低介電常數絕緣紙的制備及其擊穿性能

　　為提高油浸式變壓器繞阻中紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)的擊穿電壓，實驗室制備了能降低絕緣紙介電常數的微納米級SiO2空心微球以及含不同質量分數SiO2(wSiO2)空心微球的實驗用絕緣紙手抄片。測量浸油后的含不同質量分數SiO2空心微球絕緣紙的介電常數，wSiO2=5%空心微球的絕緣紙介電常數最低，比未加SiO2空心微球的絕緣紙介電常數低34%。用雙層電介質場強公式分析絕緣紙介電常數以及復合絕緣系統(tǒng)中油隙厚度對油、紙中場強分配的影響。設計紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)模型，用COMSOL仿真軟件對模型進行計算，得出模型中紙、油中電場為均勻電場，雙層電介質場強公式可用于紙-油-紙模型的理論分析。最后，用含不同質量分數SiO2空心微球的絕緣紙組成紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)進行電擊穿實驗，介電常數越低的絕緣紙組成的紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)擊穿電壓越高，介電常數最低的wSiO2=5%空心微球的絕緣紙組成的紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)比未加SiO2空心微球的絕緣紙組成的紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)的擊穿電壓高15.5%。

　　引言

　　變壓器是電力系統(tǒng)中的核心設備，目前，超高壓變壓器的內絕緣由纖維素材料和變壓器油組成，纖維素材料又分為絕緣紙和絕緣紙板兩類。變壓器使用的油浸絕緣紙俗稱牛皮紙，主要成分是天然纖維素，19世紀90年代就被廣泛用在油浸式電力設備中。牛皮紙價格低廉，初始時具有良好的機械強度和電氣強度，一直以來是絕大多數油浸式變壓器首選的絕緣材料。變壓器油在變壓器中具有冷卻、絕緣以及滅弧的作用，對變壓器的可靠運行意義重大，常用變壓器油為#25礦物油。電力變壓器絕緣系統(tǒng)是絕緣紙(板)與變壓器油組成的復合絕緣系統(tǒng)。

　　匝絕緣是變壓器內絕緣的基礎，匝絕緣具有電場強，溫度高和面積大的特點。在幾十m2 的面積上，只要有1mm2 面積出現擊穿，就可能會造成燒毀整臺變壓器的嚴重后果。匝絕緣的絕緣配合是紙-油-紙的形式，油比紙容易放電是油紙絕緣形式的缺點所在。在交流電壓作用下，串聯介質中場強的大小與相對介電常數成反比。絕緣紙的主要成分是纖維素，纖維素大分子每一個鏈節(jié)都有羥基，本身有一定的極性，因此它的介電常數比較大，純纖維素相對介電常數為5.1左右。一般文獻中所說的絕緣紙(板)的相對介電常數都是指油浸變壓器中所用油浸絕緣紙的相對介電常數，其大小為3.5～4.4。而變壓器油主要成分是環(huán)烷烴、烷烴等，其分子結構的C-C鍵為非極性共價鍵，C-H鍵形成的骨架結構對稱或基本對稱，屬于非極性分子或弱極性分子，其相對介電常數只有2.2左右。雙層電介質中，場強分布與介電常數成反比，低介電常數的變壓器油承受了更高的電場強度，外加變壓器油相對于絕緣紙的擊穿場強要低，因此紙-油-紙絕緣系統(tǒng)中，變壓器油容易首先被擊穿。

　　降低紙的介電常數，將使油浸變壓器中紙-油-紙的復合絕緣系統(tǒng)中的電場分配更加合理，變壓器油中的場強將會相對減小，更有利于提高油紙復合絕緣的擊穿電壓，從而降低主絕緣線圈高度，減少鐵芯損耗，提高絕緣的可靠性。降低絕緣紙介電常數的方法主要有兩種：①用人工合成纖維制成絕緣紙直接代替牛皮紙;②在植物纖維中摻入合成纖維抄造成紙。兩種方法都能達到降低絕緣紙介電常數的目的，但合成纖維的使用成本較高。微納米級二氧化硅(SiO2)空心微球已經被摻雜在高分子材料聚酰亞胺中來降低介電常數，介電常數從2.3降到1.8，并且二氧化硅的價格相對低廉，可明顯降低成本。

　　本文將微納米級SiO2空心微球加入木漿中抄造成紙，以降低絕緣紙的介電常數。微納米級SiO2空心微球、絕緣紙均為實驗室自制。將含不同質量分數的微納米級SiO2空心微球的絕緣紙真空浸油后，測量其介電常數與頻率的關系，找出介電常數最低時的微納米級SiO2空心微球添加量，制成低介電常數絕緣紙。設計紙-油-紙實驗模型，用COMSOL軟件仿真檢驗紙-油-紙模型中的電場為均勻電場，可以采用平行板電極間串聯介質中場強分布公式對場強分布進行分析，實驗驗證了含微納米級SiO2空心微球的低介電常數絕緣紙可以提高油紙復合系統(tǒng)的擊穿電壓。

