CN104131494A - 一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板及其制备方法 - Google Patents

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一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板及其制备方法，本发明涉及一种绝缘纸板，它为了解决现有绝缘纸板电导率与变压器油相差较大，导致绝缘纸板中的电场高度集中的问题。该非线性绝缘纸板由1000份浓缩纸浆和10～15份非线性功能填料制成，其中非线性功能填料由纳米碳化硅、纳米蒙脱土、碳纳米管、碳纤维和纳米氧化锌组成。制备方法：一、将纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，浓缩处理得到浓缩纸浆；二、将浓缩纸浆和非线性功能填料在混浆机混匀，然后成型湿纸，最后经真空脱水、热压得到非线性绝缘纸板。本发明制备得到的非线性绝缘纸板在15kV/mm以下电场中的电导率大于10-14S/m，介电常数不大于3.5。

Description

一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种绝缘纸板，具体涉及一种非线性绝缘纸板及其制备方法。
背景技术
换流变压器作为直流输电系统的核心器件，其可靠性直接影响整个系统的安全运行。换流变压器的内绝缘普遍采用油纸复合绝缘结构，其中绝缘纸板起到分割油隙和承担电压的双重作用。
运行中的换流变压器除了要承受交流电压、操作及雷电冲击过电压外，还要承受直流电压、交流叠加直流以及极性反转电压的作用，其内部的电场分布较为复杂。
在交流电压作用下，油和纸板中的电场分布与其介电常数呈反比，而在直流电压下，油和纸板中的电场分布与其电导率呈反比，而绝缘纸板电导率比变压器油的电导率低1-3个数量级，且受场强、温度、含水率等因素的影响，变化幅度较大，难以与变压器油的电导率相匹配。此外，直流电场作用下，因油纸电导率相差较大，故油中流过的离子电流要大于纸板中流过的，造成油纸界面的电荷积累，形成界面空间电荷，从而导致在直流电压分量作用下，绝缘纸板中的电场高度集中，严重时可能导致换流变压器内部绝缘的异常放电甚至击穿。
发明内容
本发明的目的是为了解决换流变压器油纸绝缘结构中，由于绝缘纸板电导率与变压器油相差较大，油纸界面空间电荷积聚严重，导致绝缘纸板中的电场高度集中的问题，而提供一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板及其制备方法。
本发明基于纳米改性的非线性绝缘纸板是按质量份数由1000份浓缩纸浆和10～15份非线性功能填料制成，其中非线性功能填料按质量份数由3～6份的纳米碳化硅、1～8份的纳米蒙脱土、0.5～1.5份的碳纳米管、0.5～1.5份的碳纤维和0.5～1份的纳米氧化锌组成。
本发明基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法按下列步骤实现：
一、将纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，然后利用疏解机进行疏解处理，再将疏解处理后的纸浆的浓度浓缩至4.3％～4.8％，得到浓缩纸浆；
二、按浓缩纸浆和非线性功能填料的质量份数比为1000︰(10～15)向步骤一得到的浓缩纸浆中加入非线性功能填料，经混浆机混合均匀后放入湿纸坯成型器中成型湿纸，成型后的湿纸坯利用真空进行脱水，在水分达到40％～50％时取出湿纸坯，湿纸坯送入热压机中热压制成含水量为15％～20％的含水纸板，最后对含水纸板进行真空干燥得到基于纳米改性的非线性绝缘纸板；
其中步骤二所述的非线性功能填料按质量份数由3～6份的纳米碳化硅、1～8份的纳米蒙脱土、0.5～1.5份的碳纳米管、0.5～1.5份的碳纤维和0.5～1份的纳米氧化锌组成。
本发明采用多种非线性功能填料复配，充分发挥各功能填料的协同效应，制备得到的电导非线性绝缘纸板在15kV/mm以下电场中的电导率大于10-14S/m，最大非线性系数不小于3，介电常数不大于3.5，交流击穿场强不小于50kV/mm，直流击穿场强不小于200kV/mm。本发明制备得到的非线性绝缘纸板的电导率提高，降低了介电常数，缩小与变压器油电导率、介电常数的差距，从而使电场得到均化，避免了电场的高度集中，该非线性绝缘纸板主要应用于换流变压器出线装置中。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式基于纳米改性的非线性绝缘纸板是按质量份数由1000份浓缩纸浆和10～15份非线性功能填料制成，其中非线性功能填料按质量份数由3～6份的纳米碳化硅、1～8份的纳米蒙脱土、0.5～1.5份的碳纳米管、0.5～1.5份的碳纤维和0.5～1份的纳米氧化锌组成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的浓缩纸浆是按下列步骤制备的：将纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，然后利用疏解机进行疏解处理，再将疏解处理后的纸浆的浓度浓缩至4.3％～4.8％，得到浓缩纸浆。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为直径5nm～80nm、管长1μm～15μm的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管，蒙脱土的粒径为200～400目，纳米氧化锌的粒径为10～100nm，碳纤维的直径为3～7μm，长度为600～800μm。
具体实施方式四：本实施方式基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法按下列步骤实施：
一、将纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，然后利用疏解机进行疏解处理，再将疏解处理后的纸浆的浓度浓缩至4.3％～4.8％，得到浓缩纸浆；
