納米Al2O3摻雜對油紙絕緣熱老化特性的影響

廖瑞金 何利華 呂彥冬 趙學(xué)童 袁 媛

(1．輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué)) 重慶 400044 2. 阿爾斯通電網(wǎng)技術(shù)中心有限公司 上海 201114)

納米Al2O3摻雜對油紙絕緣熱老化特性的影響

廖瑞金1何利華1呂彥冬2趙學(xué)童1袁 媛1

(1．輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué)) 重慶 400044 2. 阿爾斯通電網(wǎng)技術(shù)中心有限公司 上海 201114)

油紙絕緣的熱老化特性是影響變壓器壽命的重要因素。為獲得具有優(yōu)良抗熱老化性能的油紙絕緣，在絕緣紙抄造的過程中摻雜納米Al2O3，通過測試復(fù)合絕緣紙的電氣強度確定最佳摻雜質(zhì)量分數(shù)為2%。將復(fù)合絕緣紙、普通絕緣紙分別進行浸油處理，并在130 ℃下進行31 d的加速熱老化試驗，測量分析絕緣紙的工頻擊穿強度、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、聚合度、抗張強度與絕緣油中糠醛含量、油的顏色、酸值、水分、粘度和油中溶解氣體等參數(shù)隨老化時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：與普通油紙絕緣相比，熱老化過程中復(fù)合絕緣紙的電氣性能始終優(yōu)于普通絕緣紙，聚合度和抗張強度下降速度減緩，浸漬復(fù)合絕緣紙的絕緣油顏色較淺、粘度變化小，油浸復(fù)合絕緣紙的老化產(chǎn)物生成量少。最后提出在熱老化過程中納米Al2O3表面羥基能有效吸附水分、中和小分子酸，從而抑制了H+在熱老化反應(yīng)中的催化作用，有效延緩了油紙絕緣的熱老化。

油紙絕緣 納米Al2O3熱老化特性 表面羥基 催化作用

0 引言

油浸式電力變壓器是電力系統(tǒng)能量傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其安全可靠性對保證電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作起著重要的作用[1,2]。油浸式變壓器絕緣系統(tǒng)主要是由絕緣紙(板)與絕緣油組成的復(fù)合絕緣系統(tǒng)。在變壓器運行過程中，油紙絕緣長期受到熱應(yīng)力的影響，在氧氣、水分等因素的協(xié)同作用下易發(fā)生裂解現(xiàn)象，從而導(dǎo)致絕緣性能劣化，引發(fā)變壓器絕緣故障[3-8]。因此，油紙絕緣的熱老化特性是影響變壓器的安全可靠和使用壽命的一個關(guān)鍵因素，也是國內(nèi)外變壓器油紙絕緣研究領(lǐng)域的一個熱點。

絕緣紙的絕緣性能是決定油浸式變壓器絕緣性能的主要因素之一。目前，油浸式變壓器中的絕緣紙廣泛采用的是由天然纖維素制備而成的牛皮紙。通過對纖維素絕緣紙進行改性延緩油紙絕緣的老化已經(jīng)成為一個研究熱點。常用的改性方法有兩種：①對紙漿進行化學(xué)改性，通過引入更穩(wěn)定的化學(xué)基團代替纖維素中的羥基，降低纖維素的親水性，如氰乙化、乙酰化處理[9]，但羥基的減少會使得纖維素鏈遭到破壞，進而引起絕緣紙的機械強度下降；②在絕緣紙制備過程中添加胺類化合物，胺類化合物作為熱穩(wěn)定劑與油紙系統(tǒng)中的水、酸等催化老化反應(yīng)的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而起到延緩老化的作用，該方法目前廣泛應(yīng)用于“Insuldur?”等絕緣紙中[10]。絕緣紙中熱穩(wěn)定劑的添加不影響纖維素的羥基成鍵，因此對其機械強度的影響幾乎可以忽略不計[11]。

