打漿參數(shù)對(duì)絕緣紙力學(xué)和電氣性能的影響

周遠(yuǎn)翔，聶 皓，張?jiān)葡?，黃 欣

（1.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各地區(qū)、各行業(yè)對(duì)電能的需求日益增加。而我國(guó)能源資源和用電負(fù)荷中心不均衡分布的特點(diǎn)，客觀上決定了我國(guó)必須實(shí)施跨區(qū)輸送，近年來(lái)交直流特高壓輸電工程的高速建設(shè)和發(fā)展正是解決這一問(wèn)題的重要戰(zhàn)略方向。隨著特高壓交、直流電壓等級(jí)分別提高到1 000 kV和±800 kV水平，以電力變壓器為主的各類電氣設(shè)備的油紙絕緣問(wèn)題備受關(guān)注。油紙復(fù)合絕緣中絕緣紙對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)各方面的性能都具有重要影響，因此對(duì)絕緣紙的性能研究具有重要意義[1-5]。

絕緣紙的制造過(guò)程主要包括打漿、抄造、熱壓3個(gè)環(huán)節(jié)，其中打漿過(guò)程的主要目的是通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)充分浸泡的原漿纖維施加機(jī)械作用力和流體剪切力來(lái)分散纖維束，改變纖維形態(tài)，對(duì)絕緣紙的力學(xué)性能和電氣性能有著重要影響。長(zhǎng)期以來(lái)業(yè)內(nèi)都使用打漿度來(lái)衡量打漿程度，這一指標(biāo)可以最直接地反映紙漿濾水的難易程度，單位是°SR，一般采用肖伯爾-瑞格勒儀進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)榧垵{濾水的難易程度取決于纖維素長(zhǎng)度、寬度和纖維形態(tài)等各種因素，所以一般情況下也使用打漿度從側(cè)面反映纖維素的狀態(tài)。

因?yàn)榻^緣紙的制備工藝可能涉及到技術(shù)保密的情況，所以目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)絕緣紙制備工藝，尤其是打漿過(guò)程的研究報(bào)道較少。針對(duì)打漿工藝的研究中，主要有基于打漿能耗預(yù)測(cè)打漿效果和基于物理作用力分析打漿效果的兩類理論。其中基于打漿能耗的理論主要有比邊緣負(fù)荷理論、比表面負(fù)荷理論和C因子理論[6]；基于物理作用力的理論有R J KEREKES[7]提出的打漿理論。R HOLLERTZ等[8]研究發(fā)現(xiàn)絕緣紙的緊度隨打漿度的增大存在飽和趨勢(shì)。文獻(xiàn)[9-10]研究表明，打漿會(huì)引起纖維表面化學(xué)成分、電荷量和結(jié)晶度等的變化，也會(huì)增加纖維的表面電荷量。文獻(xiàn)[11]研究表明，紙張的抗張強(qiáng)度會(huì)隨著打漿度的提高而迅速提高，但這種提高效果在打漿度達(dá)到一定程度后有所減弱。HUANG J W等[12]針對(duì)打漿度對(duì)絕緣紙性能的影響進(jìn)行過(guò)研究。廖瑞金等[13]測(cè)試了不同打漿度絕緣紙的微觀形貌和陷阱參數(shù)，并建立模型分析了打漿度對(duì)絕緣紙各性能的影響機(jī)理。

打漿過(guò)程中影響打漿效果的主要有打漿時(shí)間和打漿壓力兩個(gè)參數(shù)，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多數(shù)只研究打漿度對(duì)絕緣紙性能的影響[14-18]。而打漿時(shí)間和打漿壓力對(duì)打漿過(guò)程起到的效果和作用機(jī)理顯然是不同的，針對(duì)打漿過(guò)程中這兩個(gè)細(xì)化參數(shù)對(duì)絕緣紙性能的研究也鮮有報(bào)道。因此，基于打漿過(guò)程細(xì)化打漿時(shí)間和打漿壓力對(duì)絕緣紙性能影響的研究，對(duì)于探究打漿過(guò)程對(duì)絕緣紙的影響機(jī)理，進(jìn)一步指導(dǎo)生產(chǎn)性能更加優(yōu)異的絕緣紙，提升油紙絕緣的安全穩(wěn)定性具有重要意義。

