CN103485241B - 特高压复合绝缘纸的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种特高压复合绝缘纸的制备方法，其包括如下步骤：1）芳纶浆泊的接枝改性步骤；2）芳纶纸制备步骤。本发明利用芳纶纤维的耐高温性（220℃），使本发明的绝缘纸的耐温温度提高到140～150℃；本发明利用芳纶纤维的低介电常数（1.6～3.7之间），减少特高压变压器油的局放，使特高压变压器油、纸绝缘的电气强度得到充分利用，降低纸中的介电常数。本发明对芳纶纤维进行表面修饰技术，以达到与木桨纤维充分相容。

Description

特高压复合绝缘纸的制备方法

技术领域

本发明涉及一种绝缘纸板的制备方法，特别涉及一种特高压复合绝缘纸的制备方法。

背景技术

特高压电网是指1000千伏交流和正负800千伏直流输电网络，具有远距离、大容量、低损耗输送电力和节约土地资源等特点。特高压电网的绝缘实践表明：电网电气停电事故主要原因是绝缘的闪落或击穿，为了保证电网具备一个可以接受的合理性指标，科学合理的选择绝缘水平至关重要。电网中电气装置的绝缘，在运行中会受到（a）工作电压(b)暂时过电压（c）操作过电压（d）雷电过电压作用。电网中电气设备的绝缘，在上述电压作用下要有相应的绝缘强度，要科学合理的选择电网中电气装置的绝缘水平。

高性能复合绝缘纸板是特高压最主要的绝缘材料之一，是一种新型特种功能关键材料，具有高强度、高电压、耐高温、高阻燃、重量轻、节能环保等特点，利用该绝缘纸板可加工成端圈、撑条、角环、螺栓、螺杆、压环、绝缘筒等各种异型绝缘支撑件和结构件，国际国内市场前景广阔。

绝缘材料又称电介质，是电阻率高、导电能力低的材料。绝缘材料可用于隔离带电或不同电位的导体，使电流按一定方向流通。在变压器产品中，绝缘材料还起着散热、冷却、支撑、固定、灭弧、改善电位梯度、防潮、防霉和保护导体等作用。

绝缘材料是特高压输变电设备中最重要的材料之一，其性能和质量直接影响特高压输变电设备运行的可靠性和特高压输变电设备的使用寿命。

按运行电压高低，我国输电分为高压（60～220KV）、超高压（330～750KV）和特高压（750KV以上）输电。由于交流特高压设备尺寸比较大，杂散分布电容和局部发热等因素对绝缘的长期稳定运行形成威胁。特高压输电工程对绝缘材料提出了更高的要求，如高机械强度、防污闪、提高过电压耐受能力和降低电线电干扰等。

特高压油浸式变压器的固体绝缘材料主要是绝缘纸，而绝缘的主要成份是纤维素。在变压器运行中，受温度、水份、氧及油中酸性化合物的共同作用，纤维素发生降解。试验表明，绝缘纸的热稳定性很差，在温度105℃以上即发生分解：放出水份、一氧化碳和二氧化碳。纤维素耐热老化性差是绝缘纸的最大缺点。变压器主要是A级绝缘，规定最高使用温度为105℃。温度过高会加快绝缘纸板和绝缘油的劣化，影响其使用寿命。在105℃时设计使用的变压器使用寿命20～30年；当温度升高6～7℃后，使用寿命大大降低，将只有几年的时间。

目前，我国生产的绝缘纸板以B级、F级为主，在某些性能方面存在不足，如性能不稳定、机械强度差（加工时发现分层、溃边）、耐热性不够、对环境造成污染等问题，尤其是不耐高温，严重影响了输变电设备向小型化、大容量化、特高压发展的前景。近年来，人工合成绝缘材料性能优异，在电工技术领域得到许多应用，特别是耐热性能远远高出电工纸板，大大提高了特高压输变电设备绝缘材料的耐高温、耐热老化性能。