在近20年的研究中，納米無機填料被廣泛應(yīng)用于復(fù)合聚合物電介質(zhì)中改善材料的絕緣性能，如改善材料的相對介電常數(shù)與介質(zhì)損耗[12]、擊穿強度[13]、電阻率[14]、空間電荷行為[15]和局部放電[16]等。在電介質(zhì)抗老化改性研究方面，J. Zha等發(fā)現(xiàn)TiO2的摻雜使得聚酰亞胺具有較好的抗電老化特性[17]，Yang Yang 等研究發(fā)現(xiàn)納米Al2O3的摻雜能有效改善聚酰亞胺在高溫下的耐電暈特性[18]。

本課題組前期研究中，在纖維素絕緣紙抄造過程中摻雜微、納米SiO2、TiO2等進行改性，研究發(fā)現(xiàn)微、納米SiO2空心微球的摻雜能有效降低絕緣紙的介電常數(shù)，改善絕緣紙的擊穿性能[19]。TiO2的摻雜能有效提升絕緣紙的電氣強度和介電性能[20]。但目前還未研究過將納米材料摻雜到纖維素絕緣紙中進行抗熱老化性能的改性。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，將納米Al2O3摻雜到絕緣紙中，對復(fù)合絕緣紙的熱老化特性進行研究。通過加速熱老化試驗及測試，發(fā)現(xiàn)納米Al2O3的摻雜能有效提升復(fù)合絕緣紙的電氣強度，在老化過程中延緩絕緣紙聚合度(Degree of Polymerization, DP)和力學(xué)性能的下降，絕緣紙和絕緣油的熱老化生成物相對減少。由此本文提出納米Al2O3能有效延緩油紙絕緣的老化，并進一步對納米Al2O3改善絕緣油紙熱老化特性的機理進行分析，為深入研究油紙絕緣抗熱老化改性技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗采用實驗室抄造紙，原料為俄羅斯生產(chǎn)的未漂硫酸鹽針葉木漿。試驗選用的納米粒子是由北京德科島金科技有限公司生產(chǎn)的納米Al2O3，純度≥99.99%，平均粒徑為20 nm，比表面積為200 m2/g。

采用瓦利打漿機將漿板打漿至85°SR，過濾、解離得到漿料混合懸浮液，再采用快速紙頁成型器抄造制得定量為120 g/m2的絕緣紙抄造片。

為增加無機納米Al2O3在有機基體纖維素鏈上的附著和降低納米粒子的團聚，采用硅烷偶聯(lián)劑KH550對納米Al2O3進行表面處理。將0.5 mL KH550和5 g納米Al2O3加入到500 mL分散介質(zhì)(VC2H5OH∶VH2O=19∶1)中，在40 ℃下攪拌并超聲振蕩6 h得到表面處理的納米Al2O3溶液。將表面處理后的納米Al2O3摻雜到漿料混合懸浮液中，混合均勻后采用相同工序抄造制得復(fù)合絕緣紙抄造片。

1.2 摻雜量確定

研究發(fā)現(xiàn)，由于納米粒子的界面效應(yīng)，摻雜適量納米粒子能有效提升復(fù)合絕緣紙的電氣強度[21]，但過多的納米粒子在復(fù)合絕緣紙中易團聚成較大粒徑的無機顆粒，反而降低摻雜粒子的納米效應(yīng)，使得復(fù)合絕緣紙的電氣強度降低[22]。本文通過測試不同納米摻雜量下復(fù)合絕緣紙工頻下的擊穿強度，如圖1所示，確定能最大發(fā)揮納米效應(yīng)的納米Al2O3摻雜量。

圖1 工頻擊穿強度隨納米Al2O3質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律Fig.1 Variation of AC breakdown strength with Al2O3 content

本文中交流擊穿強度測試均參照GB/T 1408—2006進行，采用礦物油作為周圍媒質(zhì)，通過連續(xù)升壓測試絕緣紙的短時快速擊穿強度。每組測試16個樣品，最后結(jié)果取威布爾分布63.2%概率值對應(yīng)的電場強度。試驗環(huán)境溫度為25 ℃，相對濕度為50%。