本研究利用實(shí)驗(yàn)室搭建的絕緣紙制造平臺(tái)，分別制備不同打漿時(shí)間和不同打漿壓力的絕緣紙。對(duì)所得絕緣紙?jiān)嚇拥幕A(chǔ)理化特性、力學(xué)特性、電氣特性進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)試樣的微觀形貌，討論不同打漿時(shí)間和打漿壓力造成的微觀形貌與絕緣紙性能之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)

1.1 絕緣紙?jiān)嚇又苽?/h3>

選取產(chǎn)自加拿大的針葉木紙漿，原始纖維長(zhǎng)度均值為2.3 mm，寬度均值為29.2 μm，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室絕緣紙制備平臺(tái)制備試樣，步驟如下：①調(diào)節(jié)好打漿時(shí)間和打漿壓力參數(shù)，利用打漿機(jī)對(duì)事先浸泡12 h的原漿漿板進(jìn)行疏解、打漿；②將打好的紙漿懸浮液轉(zhuǎn)移到抄造設(shè)備中，均勻混合后靜置脫水，得到濕紙張；③將濕紙張小心轉(zhuǎn)移至導(dǎo)熱性良好的銅網(wǎng)和銅板，利用熱壓設(shè)備進(jìn)行熱壓，熱壓溫度為110℃，熱壓壓力為5 MPa，熱壓時(shí)間為10 min，得到干燥的絕緣紙；④將制備好的絕緣紙置于密封袋內(nèi)密封保存，以供后續(xù)試驗(yàn)使用[19]。

除了打漿過(guò)程中打漿時(shí)間和打漿壓力兩個(gè)參數(shù)，制備過(guò)程中的其余工藝參數(shù)均保持一致，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

1.2 絕緣油紙?jiān)嚇又苽?/h3>

對(duì)于需要浸油處理的試樣，將制備好的絕緣紙裁剪成尺寸為100 mm×100 mm的小試樣，并置于105℃的真空干燥箱內(nèi)烘干24 h。浸油前，將經(jīng)過(guò)過(guò)濾、除水、除氣處理的變壓器油和絕緣紙加熱至90℃并抽真空排除紙和油中空氣。浸油時(shí)，將絕緣紙放入浸油裝置中抽真空，然后在真空狀態(tài)下通過(guò)連接的罐子將變壓器油抽到浸油裝置中，并保證容器處于真空狀態(tài)。真空浸油后，絕緣油紙?jiān)嚇哟娣旁诿荛]容器內(nèi)，并置于40℃的烘箱中，防止水分侵入和外界污染。

1.3 測(cè)試方法

（1）力學(xué)性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率按照GB/T 22898—2008，采用Zwick Roell型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將絕緣紙裁剪成尺寸為200 mm×15 mm的試樣，測(cè)試時(shí)夾頭距離試樣兩端一定距離，夾持線初始距離為100 mm，拉伸速率為100 mm/min。對(duì)每種試樣測(cè)量5次，結(jié)果取平均值。

（2）體積電阻率測(cè)量

采用實(shí)驗(yàn)室自行搭建的測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)三電極法測(cè)量試樣的體積電阻率，通過(guò)Keithley 6517A型靜電計(jì)施加1 kV/mm的直流場(chǎng)強(qiáng)，由內(nèi)置的pA安培計(jì)檢測(cè)流經(jīng)試樣內(nèi)部的電流，每0.5 s讀取一次電流值，600 s后認(rèn)為電流穩(wěn)定，一共采集1 200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。計(jì)算體積電阻率時(shí)，取最后100個(gè)點(diǎn)的平均值作為該次測(cè)試結(jié)果，每種試樣共測(cè)量3次取平均值。

（3）擊穿特性測(cè)試

擊穿特性按照GB/T 1408.1—2016進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為5 cm×5 cm，電極選取直徑為25 mm的對(duì)稱不銹鋼圓柱電極。試驗(yàn)前，為減少水分對(duì)擊穿電壓的影響，先將試樣置于溫度為105℃的干燥箱中烘干1 h以上，冷卻至室溫后立即進(jìn)行測(cè)試。每種試樣測(cè)量10次，取平均值作為最終結(jié)果，并作出箱型分布圖[20-22]。