目前，在特高压输变电设备中常用的固体绝缘材料有电话纸、皱纹纸和绝缘纸板，其中的主要成份是纤维素。其分子结构中含有大量的无水右旋糖环和弱的碳——氧键。热稳定性比油中的碳氢键弱。在105℃时即热解，温度高于300℃时生成CO、CO2、H2O和糖醛内化合物。

特高压高性能复合绝缘纸板，是近几年国际上研究的热点课题。为了提高绝缘纸的耐热性，国外在绝缘纸（或纸板）方面进行了大量的研发，如将纸桨在有碱性触媒的条件下使纤维素与氰乙烯起化学反应可得到耐热性大为提高的绝缘纸。研究表明，经氰化处理的绝缘纸，使用温度可提高20℃。如果使用温度不变，则可延长使用寿命，并且采用这种纸可减少输变电设备的重量。还有，在纸桨中添加一系列安定剂的方法提高绝缘纸的热稳定性，如用一种或多种含氮化合物改性天然纤维中的含氮量，使天然纤维穿上一层含氮的隔热服，从而防止纤维素氧化降解。如特变电工衡阳变压器有限公司现使用从美国丹尼森公司进口的皱纹纸就属于后者。

考虑到绝缘纸和绝缘纸板的介电常数为4～5左右，比变压器油的介电常数（2.2～2.4）高出1倍以上。在电场作用下，复合绝缘中分担的场强与介电常数成反比，故油中场强比纸板中场强高得多，而油的电气强度低于纸板，因此，易在油中发生局部放电、劣化油的品质。为了使变压器油、纸绝缘的电气强度得到充分利用，降低纸板中的介电常数，可在本质纤维中掺合适当的合成树脂纤维制成纸板。目前，日本采用的合成树脂为聚甲烯戊烷（介电常数为2.12）纤维与木质纤维掺合成原料制成白纸板，称为PMP纸板，商品名为PB-T及PB-TC两种纸板，已使用于1000KV特高压变压器中作绝缘材料。国内输变电设备制造业从1993年ABB公司、GEC—ALSTONE公司、SIEMENS公司、日本TOSHIBA公司等相继与我国有关企业合资生产超高压、特高压变压器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种特高压复合绝缘纸的制备方法，其制备的特高压复合绝缘纸采用低维芳纶浆泊改性天然的木浆纤维，提供纤维中的含氮量，使天然纤维穿上一层含氮的“隔热服”，从而防止纤维素氧化降解。

本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

一种特高压复合绝缘纸的制备方法，包括如下步骤：

1）芳纶浆泊的接枝改性步骤

a）将芳纶浆粕置于索氏抽提器中先用乙醇提取10～12h，再用蒸馏水提取10～12h，然后将芳纶浆粕置于真空环境中，在100～120℃条件下干燥2.5～3.5h；

b)在氮气保护下，将140～160ml的二甲基亚砜和0.5～0.7g氢化钠加入三口烧瓶，在28～32℃的条件下搅拌28～32min。然后将温度升至70～74℃搅拌38～42min，冷却至28～32℃后，再向三口烧瓶中加入0.024～0.026mol步骤a)处理后的芳纶浆粕，并搅拌反应8～12min；

c）在氮气保护下，将步骤2处理后的芳纶浆粕从三口烧瓶中滤出，移入另一个含有0.00025～0.00125mol接枝单体和140～160ml的二甲基亚砜的三口烧瓶中，在28～32℃的条件下反应2～10h，其中所述的接枝单体由接枝单体A和/或接枝单体B组成，其中接枝单体A的结构式为CH₂=CH-(CH₂)n-Cl,接枝单体B的结构式为Cl-(CH₂)n-Si(OCH₃)₃或CH₂=CH-(CH₂)n-(OCH₃CH₃)₃，接枝单体A的结构式和接枝单体B的结构式中的n=1、2、3或4；

d)再将步骤c)接枝后的芳纶浆粕用丙酮和蒸馏水交替清洗2～4次，丙酮和蒸馏水的清洗时间均为2～10min，然后将接枝后的芳纶浆粕置于索氏抽提器中用丙酮提取1.8～2.2h，最后在室温下真空干燥22～26h，即得到接枝改性芳纶浆粕；