由圖1可知，復(fù)合絕緣紙工頻下的絕緣擊穿強度隨著納米Al2O3摻雜量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在摻雜質(zhì)量分數(shù)為2%時擊穿強度達到最高。可以認為在本文的抄造流程中，摻雜量為2%時納米Al2O3能發(fā)揮最佳的納米效應(yīng)。因此本文采用摻雜量為2%的復(fù)合絕緣紙進行后續(xù)的熱老化試驗。

1.3 試樣熱老化處理

為了研究納米粒子對油紙絕緣熱老化性能的影響，本文通過加速熱老化試驗對油浸普通絕緣紙和油浸復(fù)合絕緣紙的熱老化特性進行測試分析。首先將普通絕緣紙與復(fù)合絕緣紙在50 Pa、90 ℃下干燥48 h，再將在40 ℃下干燥脫氣的25號礦物絕緣油注入，在50 Pa、40 ℃下浸漬24 h。將干燥浸油處理的油紙在氮氣環(huán)境下裝入老化罐，保持油紙質(zhì)量比為20∶1，加入適量銅條，進行抽真空處理后充入氮氣密封。將老化罐放入130 ℃老化箱中進行加速熱老化，分別于0 d、2 d、10 d、20 d、31 d取樣，測試油紙的熱老化參數(shù)。

為便于后續(xù)對比分析，本文分別將普通絕緣紙和復(fù)合絕緣紙定義為P0和P1，將老化過程中浸漬普通絕緣紙的絕緣油和浸漬復(fù)合絕緣紙的絕緣油分別定義為O0和O1。

2 測試結(jié)果

2.1 絕緣紙電氣性能

為確定納米Al2O3的摻雜對復(fù)合絕緣紙熱老化電氣特性的影響，本文測試了P0和P1工頻下的絕緣擊穿強度、相對介電常數(shù)εr和介質(zhì)損耗tanδ等電氣參數(shù)。其中，采用德國Novocontrol公司的Concept 80寬頻介電譜儀測試絕緣紙的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗，試樣厚度為(120±10) μm。測試結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 工頻擊穿強度隨老化時間變化規(guī)律Fig.2 Variation of AC breakdown strength with aging process

圖3 介電常數(shù)與介質(zhì)損耗隨老化時間變化規(guī)律Fig.3 Variation of dielectric properties with aging process

由圖2可知，P1的工頻擊穿電場強度始終高于P0，且P0和 P1的絕緣強度下降趨勢較為相近。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，P0和 P1的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗都隨著熱老化的進行而增大,其中P0始終高于P1，且隨著老化時間的增長，差值呈現(xiàn)增大的趨勢。

2.2 絕緣紙聚合度

聚合度是表征絕緣紙老化程度的常用參數(shù)之一,是構(gòu)成絕緣紙中纖維長鏈的葡萄糖重復(fù)單元的數(shù)量。本文參照標準ASTM D4243—99，采用上海思爾達科學(xué)儀器有限公司的NCY-2自動粘度儀對絕緣紙聚合度進行測量。圖4給出了P0和P1在130 ℃老化條件下聚合度隨時間的變化規(guī)律。

圖4 聚合度隨老化時間變化規(guī)律Fig.4 Variation of DP with aging process

圖4表明，在老化初期，P1的聚合度低于P0約6%。而隨著老化時間的增加，P1的聚合度開始高于P0。在老化試驗?zāi)┢冢琍1與P0的聚合度差值增大。在老化31 d后，P1的聚合度高于P0約15%。由此可見,P1的纖維素鏈分解速率低于P0。

2.3 絕緣紙抗張強度

油紙絕緣的老化對絕緣紙力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在抗張強度的變化上。本文采用濟南安尼麥特儀器有限公司的AT-L-1型拉力試驗機，根據(jù)標準ISO 1924-2—2008中恒速拉伸法對絕緣紙的抗張強度進行測量。圖5給出了絕緣紙在老化過程中抗張強度的變化規(guī)律,可以看出，在老化0 d，P1的抗張強度高于P0。由此可知，納米Al2O3的摻雜有效提升了絕緣紙的機械強度，這一性能是化學(xué)改性和添加熱穩(wěn)定劑改性都不具備的。