2 不同打漿時(shí)間絕緣紙的試驗(yàn)結(jié)果

2.1 基礎(chǔ)理化特性

不同打漿時(shí)間絕緣紙的基礎(chǔ)理化特性如表1所示。從表1可以看出，隨著打漿時(shí)間的增加，絕緣紙的打漿度、緊度均不斷增大，但增速逐步減緩，當(dāng)打漿時(shí)間為0～16 min時(shí)，緊度增幅較大，之后便迅速趨于飽和。隨著打漿時(shí)間的增加，厚度均勻度正負(fù)偏差總體上有所降低。與不打漿的絕緣紙相比，不同打漿時(shí)間下制備的絕緣紙含水率均有所下降，但沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

2.2 力學(xué)特性

絕緣紙的力學(xué)特性主要通過(guò)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，隨著打漿時(shí)間從0 min增加到16 min，絕緣紙的拉伸強(qiáng)度從50.5 MPa增大到105.1 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率從1.70%增大到3.48%，兩個(gè)指標(biāo)都增長(zhǎng)將近一倍。此后隨著打漿時(shí)間的繼續(xù)增加，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率仍繼續(xù)增長(zhǎng)，但增速大幅降低并逐步趨于穩(wěn)定。

表1 不同打漿時(shí)間絕緣紙的基礎(chǔ)理化性能Tab.1 Physical and chemical properties of insulating paper with different pulp refining time

圖1 不同打漿時(shí)間絕緣紙的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率Fig.1 Tensile strength and elongation at break of insulating paper with different pulp refining time

2.3 電導(dǎo)特性

絕緣紙的電導(dǎo)特性通過(guò)體積電阻率來(lái)衡量，體積電阻率通過(guò)穩(wěn)定時(shí)的電導(dǎo)電流計(jì)算得到，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同打漿時(shí)間絕緣紙的體積電阻率Fig.2 Volume resistivity of insulating paper with different pulp refining time

由圖2可以看出，絕緣紙的體積電阻率在1.67×1014～2.04×1014Ω·m波動(dòng)，與打漿時(shí)間之間沒有明顯的變化規(guī)律。不打漿的絕緣紙電導(dǎo)率最大，達(dá)到2.04×1014Ω·m，當(dāng)打漿時(shí)間為26 min時(shí)，絕緣紙的電導(dǎo)率最小，為1.67×1014Ω·m。

2.4 電氣強(qiáng)度

本次實(shí)驗(yàn)主要對(duì)絕緣紙和油紙絕緣的交流擊穿特性進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 不同打漿時(shí)間絕緣紙的交流電氣強(qiáng)度Fig.3 AC electric strength of insulating paper with different pulp refining time

圖4 不同打漿時(shí)間油紙絕緣的交流電氣強(qiáng)度Fig.4 AC electric strength of oil-paper insulation with different pulp refining time

從圖3～4可以看出，絕緣紙和油紙絕緣的交流擊穿特性隨打漿時(shí)間的增加呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即隨著打漿時(shí)間的增加，電氣強(qiáng)度不斷提高，但增速也逐步減緩并趨于穩(wěn)定。

3 不同打漿壓力絕緣紙的試驗(yàn)結(jié)果

3.1 基礎(chǔ)理化特性

不同打漿壓力絕緣紙的基礎(chǔ)理化特性如表2所示。從表2可以看出，隨著打漿壓力的增加，絕緣紙的打漿度逐步增大，在打漿壓力較小時(shí)增幅較小，打漿壓力越大打漿度的增幅越大。同時(shí)隨著打漿壓力的增加，絕緣紙的緊度不斷增大且趨于飽和。除了2.7 kg打漿壓力外，隨著打漿壓力的增加厚度均勻度正負(fù)偏差總體上降低。與不打漿的絕緣紙相比，不同打漿壓力下制備的絕緣紙含水率均有所下降，但沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

表2 不同打漿壓力絕緣紙的基礎(chǔ)理化性能Tab.2 Physical and chemical properties of insulating paper with different pulp refining pressure