二、按浓缩纸浆和非线性功能填料的质量份数比为1000︰(10～15)向步骤一得到的浓缩纸浆中加入非线性功能填料，经混浆机混合均匀后放入湿纸坯成型器中成型湿纸，成型后的湿纸坯利用真空进行脱水，在水分达到40％～50％时取出湿纸坯，湿纸坯送入热压机中热压制成含水量为15％～20％的含水纸板，最后对含水纸板进行真空干燥得到基于纳米改性的非线性绝缘纸板；
其中步骤二所述的非线性功能填料按质量份数由3～6份的纳米碳化硅、1～8份的纳米蒙脱土、0.5～1.5份的碳纳米管、0.5～1.5份的碳纤维和0.5～1份的纳米氧化锌组成。
本实施方式步骤一所述的浓缩纸浆为电工级未漂针叶木材硫酸盐纸浆，其主要成分为由葡萄糖基所组成的聚合度为200～2000的链状高聚合碳氢化合物。
本实施方式所用原料均为市售产品，非线性功能填料均为纳米材料，由于纳米材料颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大，具有独特的量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
本实施方式步骤一浓缩纸浆的浓度浓缩至4.3％～4.8％，其中的浓度是指纸浆纤维的质量分数。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，磨浆至浆料的叩解度达到30-40°SR。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是步骤一利用疏解机进行疏解处理，其中疏解处理是以2900±100r/min的转速疏解15～25min。其它步骤及参数与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是步骤二湿纸坯送入热压机中热压，其中热压的条件是以15～20MPa的压力压制10～20min。其它步骤及参数与具体实施方式四至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是步骤二对含水纸板进行真空干燥的过程是在真空度为0.01MPa的真空干燥箱内以90℃～110℃的温度进行真空干燥。其它步骤及参数与具体实施方式四至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为直径5nm～80nm、管长1μm～15μm的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管，蒙脱土的粒径为200～400目，纳米氧化锌的粒径为10～100nm，碳纤维的直径为3～7μm，长度为600～800μm。其它步骤及参数与具体实施方式四至八之一相同。
实施例一：本实施例基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法按下列步骤实施：
一、将纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，使浆料的叩解度达到30°SR，然后利用疏解机进行疏解处理，再将疏解处理后的纸浆的浓度浓缩至4.5％，得到浓缩纸浆；
二、按浓缩纸浆和非线性功能填料的质量份数比为1000︰10向步骤一得到的浓缩纸浆中加入非线性功能填料，经混浆机混合均匀后放入湿纸坯成型器中成型湿纸，成型后的湿纸坯利用真空进行脱水，在水分达到45％时取出湿纸坯，湿纸坯送入热压机中热压制成含水量为20％的含水纸板，最后对含水纸板进行真空干燥得到基于纳米改性的非线性绝缘纸板；
其中步骤二所述的非线性功能填料按质量份数由3份的纳米碳化硅、6份的纳米蒙脱土、1份的碳纳米管、0.5份的碳纤维和0.5份的纳米氧化锌组成。
本实施例中纳米碳化硅的粒径为40nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的双壁碳纳米管，蒙脱土的粒径为200～400目，纳米氧化锌的粒径为40～60nm，碳纤维的直径为3～7μm，长度为600～800μm。
本实施例制备得到的电导非线性绝缘纸板在15kV/mm以下电场中的电导率不小于2.3*10-14S/m，最大非线性系数为3.2，介电常数为2.7，交流击穿场强为70kV/mm，直流击穿场强为223kV/mm。该非线性绝缘纸板的介电常数比油的介电常数大一倍，且介电常数不随场强、温度等外界因素的变化而变化，因此电场分布相对均匀。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是步骤二所述的非线性功能填料按质量份数由5份的纳米碳化硅、2份的纳米蒙脱土、1份的碳纳米管、1份的碳纤维和1份的纳米氧化锌组成。
本实施例制备得到的电导非线性绝缘纸板在15kV/mm以下电场中的电导率不小于1.2*10-13S/m，最大非线性系数为6.1，介电常数为3.2，交流击穿场强为53kV/mm，直流击穿场强为202kV/mm。
实施例三：本实施例基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法按下列步骤实施：
一、将纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，使浆料的叩解度达到40°SR，然后利用疏解机进行疏解处理，再将疏解处理后的纸浆的浓度浓缩至4.5％，得到浓缩纸浆；
二、按浓缩纸浆和非线性功能填料的质量份数比为1000︰12向步骤一得到的浓缩纸浆中加入非线性功能填料，经混浆机混合均匀后放入湿纸坯成型器中成型湿纸，成型后的湿纸坯利用真空进行脱水，在水分达到50％时取出湿纸坯，湿纸坯送入热压机中热压制成含水量为20％的含水纸板，最后对含水纸板进行真空干燥得到基于纳米改性的非线性绝缘纸板；
其中步骤二所述的非线性功能填料按质量份数由4份的纳米碳化硅、4份的纳米蒙脱土、1.5份的碳纳米管、1.5份的碳纤维和0.5份的纳米氧化锌组成。
本实施例制备得到的电导非线性绝缘纸板在15kV/mm以下电场中的电导率不小于7.1*10-14S/m，最大非线性系数为4.4，介电常数为2.9，交流击穿场强为61kV/mm，直流击穿场强为216kV/mm。