圖5 抗張強度隨老化時間變化規(guī)律Fig.5 Variation of tensile strength with aging process

在老化初始階段，P1和P0的抗張強度都出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。這可能是因為老化初期熱應(yīng)力的作用使得絕緣紙纖維素連接更加緊密，抗張強度增強，類似現(xiàn)象在蒙脫土改性熱穩(wěn)定紙[23]和交聯(lián)聚乙烯[24]等聚合物的熱老化初始階段都有發(fā)生。在老化試驗的中后期，絕緣紙在熱應(yīng)力的作用下逐漸劣化，抗張強度不斷下降。在整個熱老化的過程中，P1的抗張強度始終優(yōu)于P0，且差異隨著老化時間的推移而增大。

2.4 油中糠醛含量

在油紙系統(tǒng)中，絕緣紙的聚合度被認為是評估絕緣紙老化程度直接的方法之一[25]，但該參數(shù)無法在現(xiàn)場運行變壓器中在線獲取。研究表明糠醛僅由絕緣紙老化分解產(chǎn)生，油中糠醛含量與絕緣紙聚合度有著密切聯(lián)系，是變壓器絕緣狀況在線監(jiān)測和評估的重要指標[26]。故本文參照標準IEC 61198—1993，采用高效液相色譜儀對不同老化階段下油中糠醛的含量進行了測量。

圖6給出了老化過程中油中糠醛含量的變化規(guī)律，可以看出在老化過程中，O1和O0中糠醛含量均呈現(xiàn)上升趨勢。在老化0 d時，兩種油中糠醛含量相近，隨著老化的進行，O1中糠醛含量開始低于O0，且隨著老化的進一步加深，差值逐漸增大。在老化31 d時，O1中糠醛含量低于O0約46%。

圖6 油中糠醛含量隨老化時間變化規(guī)律Fig.6 Variation of furfural content in oil with aging process

2.5 油的顏色

一般來說，隨著油紙絕緣老化程度加深，絕緣紙和絕緣油老化產(chǎn)物的積累增多，絕緣油的顏色逐漸加深。圖7給出了O0和O1的顏色隨老化時間的變化趨勢。圖7a從左到右分別是0 d、2 d、10 d、20 d、31 d的O0油樣，圖7b是相應(yīng)老化天數(shù)的O1油樣。由圖7可看出，隨著老化程度的加深，兩種絕緣油的顏色由無色透明逐漸加深變?yōu)辄S色，同時O1顏色在老化試驗中后期明顯淺于O0。這一定程度上表明O1中老化產(chǎn)物積累少于O0中。

圖7 老化過程中油的顏色變化Fig.7 Variation of oil color during the aging process

2.6 油中酸值含量

油紙絕緣熱老化分解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)中，小分子酸主要由絕緣紙老化分解產(chǎn)生，由于較強的親水性主要被吸附在絕緣紙中；而大分子酸主要由絕緣油老化分解產(chǎn)生，主要分布在絕緣油中，可反映油品的老化情況[27]。因此油中酸值的含量對衡量絕緣油的老化具有重要意義。本文參照標準IEC 62021-1—2003，采用瑞士萬通907 Titrino自動電位測定滴定儀對油中酸值進行滴定測量。圖8為老化試驗中油中酸值的測量結(jié)果。

圖8 油中酸值隨老化時間變化規(guī)律Fig.8 Variation of acidity in oil with aging process

在老化之初，O1和O0中酸值含量較低且?guī)缀跸嗤ｋS著老化的進行，O1中酸值開始低于O0，且差值越來越大。老化試驗?zāi)┢冢琌1中酸值低于O0約21.38%。