3.2 力學(xué)特性

圖5為不同打漿壓力絕緣紙的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果。

圖5 不同打漿壓力絕緣紙的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率Fig.5 Tensile strength and elongation at break of insulating paper with different pulp refining pressure

從圖5可以看出，隨著打漿壓力的增加，絕緣紙的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均不斷增大。隨著打漿壓力從0 kg增大到2.2 kg，絕緣紙的拉伸強(qiáng)度從62.3 MPa增大到109.2 MPa，增幅達(dá)75.3%，斷裂伸長(zhǎng)率也從3.06%增大到3.48%。當(dāng)打漿壓力大于2.2 kg后，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的增速都逐步減緩并趨于穩(wěn)定。

3.3 電導(dǎo)特性

圖6是不同打漿壓力絕緣紙的體積電阻率。由圖6可以看出，與打漿時(shí)間對(duì)絕緣紙電導(dǎo)特性的影響不同，隨著打漿壓力從0 kg增到2.7 kg，絕緣紙的體積電阻率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，并在打漿壓力達(dá)到2.7 kg后趨于穩(wěn)定。

圖6 不同打漿壓力絕緣紙的體積電阻率Fig.6 Volume resistivity of insulating paper with different pulp refining pressure

3.4 電氣強(qiáng)度

圖7、圖8是不同打漿壓力絕緣紙和油紙絕緣的交流擊穿特性。

圖7 不同打漿壓力絕緣紙的交流電氣強(qiáng)度Fig.7 AC electric strength of insulating paper with different pulp refining pressure

圖8 不同打漿壓力油紙絕緣的交流電氣強(qiáng)度Fig.8 AC electric strength of oil-paper insulation with different pulp refining pressure

由圖7～8可以看出，隨著打漿壓力的增加，絕緣紙和油紙絕緣的交流電氣強(qiáng)度呈現(xiàn)出較好的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在打漿壓力達(dá)到3.2 kg時(shí)，仍未出現(xiàn)減緩趨勢(shì)，此時(shí)打漿度為62°SR。

4 分析與討論

為進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)了不同打漿時(shí)間和打漿壓力絕緣紙的微觀形貌，放大倍率為1 000倍，結(jié)果如圖9～10所示。

圖9 不同打漿時(shí)間絕緣紙的微觀形貌Fig.9 Morphological properties of insulating paper with different pulp refining time

圖10 不同打漿壓力絕緣紙的微觀形貌Fig.10 Morphological properties of insulating paper with different pulp refining pressure

從圖9可以看出，當(dāng)打漿時(shí)間為16 min時(shí)，絕緣紙纖維仍較寬，纖維分絲帚化程度較低，整體呈現(xiàn)出較為光滑的狀態(tài)，孔洞也較多。隨著打漿時(shí)間增加到22 min和26 min，絕緣紙纖維的寬度明顯變窄，纖維邊緣出現(xiàn)了稠密的細(xì)絲，彼此之間的連接更緊密?？梢钥闯觯S著打漿時(shí)間的不斷增加，纖維邊緣和端部分絲帚化率不斷提高，細(xì)小纖維也不斷增多，纖維之間空缺的孔洞也不斷減少，纖維之間的連接更為緊密。纖維分絲帚化率的不斷提高和細(xì)小纖維的增多使得纖維之間的交疊程度更高，細(xì)小纖維之間由于靜電作用彼此的連接作用力更強(qiáng)，纖維連接更為緊密，導(dǎo)致電荷在纖維之間的移動(dòng)更困難[13]，因此拉伸強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度更高。但隨著打漿時(shí)間增加到29 min，部分纖維呈現(xiàn)出受損的現(xiàn)象，纖維受損帶來(lái)的單體纖維強(qiáng)度減小和纖維之間連接力增加的效果逐步抵消，因此絕緣紙拉伸強(qiáng)度的增強(qiáng)效果隨著打漿時(shí)間的增加逐步減弱。這一現(xiàn)象與黃建文和廖瑞金等的研究結(jié)果一致[12-13,23]。