2）芳纶纸制备步骤

a)分别配制质量百分比浓度为3～7%接枝改性芳纶浆粕浆料和质量百分比浓度为2～7%木浆浆粕浆料；

b)将所述接枝改性芳纶浆粕浆料和木浆浆粕浆料按照给定的比例混合和打浆疏解，制成所需要的浓度的造纸浆料，其中所述接枝改性芳纶浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为20～70%，所述木浆浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为30～80%；

c)将所述造纸浆料送入包括流浆箱的抄纸机上网成型并抄纸，获得原浆纸；

d)将所述原浆纸压榨脱水和干燥以及将干燥后的纸页高温压光，获得特高压复合绝缘纸；其中干燥采用两段干燥，第一段干燥的温度为105～115℃，第二段干燥的温度为145～155℃。

由于采用了如上的技术方案，本发明利用芳纶纤维的耐高温性（220℃），使本发明的绝缘纸的耐温温度提高到140～150℃；本发明利用芳纶纤维的低介电常数（1.6～3.7之间），减少特高压变压器油的局放，使特高压变压器油、纸绝缘的电气强度得到充分利用，降低纸中的介电常数。本发明对芳纶纤维进行表面修饰技术，以达到与木桨纤维充分相容。

本发明的主要技术指标见表1

表1

具体实施方式

实施例1

一种特高压复合绝缘纸的制备方法，包括如下步骤：

1）芳纶浆泊的接枝改性步骤

a）将芳纶浆粕置于索氏抽提器中先用乙醇提取10h，再用蒸馏水提取10h，然后将芳纶浆粕置于真空环境中，在100℃条件下干燥2.5h；

b)在氮气保护下，将140ml的二甲基亚砜和0.5g氢化钠加入三口烧瓶，在28℃的条件下搅拌28min。然后将温度升至70℃搅拌38min，冷却至28℃后，再向三口烧瓶中加入0.024mol步骤a)处理后的芳纶浆粕，并搅拌反应8min；

c）在氮气保护下，将步骤2处理后的芳纶浆粕从三口烧瓶中滤出，移入另一个含有0.00025mol接枝单体和140ml的二甲基亚砜的三口烧瓶中，在28℃的条件下反应2h，其中所述的接枝单体由接枝单体A和/或接枝单体B组成，其中接枝单体A的结构式为CH₂=CH-(CH₂)n-Cl,接枝单体B的结构式为Cl-(CH₂)n-Si(OCH₃)₃或CH₂=CH-(CH₂)n-(OCH₃CH₃)₃，接枝单体A的结构式和接枝单体B的结构式中的n=1、2、3或4；

d)再将步骤c)接枝后的芳纶浆粕用丙酮和蒸馏水交替清洗2次，丙酮和蒸馏水的清洗时间均为2min，然后将接枝后的芳纶浆粕置于索氏抽提器中用丙酮提取1.8h，最后在室温下真空干燥22h，即得到接枝改性芳纶浆粕；