Claims (9)

1.一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板，其特征在于该基于纳米改性的非线性绝缘纸板是按质量份数由1000份浓缩纸浆和10～15份非线性功能填料制成，其中非线性功能填料按质量份数由3～6份的纳米碳化硅、1～8份的纳米蒙脱土、0.5～1.5份的碳纳米管、0.5～1.5份的碳纤维和0.5～1份的纳米氧化锌组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板，其特征在于所述的浓缩纸浆是按下列步骤制备的：将纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，然后利用疏解机进行疏解处理，再将疏解处理后纸浆的浓度浓缩至4.3％～4.8％，得到浓缩纸浆。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板，其特征在于纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为直径5nm～80nm、管长1μm～15μm的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管，蒙脱土的粒径为200～400目，纳米氧化锌的粒径为10～100nm，碳纤维的直径为3～7μm，长度为600～800μm。
4.一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法，其特征在于是按下列步骤实施：
一、将纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，然后利用疏解机进行疏解处理，再将疏解处理后的纸浆的浓度浓缩至4.3％～4.8％，得到浓缩纸浆；
二、按浓缩纸浆和非线性功能填料的质量份数比为1000︰(10～15)向步骤一得到的浓缩纸浆中加入非线性功能填料，经混浆机混合均匀后放入湿纸坯成型器中成型湿纸，成型后的湿纸坯利用真空进行脱水，在水分达到40％～50％时取出湿纸坯，湿纸坯送入热压机中热压制成含水量为15％～20％的含水纸板，最后对含水纸板进行真空干燥得到基于纳米改性的非线性绝缘纸板；
其中步骤二所述的非线性功能填料按质量份数由3～6份的纳米碳化硅、1～8份的纳米蒙脱土、0.5～1.5份的碳纳米管、0.5～1.5份的碳纤维和0.5～1份的纳米氧化锌组成。
5.根据权利要求4所述的一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法，其特征在于步骤一纸板通过碎浆机碎解后送至磨浆机磨浆，磨浆至浆料的叩解度达到30-40°SR。
6.根据权利要求4所述的一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法，其特征在于步骤一利用疏解机进行疏解处理，其中疏解处理是以2900±100r/min的转速疏解15～25min。
7.根据权利要求4所述的一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法，其特征在于步骤二湿纸坯送入热压机中热压，其中热压的条件是以15～20MPa的压力压制10～20min。
8.根据权利要求4所述的一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法，其特征在于步骤二对含水纸板进行真空干燥的过程是在真空度为0.01MPa的真空干燥箱内以90℃～110℃的温度进行真空干燥。
9.根据权利要求4所述的一种基于纳米改性的非线性绝缘纸板的制备方法，其特征在于纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为直径5nm～80nm、管长1μm～15μm的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管，蒙脱土的粒径为200～400目，纳米氧化锌的粒径为10～100nm，碳纤维的直径为3～7μm，长度为600～800μm。
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C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20211227

Address after: 150010 No. 52, Xuefu Road, Nangang District, Harbin City, Heilongjiang Province

Patentee after: Harbin Transformer Co.,Ltd.

Address before: 150080 No. 52, Xuefu Road, Nangang District, Heilongjiang, Harbin

Patentee before: HARBIN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

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Denomination of invention: A preparation method of nonlinear insulating paperboard based on nano modification

Effective date of registration: 20221026

Granted publication date: 20160309

Pledgee: Heilongjiang Xinzheng financing guarantee Group Co.,Ltd.

Pledgor: Harbin Transformer Co.,Ltd.

Registration number: Y2022230000082

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