2.7 油中水分含量

在油紙系統(tǒng)中，水分既是熱老化的產(chǎn)物，又是促進油紙進一步熱降解的催化劑；在老化過程中，水分在絕緣紙、絕緣油和上層氮氣三相系統(tǒng)中緩慢遷移，形成一種動態(tài)平衡，按照一定的比例分配在油和紙中[28]。在實際運行變壓器中，紙中水分含量較難獲取，往往通過測量油中水分來反映油紙系統(tǒng)的水分含量。本文依據(jù)標準IEC 60814—1997，采用梅特勒-托利多DO308干燥爐和DL32卡爾菲休庫侖滴定儀對油中水分進行測試，圖9給出了老化試驗絕緣油中水分的變化規(guī)律。

圖9 油中水分含量隨老化時間變化規(guī)律Fig.9 Variation of moisture in oil with aging process

由圖9可知，在干燥浸油后，O0和O1中水分含量處在同一水平上。隨著老化的進行，O0和O1中水分含量開始呈現(xiàn)增加的趨勢，且O1中水分明顯少于O0中。由此可知，油浸復(fù)合絕緣紙系統(tǒng)中自由水分的積累少于油紙絕緣。

2.8 油的粘度

變壓器中絕緣油起著絕緣和循環(huán)散熱的雙重作用，油的運動粘度是表征絕緣油散熱性能的重要指標。在老化過程中，絕緣油紙產(chǎn)生的老化產(chǎn)物在油中積累會使得油的粘度增大，流動性減弱。對于運行的變壓器來說，這一變化會嚴重影響線圈的散熱，對油紙絕緣熱老化起到較大的負面影響。

本文參照標準ISO 3104—1999，采用粘度計測量得到油的粘度隨老化時間的變化規(guī)律，測試結(jié)果如圖10 所示?？梢钥闯觯诶匣跗?，O0和O1的粘度相近，在老化的進程中，O1的粘度呈現(xiàn)先緩慢增長，后趨于平緩的變化趨勢，而O0的粘度則以較大的速率持續(xù)上升。兩者之間的差距隨著老化時間的增加越來越大。

圖10 油的粘度隨老化時間變化規(guī)律Fig.10 Variation of oil viscosity with aging process

2.9 油中溶解氣體

油紙絕緣在熱應(yīng)力作用下發(fā)生氧化、裂解反應(yīng)產(chǎn)生一些氧化物以及低分子烴類氣體溶于絕緣油中。油中溶解氣體的分析是油浸式變壓器進行故障診斷和壽命評估的有力工具[29]。氧化物如CO、CO2主要來源于纖維素的裂解，而低分子烴類氣體如CH4、C2H6、C2H4則主要是由絕緣油的老化分解產(chǎn)生的。本文參照標準IEC 60567—2011，采用氣相色譜法對不同老化時間下油中溶解氣體進行了測量，測試結(jié)果(C2H6和總烴變化規(guī)律與CH4類似，本文以CH4為代表進行分析)如圖11所示。

圖11 油中溶解氣體含量隨老化時間變化規(guī)律Fig.11 Variation of dissolved gas in oil with aging process

由圖11a和圖11b可知，O1溶解的CO和CO2在各老化時段都低于O0，且隨著老化時間增長，差值增大。由于CO和CO2主要來源于絕緣紙裂解，由此進一步驗證在相同老化時間下，P1老化裂解速率小于P0。由圖11c和圖11d可看出，O1中溶解低分子烴類氣體也要低于O0中，同樣隨著老化時間的增長，溶解氣體含量的差別越來越大。由此可以得出在相同老化時間下，O1老化程度低于O0。

3 實驗結(jié)果分析

通過對各個老化階段油紙熱老化參數(shù)測試分析發(fā)現(xiàn)，納米Al2O3的摻雜降低了熱老化過程中油浸復(fù)合絕緣紙整體的劣化程度，而不是僅僅作用于其中一個特性參量，由此可以認為納米Al2O3的摻雜對油浸復(fù)合絕緣紙的熱老化起到了有效延緩和抑制作用。