2）芳纶纸板制备步骤

a)分别配制质量百分比浓度为3%接枝改性芳纶浆粕浆料和质量百分比浓度为2%木浆浆粕浆料；

b)将所述接枝改性芳纶浆粕浆料和木浆浆粕浆料按照给定的比例混合和打浆疏解，制成所需要的浓度的造纸浆料，其中所述接枝改性芳纶浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为20%，所述木浆浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为80%；

c)将所述造纸浆料送入包括流浆箱的抄纸机上网成型并抄纸，获得原浆纸；

d)将所述原浆纸压榨脱水和干燥以及将干燥后的纸页高温压光，获得特高压复合绝缘纸；其中干燥采用两段干燥，第一段干燥的温度为105℃，第二段干燥的温度为145℃。

该实施例制成的特高压复合绝缘纸耐温温度提高到140℃；低介电常数2.0。

实施例2

一种特高压复合绝缘纸的制备方法，包括如下步骤：

1）芳纶浆泊的接枝改性步骤

a）将芳纶浆粕置于索氏抽提器中先用乙醇提取11h，再用蒸馏水提取11h，然后将芳纶浆粕置于真空环境中，在110℃条件下干燥3h；

b)在氮气保护下，将150ml的二甲基亚砜和0.6g氢化钠加入三口烧瓶，在30℃的条件下搅拌30min。然后将温度升至72℃搅拌40min，冷却至30℃后，再向三口烧瓶中加入0.025mol步骤a)处理后的芳纶浆粕，并搅拌反应10min；

c）在氮气保护下，将步骤2处理后的芳纶浆粕从三口烧瓶中滤出，移入另一个含有0.0005mol接枝单体和150ml的二甲基亚砜的三口烧瓶中，在30℃的条件下反应5h，其中所述的接枝单体由接枝单体A和/或接枝单体B组成，其中接枝单体A的结构式为CH₂=CH-(CH₂)n-Cl,接枝单体B的结构式为Cl-(CH₂)n-Si(OCH₃)₃或CH₂=CH-(CH₂)n-(OCH₃CH₃)₃，接枝单体A的结构式和接枝单体B的结构式中的n=1、2、3或4；

d)再将步骤c)接枝后的芳纶浆粕用丙酮和蒸馏水交替清洗3次，丙酮和蒸馏水的清洗时间均为5min，然后将接枝后的芳纶浆粕置于索氏抽提器中用丙酮提取2h，最后在室温下真空干燥24h，即得到接枝改性芳纶浆粕；

2）芳纶纸板制备步骤

a)分别配制质量百分比浓度为5%接枝改性芳纶浆粕浆料和质量百分比浓度为5%木浆浆粕浆料；

b)将所述接枝改性芳纶浆粕浆料和木浆浆粕浆料按照给定的比例混合和打浆疏解，制成所需要的浓度的造纸浆料，其中所述接枝改性芳纶浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为50%，所述木浆浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为50%；

c)将所述造纸浆料送入包括流浆箱的抄纸机上网成型并抄纸，获得原浆纸；

d)将所述原浆纸压榨脱水和干燥以及将干燥后的纸页高温压光，获得特高压复合绝缘纸；其中干燥采用两段干燥，第一段干燥的温度为110℃，第二段干燥的温度为150℃。

该实施例制成的特高压复合绝缘纸耐温温度提高到145℃；低介电常数1.9。

实施例3

一种特高压复合绝缘纸的制备方法，包括如下步骤：

1）芳纶浆泊的接枝改性步骤

a）将芳纶浆粕置于索氏抽提器中先用乙醇提取12h，再用蒸馏水提取12h，然后将芳纶浆粕置于真空环境中，在120℃条件下干燥3.5h；

b)在氮气保护下，将160ml的二甲基亚砜和0.7g氢化钠加入三口烧瓶，在32℃的条件下搅拌32min。然后将温度升至74℃搅拌42min，冷却至32℃后，再向三口烧瓶中加入0.026mol步骤a)处理后的芳纶浆粕，并搅拌反应12min；

c）在氮气保护下，将步骤2处理后的芳纶浆粕从三口烧瓶中滤出，移入另一个含有0.00125mol接枝单体和160ml的二甲基亚砜的三口烧瓶中，在32℃的条件下反应10h，其中所述的接枝单体由接枝单体A和/或接枝单体B组成，其中接枝单体A的结构式为CH₂=CH-(CH₂)n-Cl,接枝单体B的结构式为Cl-(CH₂)n-Si(OCH₃)₃或CH₂=CH-(CH₂)n-(OCH₃CH₃)₃，接枝单体A的结构式和接枝单体B的结构式中的n=1、2、3或4；

