(dǎo)率；同時(shí)，根據(jù)IEC 60093標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試絕緣紙直流體積電導(dǎo)率。

將浸好油的絕緣紙從油中取出，擦凈表面多余絕緣油，放在2片直徑為4cm的鍍金銅電極中間進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量頻率范圍為10-2～107Hz。為保證試驗(yàn)重復(fù)性，每次試驗(yàn)測(cè)試2～3次，并且為了排除偶然性，進(jìn)行樣品測(cè)試時(shí)，重復(fù)測(cè)量采用的不是同一個(gè)樣品，而是對(duì)同一種狀態(tài)的樣品取樣2～3次進(jìn)行測(cè)試，選取重復(fù)性良好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 工頻擊穿實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置示意Figure 1 Test diagram of breakdown strength

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 利用熱失重測(cè)試結(jié)果測(cè)定絕緣紙中納米Al2O3的含量

絕緣紙的熱失重測(cè)試結(jié)果如圖2所示，從圖2（a）可以看出，溫度達(dá)到600℃后，絕緣紙中灰分含量為12.39%；圖2（b）顯示，經(jīng)過(guò)納米 Al2O3改性的絕緣紙溫度達(dá)到600℃后灰分含量為13.1%，改性后的絕緣紙最終的灰分質(zhì)量要大于未改性的絕緣紙，這是由于A(yíng)l2O3的分解溫度高達(dá)2 000℃以上，600℃時(shí)納米Al2O3的質(zhì)量不會(huì)發(fā)生改變，所以可以根據(jù)剩余灰分的不同算出其中納米Al2O3粒子的含量。另外，比較絕緣紙的分解速率曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，未改性絕緣紙?jiān)?53.49℃時(shí)出現(xiàn)最大熱分解速率，分解速率為2.03%／℃，經(jīng)過(guò)納米Al2O3的絕緣紙最大熱降解速率出現(xiàn)在350.99℃，分解速率為2.377%／℃，比未改性絕緣紙溫度低了近3℃，分解速率也有所增加，這可能是由于納米Al2O3本身是一種導(dǎo)熱性較好的材料，它的加入使得絕緣紙中熱傳導(dǎo)加快，整體受熱更加均勻，纖維素的熱分解加快，從一個(gè)側(cè)面反映了納米Al2O3對(duì)絕緣紙導(dǎo)熱性的改善情況，更直接的證據(jù)需要做進(jìn)一步的研究。

圖2 絕緣紙的熱失重測(cè)試結(jié)果Figure 2 TGA test results of insulation paper

2.2 納米Al2O3改性絕緣紙的機(jī)械性能

納米Al2O3含量對(duì)絕緣紙抗張強(qiáng)度的影響如圖3所示，納米Al2O3含量在1%內(nèi)絕緣紙的抗張強(qiáng)度并沒(méi)有降低，而是有所增加，納米Al2O3的含量為1%時(shí)抗張強(qiáng)度從7.22kN／m 增加到8.24kN／m，增長(zhǎng)了14.13%；當(dāng)納米Al2O3的含量超過(guò)1%后，絕緣紙的抗張強(qiáng)度開(kāi)始下降。抗張強(qiáng)度對(duì)于絕緣紙是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，變壓器在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中不但受到電場(chǎng)、熱等因素的影響，還會(huì)受到各種應(yīng)力的影響，所以適當(dāng)控制納米Al2O3的含量，提高絕緣紙的抗張強(qiáng)度具有重要的實(shí)際意義。斷裂伸長(zhǎng)率反映了絕緣紙的韌性，納米Al2O3含量對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響如圖4所示，總體來(lái)講納米Al2O3含量對(duì)絕緣紙的斷裂伸長(zhǎng)率影響不大。一樣，其相對(duì)介電常數(shù)隨著頻率的降低出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且曲線(xiàn)形狀基本保持不變。在測(cè)試頻率范圍內(nèi)，隨著納米Al2O3的含量增加相對(duì)介電常數(shù)減小，在50Hz工頻下空白樣的相對(duì)介電常數(shù)最大為2.71（其值比商品紙低，這是由于手抄片的緊度沒(méi)有商品紙高），納米 Al2O3含量為0.2%，0.5%，1%時(shí)絕緣紙的相對(duì)介電常數(shù)分別為2.60，2.44，2.21。隨后在工頻時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)又隨著納米Al2O3含量的增加而增加，變壓器中絕緣紙的相對(duì)介電常數(shù)大，絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)較小，只有2.2左右，所以相對(duì)介電常數(shù)的降低對(duì)交流電場(chǎng)下變壓器內(nèi)部油紙絕緣電場(chǎng)的均勻分布具有好的影響。