在油紙絕緣老化過程中，纖維素絕緣紙和絕緣油在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生水解反應(yīng)，脫水產(chǎn)生水分，絕緣紙在裂解反應(yīng)中產(chǎn)生小分子酸，如甲酸、乙酸等[27]。小分子酸溶解于水中產(chǎn)生H+，H+進一步催化水解過程，這種“正反饋”效應(yīng)使得水分和小分子酸在熱老化反應(yīng)中起著重要作用[10]。由于絕緣紙的親水性較強，油紙絕緣的大部分水分被吸附于絕緣紙中。隨著老化程度的加深，絕緣紙中水分逐漸積累，催化作用增強。因此，抑制油紙絕緣(尤其是絕緣紙)中小分子酸溶解于水產(chǎn)生H+是抑制油紙系統(tǒng)老化的有效措施。

納米Al2O3表面易吸附水分子并使水分子極化形成表面羥基。表面羥基數(shù)隨著比表面積的增大而增多。在納米Al2O3表面處理過程中，KH550的烷氧基水解形成烷醇，烷醇與納米Al2O3表面的羥基發(fā)生反應(yīng)，實現(xiàn)納米Al2O3的表面有機化[30]，其反應(yīng)過程如圖12所示，圖中R代表有機官能團-(CH2)3NH2，X代表可水解的基團-OC2H5。表面有機化的納米Al2O3通過多個有機官能團實現(xiàn)與纖維素鏈的連接，在有效抑制納米粒子團聚的同時，使得纖維素鏈之間連接更加緊密[31]，起到提升復(fù)合絕緣紙抗張強度的作用。但研究發(fā)現(xiàn)，納米Al2O3表面處理中真正起偶聯(lián)作用的是偶聯(lián)劑所形成的單分子層，過多的偶聯(lián)劑會因縮合反應(yīng)降低偶聯(lián)效果，表面處理后的納米Al2O3紅外光譜圖中仍存在較強的-OH吸收峰[32]。因此可以認為表面處理后的納米Al2O3有利于其均勻分散于介質(zhì)中，且表面仍保留大量羥基存在。

圖12 納米Al2O3表面改性處理反應(yīng)過程Fig.12 Surface modification reaction process of nano-Al2O3

在油紙絕緣中，隨著老化的進行，絕緣紙中水分和小分子酸的含量逐漸升高。通過納米摻雜，復(fù)合絕緣紙纖維空隙中填充著含有羥基的納米Al2O3。納米Al2O3表面羥基具有較強的吸附水的能力，且能中和反應(yīng)消耗如甲酸等小分子酸(如式1所示)，反應(yīng)過程如圖13所示[33,34]。

HCOOH+Al-OH→HCOO-Al+H2O

(1)

在油浸復(fù)合絕緣紙中，老化反應(yīng)催化劑的減少使得熱老化反應(yīng)得以抑制，復(fù)合絕緣紙的纖維素鏈斷裂速率和絕緣油分解速率降低。因此，相比于普通油紙絕緣，復(fù)合絕緣紙在熱老化過程中聚合度和抗張強度下降速度減緩。同時熱老化反應(yīng)分解產(chǎn)物如糠醛、油中溶解氣體等含量也隨著熱老化的進行出現(xiàn)低于普通油紙絕緣的趨勢。由于極性物質(zhì)(水分、酸等)生成量的減少，復(fù)合絕緣紙在老化過程中的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗明顯低于普通絕緣紙。

圖13 納米Al2O3老化過程中表面羥基反應(yīng)Fig.13 The reaction of hydroxy on the surface of nano-Al2O3during the aging process

由此可知，絕緣紙老化裂解產(chǎn)生水分和小分子酸，溶解于水的小分子酸解離得到的H+又進一步催化油紙絕緣老化裂解。填充于絕緣紙中的納米Al2O3吸附水分子，并中和小分子酸，雙重作用下抑制了絕緣紙中H+生成，減少了油紙絕緣老化裂解反應(yīng)中催化劑的含量，從而起到延緩油紙絕緣老化的作用。