1、實驗流程

　　1.1、微納米級SiO2

　　空心微球的制將5g苯乙烯、1.5g聚乙烯吡咯烷酮、0.2g偶氮二異丁腈、5g水及22.5g無水乙醇加入到250mL　4口燒瓶中，氮氣保護下攪拌30min后，緩慢加熱到70°C后反應1.5h，然后快速加入22.5g無水乙醇、5g苯乙烯和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨。整個體系保持氮氣條件下反應25h后冷卻到50°C。加入6g正硅酸乙酯和3mL氨水，保持50°C反應1h得到牛奶狀分散液。所得分散液經離心、干燥，再在馬弗爐中500°C燒結6h。最后得到平均粒徑為500nm的SiO2空心微球。圖1為燒結前后，SiO2微球透射電鏡對比圖。從圖中可以看出，燒結處理后，微球為直徑500nm的中空結構。

圖1　二氧化硅微球透射電鏡圖像

　　1.2、含SiO2空心微球絕緣紙的制備

　　將SiO2空心微球與去離子水按質量比1：100制成懸濁液，用超聲震蕩10min。將打好漿的木漿稀釋到質量分數wj=0.4%，在纖維解離器中疏解3min，將震蕩好的SiO2空心微球懸濁液倒入纖維解離器中繼續(xù)攪拌5min讓其混合均勻。最后，在紙頁成形器上抄造成定量120g/m2 的絕緣紙。制備的絕緣紙中SiO2空心微球的質量分數wSiO2分別為3%、5%、7%，對應絕緣紙分別記為3%SiO2、5%SiO2、7%SiO2。為方便對比，制備未添加SiO2空微球的絕緣紙，記為牛皮紙。SiO2空心微球在絕緣紙中的分散情況見圖2，SiO2空心微球比較均勻的分散在絕緣紙手抄片中。

　　1.3、紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)擊穿實驗設計

　　將實驗室抄造的厚0.15mm的絕緣紙剪裁成直徑4cm的圓片，用購買的厚3mm的商用絕緣紙剪裁成直徑6cm圓片，中間剪裁出直徑3cm的孔洞。將兩片厚0.15mm、直徑4cm實驗用紙上、下蓋住3cm的孔洞，以此模擬紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)(見圖3)。

　　電極根據GB/T 1408.1-2006加工，上、下兩個電極均由銅圓柱體組成，其邊緣倒圓成半徑為3mm的圓弧，兩電極直徑25mm，高約為25mm，上、下兩個電極準確對中放置，誤差在1mm以內。下端電極與鋼殼相聯并接地，鋼殼內高105mm，內直徑150mm，外直徑156mm(見圖3)。

　　模擬變壓器油紙絕緣實際處理過程，對兩種紙進行浸油預處理，流程為：絕緣紙在溫度90°C、真空度<50Pa條件下脫氣并干燥48h，以盡可能脫去紙中水分。隨后，在溫度為40°C、真空度<50Pa的條件下用已脫氣的新礦物油將絕緣紙充分浸漬24h。

3、結論

　　1)微納米級SiO2空心微球的添加，可以降低絕緣紙的介電常數，添加量wSiO2<5%時，絕緣紙的介電常數隨SiO2空心微球添加量的增加而減小;當添加量wSiO2>5%時，絕緣紙的介電常數反而升高;SiO2空心微球添加量為wSiO2=5%時，絕緣紙的介電常數最低，在50Hz時，比未添加SiO2空心微球的絕緣紙介電常數下降34%。

　　2)紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)中絕緣紙相對介電常數變化時，串聯介質中場強會受影響，且絕緣紙比變壓器油要大。而油隙厚度變化對介質中場強的影響，絕緣紙要比變壓器油的小。

　　3)紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)模型在圓柱形電極之間時，紙、油內的電場是均勻電場，只是接觸面處的小范圍內有畸變，對實驗無影響，雙層電介質中場強計算公式(1)能夠用于此模型來解釋絕緣紙介電常數的降低可以導致紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)擊穿電壓的升高。

　　4)添加wSiO2=5%空心微球的低介電常數絕緣紙組成的紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)，比未加SiO2空心微球的絕緣紙組成的紙-油-紙復合絕緣系統(tǒng)擊穿電壓提高了15.5%。但本身擊穿場強由于浸油率升高而有所降低。