從圖10可以看出，不同打漿壓力絕緣紙的微觀形貌呈現(xiàn)出的情況與不同打漿時(shí)間絕緣紙的情況相似，當(dāng)打漿壓力較低時(shí)，絕緣紙纖維較寬，分絲帚化程度較低，整體較為光滑。隨著打漿壓力的增加，絕緣紙纖維的寬度呈現(xiàn)出變窄的趨勢(shì)，纖維分絲帚化率不斷提高，細(xì)小纖維增多，纖維之間的連接更為緊密。當(dāng)打漿壓力過(guò)大時(shí)有部分纖維呈現(xiàn)出受損的現(xiàn)象，但相比打漿時(shí)間的受損程度要相對(duì)輕微。不過(guò)隨著打漿壓力的增加，可以看出絕緣紙纖維的分絲帚化程度更加明顯，細(xì)小纖維也更多。打漿時(shí)間和打漿壓力對(duì)絕緣紙纖維微觀形貌作用的相似性解釋了二者對(duì)絕緣紙力學(xué)性能影響的相似性，即絕緣紙的力學(xué)性能隨著打漿時(shí)間和打漿壓力的增加而提高，但增速不斷減小且到一定程度后趨于穩(wěn)定。對(duì)比打漿時(shí)間和打漿壓力帶來(lái)的纖維形態(tài)的變化，可以看出打漿壓力的增加對(duì)于纖維寬度的減少效果相比打漿時(shí)間的影響更為明顯，同時(shí)纖維邊緣和端部的分絲帚化效果也更強(qiáng)。

此外，由表1和表2可知，打漿壓力為2.7 kg的絕緣紙（打漿度為33°SR）與打漿時(shí)間為22 min的絕緣紙（打漿度為31°SR）的打漿度幾近相同，但前者的交流電氣強(qiáng)度約為10 kV/mm，后者的交流電氣強(qiáng)度約為16 kV/mm，可見打漿度相同時(shí)，打漿時(shí)間和打漿壓力不同的絕緣紙電氣性能也存在差異。這是由于，打漿壓力為2.7 kg的絕緣紙纖維相比打漿時(shí)間為22 min的絕緣紙纖維更寬，同時(shí)分絲帚化程度也更低。根據(jù)文獻(xiàn)[13,24]研究表明，在中等打漿度區(qū)域，絕緣紙纖維越細(xì)，分絲帚化程度越高，纖維之間連接越緊密，則電荷在纖維之間的遷移更加困難，因此電氣強(qiáng)度更高。

5 結(jié)論

（1）在理化特性方面，打漿度、緊度、均勻度和打漿時(shí)間與打漿壓力關(guān)系密切，隨著打漿時(shí)間和打漿壓力的增加，打漿度、緊度和均勻度都不斷提升，且逐步趨于穩(wěn)定。

（2）在力學(xué)特性方面，絕緣紙的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨著打漿時(shí)間和打漿壓力的增加而不斷增強(qiáng)，但增速不斷降低，達(dá)到一定程度趨于穩(wěn)定。

（3）隨著打漿時(shí)間的增加，絕緣紙的電氣強(qiáng)度不斷提高且逐漸趨于穩(wěn)定；而絕緣紙的電氣強(qiáng)度與打漿壓力呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，且在試驗(yàn)的打漿壓力范圍內(nèi)未出現(xiàn)減緩趨勢(shì)。

（4）通過(guò)SEM觀測(cè)絕緣紙的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，打漿時(shí)間和打漿壓力在微觀形貌層面對(duì)絕緣紙纖維的作用類似，在打漿時(shí)間和打漿壓力較低時(shí)，纖維較寬較光滑，分絲帚化率低；隨著打漿時(shí)間和打漿壓力的增加，纖維逐漸變窄變皺，分絲帚化率提升，纖維之間連接更為緊密。但打漿時(shí)間和打漿壓力達(dá)到一定程度后，纖維出現(xiàn)部分受損的情況。

（5）打漿度相同，但打漿時(shí)間和打漿壓力不同的絕緣紙電氣強(qiáng)度不同。這是因?yàn)楸M管打漿度的相同，但打漿壓力和打漿時(shí)間的不同也可能造成絕緣紙纖維的粗細(xì)長(zhǎng)短、分絲帚化程度不同，從而導(dǎo)致電荷在纖維間的遷移難度不同，造成電氣強(qiáng)度的差異。