d)再将步骤c)接枝后的芳纶浆粕用丙酮和蒸馏水交替清洗4次，丙酮和蒸馏水的清洗时间均为10min，然后将接枝后的芳纶浆粕置于索氏抽提器中用丙酮提取2.2h，最后在室温下真空干燥26h，即得到接枝改性芳纶浆粕；

2）芳纶纸板制备步骤

a)分别配制质量百分比浓度为7%接枝改性芳纶浆粕浆料和质量百分比浓度为7%木浆浆粕浆料；

b)将所述接枝改性芳纶浆粕浆料和木浆浆粕浆料按照给定的比例混合和打浆疏解，制成所需要的浓度的造纸浆料，其中所述接枝改性芳纶浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为70%，所述木浆浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为30%；

c)将所述造纸浆料送入包括流浆箱的抄纸机上网成型并抄纸，获得原浆纸；

d)将所述原浆纸压榨脱水和干燥以及将干燥后的纸页高温压光，获得特高压复合绝缘纸；其中干燥采用两段干燥，第一段干燥的温度为115℃，第二段干燥的温度为155℃。

该实施例制成的特高压复合绝缘纸耐温温度提高到150℃；低介电常数1.8。

Claims (1)

1.一种特高压复合绝缘纸的制备方法，包括如下步骤：

1)芳纶浆粕的接枝改性步骤

a)将芳纶浆粕置于索氏抽提器中先用乙醇提取12h，再用蒸馏水提取12h，然后将芳纶浆粕置于真空环境中，在120℃条件下干燥3.5h；

b)在氮气保护下，将160ml的二甲基亚砜和0.7g氢化钠加入三口烧瓶，在32℃的条件下搅拌32min，然后将温度升至74℃搅拌42min，冷却至32℃后，再向三口烧瓶中加入0.026mol步骤a)处理后的芳纶浆粕，并搅拌反应12min；

c)在氮气保护下，将步骤b)处理后的芳纶浆粕从三口烧瓶中滤出，移入另一个含有0.00125mol接枝单体和160ml的二甲基亚砜的三口烧瓶中，在32℃的条件下反应10h，其中所述的接枝单体由接枝单体A和/或接枝单体B组成，其中接枝单体A的结构式为CH₂＝CH-(CH₂)n-C，接枝单体B的结构式为Cl-(CH₂)n-Si(OCH₃)₃，接枝单体A的结构式和接枝单体B的结构式中的n＝1、2、3或4；

d)再将步骤c)接枝后的芳纶浆粕用丙酮和蒸馏水交替清洗4次，丙酮和蒸馏水的清洗时间均为10min，然后将接枝后的芳纶浆粕置于索氏抽提器中用丙酮提取2.2h，最后在室温下真空干燥26h，即得到接枝改性芳纶浆粕；

2)特高压复合绝缘纸制备步骤

a)分别配制质量百分比浓度为7％接枝改性芳纶浆粕浆料和质量百分比浓度为7％木浆浆粕浆料；

b)将所述接枝改性芳纶浆粕浆料和木浆浆粕浆料按照给定的比例混合和打浆疏解，制成所需要的浓度的造纸浆料，其中所述接枝改性芳纶浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为70％，所述木浆浆粕浆料占所述造纸浆料质量百分比为30％；

c)将所述造纸浆料送入包括流浆箱的抄纸机上网成型并抄纸，获得原浆纸；

d)将所述原浆纸压榨脱水和干燥以及将干燥后的纸页高温压光，获得特高压复合绝缘纸；其中干燥采用两段干燥，第一段干燥的温度为115℃，第二段干燥的温度为155℃。