一种提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法与流程

本发明涉及一种换流变压器绝缘材料，具体涉及一种提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法。

背景技术：

换流变压器是高压直流输电系统中的关键设备，其绝缘状态在很大程度上影响着直流输电系统可靠性。换流变压器以油纸复合绝缘为主要绝缘材料，其阀侧绕组承受交流、直流及脉冲电压的共同作用，在直流电场作用下，油纸绝缘内部会产生空间电荷，从而导致介质内部局部电场畸变。绝缘纸是油纸绝缘的重要组成部分，目前，设备中使用最为广泛的仍然是天然纤维素绝缘纸。电力工业的发展对绝缘纸的各项性能提出了更高要求，尤其是直流空间电荷特性。

纳米ZnO材料质量轻、颜色浅、可塑性强，对聚合物材料改性效果明显，研究显示，用纳米ZnO粒子与聚乙烯共混，能够改善聚乙烯基塑料的机械性能、介电性能、空间电荷特性以及抗光老化性能。

纳米改性效果很大程度上是由改性材料的界面性质所决定的，与纳米材料在改性材料基体中的分散程度密切相关。但是，由于纳米粒子的表面能很高，在基体材料中容易发生团聚，形成二次粒子，同时难以被有机相浸润、分散稳定性差，都会影响纳米复合物的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法，通过纳米ZnO粒子的改性，提高绝缘纸的绝缘性能，加速绝缘纸空间电荷的消散，从而提升绝缘纸空间电荷特性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)制备纸浆悬浊液：用去离子水解离经去离子水浸泡的浆板，打浆至15-95°SR打浆度，得纸浆悬浊液；

2)改性纳米ZnO溶液制备：对分散于硅烷偶联剂无水乙醇溶液中的纳米ZnO超声0.5-2h；

3)纳米ZnO与纸浆共混：将步骤1)和步骤2)制得的物料混合，以300-1200r/min的速率搅拌10-60min制按质量百分比计的含1-7％的ZnO的纸浆；

4)绝缘纸的成型及压光：于步骤3)所得混合液中加入4-6L去离子水，搅拌，静置5-30min，纸浆过滤，加热和真空抽滤5-10min得成型纸张，密闭12-72h，压光。

所述的提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法的第一优选技术方案，步骤1)所述打浆前，将浆料分解为1cm×1cm×1cm的块，疏解5-12min。

所述的提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法的第二优选技术方案，步骤1)所述打浆度为60°SR。

所述的提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法的第三优选技术方案，步骤1)所述解离为解离1200～1500转时待纸浆下沉后再解离，重复操作8～15次。

所述的提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法的第四优选技术方案，步骤2)所述硅烷偶联剂为KH-550。

所述的提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法的第五优选技术方案，步骤3)所述纳米ZnO质量为纸浆总质量的1-5％。

所述的提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法的第六优选技术方案，步骤3)所述纳米ZnO质量为纸浆总质量的4％。

所述的提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法的第七优选技术方案，步骤4)所述成型的温度为100～120℃。

所述的提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法的第八优选技术方案，所述成型的温度为105℃。

所述的提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法的第九优选技术方案，步骤4)所述压光压强为4-4.5MPa。

与最接近的现有技术比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明纤维素绝缘纸通过纳米ZnO粒子的改性，其绝缘性能明显提升，ZnO为半导体材料，可加速绝缘纸空间电荷的消散，从而提升绝缘纸空间电荷特性；

2)本发明通过对纳米ZnO粒子进行表面改性，提高纳米粒子在与纸浆混合溶液中的分散度，不会纳米氧化锌发生团聚，更有利于其与纤维素之间形成较为有效的界面区；

3)本发明改性绝缘纸配方简单、纳米填料成本低、工艺易于操作。

附图说明

图1：ZnO改性纸浸渍绝缘油在30kV/mm场强下的加压空间电荷分布情况；

图2：ZnO改性纸浸渍绝缘油在30kV/mm场强下的去压空间电荷分布情况；

图3：ZnO改性纸浸渍绝缘油在30kV/mm场强下的瞬时去压空间电荷量情况；

其中：(a)为ZnO含量为1％样品的测试结果，用Pz-1表示；

(b)为ZnO含量为4％样品的测试结果，用Pz-4表示。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

实施例1

一种提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法，步骤如下：

1)制备纸浆悬浊液：称取浆板550g，放入一个装有6L去离子水的干净容器中浸泡4小时后，先向打浆机的水槽内加入6L去离子水。将浆料撕成1cm×1cm×1cm的小块放入水槽中，开始疏解，时间控制8分钟后开始打浆。定期用肖伯氏打浆度仪测量打浆度。待浆料的打浆度到60°SR时停止打浆，打浆结束后，用特制的布袋接住纸浆，然后将纸浆中的水分慢慢挤出，得到打浆后的纸浆。将纸浆放入到密封的塑料袋中平衡水分。

称取湿浆的重量22g，放入解离器中，加入去离子水到解离器三分之一至三分之二的位置。开始解离，在计数器转数显示1300转时，停止解离，等所有纸浆都下沉后再启动解离器进行解离，重复操作12次。

2)改性纳米ZnO溶液制备：在搅拌下，将2g纳米ZnO加入500ml的含0.2gKH-550硅烷偶联剂的无水乙醇溶液中，超声1h，得改性纳米ZnO溶液；

3)纳米ZnO与纸浆共混：取适量的纸浆混浊液与纳米ZnO溶液混合，以600r/min的速率搅拌30min，肉眼观察混合浆料中无明显聚集的纸浆纤维和分层现象，所述纳米ZnO质量占其与纸浆总质量的1％。