4 結(jié)論

本文對油浸復(fù)合絕緣紙和油浸普通絕緣紙在130 ℃ 下的熱老化特性進行了研究，測試了絕緣紙工頻擊穿強度、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、聚合度、抗張強度及油中糠醛含量、油的顏色、油中酸值、油中水分含量、油的粘度和油中溶解氣體等參數(shù)，通過對比分析，得出如下結(jié)論：

1)在抄造過程中將質(zhì)量分數(shù)為2%的納米Al2O3摻雜到絕緣紙中制得復(fù)合絕緣紙，在熱老化過程中復(fù)合絕緣紙的電氣性能始終優(yōu)于普通絕緣紙；相比于普通絕緣紙，復(fù)合絕緣紙的聚合度和抗張強度下降速率減緩，糠醛、CO和CO2生成量較少。復(fù)合絕緣紙老化分解程度明顯低于普通絕緣紙。

2)通過對浸漬復(fù)合絕緣紙和普通絕緣紙的絕緣油進行測試發(fā)現(xiàn)，浸漬復(fù)合絕緣紙的絕緣油的顏色、酸值與油中水分、粘度和老化產(chǎn)生的低分子烴類氣體都低于浸漬普通絕緣紙的絕緣油，且隨著老化時間的增長，差距越來越大。在相同老化時間下，浸漬復(fù)合絕緣紙的絕緣油老化程度低于浸漬普通絕緣紙的絕緣油。綜合而言，相比于普通油紙絕緣，油浸復(fù)合絕緣紙具有良好的抗熱老化特性。

3)復(fù)合絕緣紙中納米Al2O3具有較大的比表面積，表面羥基能有效吸附水分子，中和小分子酸，抑制復(fù)合絕緣紙中小分子酸溶解于水中生成H+，降低老化催化劑H+的含量。老化催化劑的降低能有效降低復(fù)合絕緣紙纖維素鏈的斷裂和絕緣油的分解，降低熱老化產(chǎn)物的生成，起到延緩油浸復(fù)合絕緣紙熱老化的作用。

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(編輯 張洪霞)

Influence of Nano-Al2O3on Properties of Oil-Paper InsulationDuring Thermal Aging Process

LiaoRuijin1HeLihua1LüYandong2ZhaoXuetong1YuanYuan1

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Alstom Grid Technology Center Co. Ltd Shanghai 201114 China)

Thermal aging property of oil-paper insulation is a key factor to affect the life of transformer. In this work, nano-Al2O3was added to insulating paper to improve its anti-thermal aging property. The composite papers containing 2% nano-Al2O3were selected as samples of thermal aging test for the highest breakdown strength. The composite papers and normal papers were thermally aged at the temperature of 130 ℃ for 31 d. The variation of AC breakdown strength, dielectric property, degree of polymerization and tensile strength of insulating papers with aging time were obtained. The characteristics of insulating oil including furfural content, color, acid content, water, viscosity and dissolved gas were analyzed. The results show that, comparing with normal paper, the composite paper keeps higher electrical performance and the degree of polymerization and tensile strength of composite paper decrease more slowly during the aging process. The color of oil is lighter and the viscosity changes less in the oil impregnated composite paper. It is also found that the quantity of the thermal aging product of the oil impregnated composite paper is much less. Additionally, it is considered that the hydroxy on the surface of nano-Al2O3can effectively adsorb H2O and neutralize low molecular weight acid in the thermal aging process, which restrained the catalysis of H+in thermal aging reaction and reduced the thermal aging of oil-paper insulation.

Oil-paper insulation, nano-Al2O3, thermal aging property, surface hydroxyl, catalytic

國家自然科學(xué)基金(51437001)和國家創(chuàng)新研究群體基金(51021005)資助項目。

2016-03-18 改稿日期2016-05-05

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.160349

TM215.6

廖瑞金 男，1963年生，博士，教授，研究方向為電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測與故障診斷。

E-mail：rjliao@cqu.edu.cn

何利華 女，1991年生，碩士研究生，研究方向為新型絕緣材料的改性與性能。

E-mail：helihua@cqu.edu.cn(通信作者)