圖4 納米Al2O3含量對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響Figure 4 Effect of Nano-Al2O3content on elongation at break

2.3 納米Al2O3對(duì)絕緣紙工頻擊穿性能的影響

納米Al2O3含量對(duì)工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響如圖5所示，圖中顯示浸油后絕緣紙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著納米Al2O3的含量增加先出現(xiàn)明顯增加后再減小。當(dāng)Al2O3含量為1%時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最大值66.78kV／mm，相對(duì)于空白樣的59.23kV／mm 增加了12.75%，而當(dāng)紙中Al2O3含量超過(guò)1%時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)降開(kāi)始降低，含量超過(guò)3%后擊穿場(chǎng)強(qiáng)甚至低于未改性的絕緣紙。

圖5 納米Al2O3含量對(duì)工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響Figure 5 Effect of nano-Al2O3content on breakdown voltage

圖6 納米Al2O3含量對(duì)相對(duì)介電常數(shù)的影響Figure 6 Effect of nano-Al2O3content on relative permittivity

納米Al2O3含量對(duì)介質(zhì)損失角正切的影響曲線(xiàn)如圖7所示，曲線(xiàn)存在著拐點(diǎn)，首先，隨著頻率的增加而減小，在低頻附近減小速率較快；通過(guò)拐點(diǎn)以后，隨著頻率的增加而增加；不同Al2O3含量樣品的頻率隨變化的曲線(xiàn)形狀相似。當(dāng)納米Al2O3含量分別為0.2%，0.5%，1%時(shí)，均呈逐漸下降的趨勢(shì)，在測(cè)定頻率內(nèi)都低于空白樣。當(dāng)納米Al2O3含量為4%時(shí)，介電損耗升高到高于空白樣。在工頻附近時(shí)，介質(zhì)損耗角正切值在A(yíng)l2O3含量為7%時(shí)最大，在A(yíng)l2O3含量為1%時(shí)最小。

圖7 納米Al2O3含量對(duì)介質(zhì)損失角正切的影響Figure 7 Effect of nano-Al2O3content on dielectric loss

2.4 納米Al2O3對(duì)絕緣紙介電性能的影響

納米Al2O3含量對(duì)相對(duì)介電常數(shù)的影響如圖6所示，圖中顯示添加了納米Al2O3的紙張與空白樣

3 結(jié)語(yǔ)

利用納米Al2O3對(duì)絕緣紙進(jìn)行改性，當(dāng)納米Al2O3的含量為1%時(shí)絕緣紙的絕緣性能和機(jī)械性能都有明顯的改善，對(duì)提高變壓器油紙絕緣的絕緣能力具有重要實(shí)際價(jià)值，得到的具體結(jié)論有：

1）當(dāng)添加納米Al2O3的含量為1%時(shí)，絕緣紙的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)為66.78kV／mm，相對(duì)空白樣提高了12.75%；

2）絕緣紙的介電常數(shù)、介電損耗都隨著納米Al2O3含量的增加而減小，并在納米Al2O3含量為1%時(shí)達(dá)到最小值，工頻條件下介電常數(shù)從2.71降低到2.21，降低了18.45%；

3）絕緣紙的抗張強(qiáng)度在納米Al2O3含量為1%時(shí)達(dá)到最大，相對(duì)于未改性的絕緣紙?zhí)岣吡?4.13%。

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