4)绝缘纸的成型及压光：将混合后的纤维与纳米ZnO的混合溶液倒入贮浆室。加入6L去离子水，用匀浆板上下搅动浆料几次，使得浆料在贮浆室分布均匀，静止15分钟，观察纤维在混合溶液中没有明显的运动后，开始滤水，纸浆被滤网过滤在表面，就形成了湿纸。采用纸样成型器的真空热压部分进行加热，将温度设定为105℃以上。待温度升高到105℃后，将两面都铺有白布的湿纸放入到真空烘干器中，对样品进行加热和真空抽滤。干燥6分钟后将绝缘纸拿出，称量放入到样品袋中备用。

纸张成型后，将其放入到密闭的样品袋中，放置24小时让其自行平衡水分。采用平板硫化机进行压光，纸张为圆片，面积0.0314m²，压光压强为4.5MPa，最终得到成品纸张。

实施例2

一种提升直流空间电荷特性改性绝缘纸的制备方法，步骤如下：

1)制备纸浆悬浊液：称取浆板550g，放入一个装有6L去离子水的干净容器中浸泡4小时后，先向打浆机的水槽内加入6L去离子水。将浆料撕成1cm×1cm×1cm的小块放入水槽中，开始疏解，时间控制8分钟后开始打浆。定期用肖伯氏打浆度仪测量打浆度。待浆料的打浆度到60°SR时停止打浆，打浆结束后，用特制的布袋接住纸浆，然后将纸浆中的水分慢慢挤出，得到打浆后的纸浆。将纸浆放入到密封的塑料袋中平衡水分。

称取湿浆的重量22g，放入解离器中，加入去离子水到解离器三分之一至三分之二的位置。开始解离，在计数器转数显示1300转时，停止解离，等所有纸浆都下沉后再启动解离器进行解离，重复操作12次。

2)改性纳米ZnO溶液制备：在搅拌下，将2g纳米ZnO加入500ml的含0.2gKH-550硅烷偶联剂的无水乙醇溶液中，超声1h，得改性纳米ZnO溶液；

3)纳米ZnO与纸浆共混：取适量的纸浆混浊液与纳米ZnO溶液混合，以600r/min的速率搅拌30min，肉眼观察混合浆料中无明显聚集的纸浆纤维和分层现象，所述纳米ZnO质量占其与纸浆总质量的4％。

4)绝缘纸的成型及压光：将混合后的纤维与纳米ZnO的混合溶液倒入贮浆室。加入6L去离子水，用匀浆板上下搅动浆料几次，使得浆料在贮浆室分布均匀，静止15分钟，观察纤维在混合溶液中没有明显的运动后，开始滤水，纸浆被滤网过滤在表面，就形成了湿纸。采用纸样成型器的真空热压部分进行加热，将温度设定为105℃以上。待温度升高到105℃后，将两面都铺有白布的湿纸放入到真空烘干器中，对样品进行加热和真空抽滤。干燥6分钟后将绝缘纸拿出，称量放入到样品袋中备用。

纸张成型后，将其放入到密闭的样品袋中，放置24小时让其自行平衡水分。采用平板硫化机进行压光，纸张为圆片，面积0.0314m²，压光压强为4.5MPa，最终得到成品纸张。

采用PEA法测试纳米ZnO改性绝缘纸空间电荷，采用AVIR-1-C型脉冲源，脉冲宽度为2ns，幅值为200V；测量环境温度为25℃，相对湿度为40％，电极直径15mm。选定的直流电场为30kV/mm，施压方式为负极性施压。加压试验持续60分钟，去压试验持续30分钟。采样时，示波器将自动进行1000次测量，输出平均值。

图1是ZnO改性纸浸渍绝缘油后在30kV/mm场强下的加压空间电荷分布情况，由图显示：(a)P_Z-1的电荷积聚峰值密度6.67C/m³；(b)P_Z-4的电荷积聚峰值密度为6.07C/m³，这说明，1％、4％的添加量不会使纳米氧化锌发生团聚，其与纤维素之间会形成较为有效的界面区，能够更好的发挥其对改性绝缘纸空间电荷行为的抑制作用。

图2是ZnO改性纸浸渍绝缘油后在30kV/mm场强下的去压空间电荷分布情况，可以看到，两种样品在去压后开始衰减，介质内部正电荷峰逐渐下降，其两侧的感应负电荷峰也逐渐变小，相比之下，P_Z-4消散电荷的速率较慢。和P_Z-4相比，P_Z-1中初始残余电荷密度要更大一些。这可能是因为更多的纳米粒子形成了更多的深能级陷阱，限制了载流子在介质中的移动速度。同时和团聚前的临界添加量相比，深能级陷阱的密度又不是很大，所以被束缚的慢速运动电荷量反而变少。

图3是ZnO改性纸浸渍绝缘油后在30kV/mm场强下的瞬时去压空间电荷量情况，可以看到，两种介质在瞬时去压过程中的电荷量都先增大再减小。P_Z-1中的电荷 量较大，氧化锌添加量为1％时，瞬时去压过程中的电荷量要比未改性的纸样低，这说明很少的纳米材料引入也会对介质的性能产生较大影响。P_Z-4在瞬时去压时的电荷量比P_Z-1小，这说明更多的氧化锌掺杂引入了更多的界面。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。