CN106381745A - 一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法 - Google Patents

一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其技术要点是包括以下步骤：一、将原浆纸板用蒸馏水浸泡4小时以上；二、对浸泡后的湿纸浆进行打浆处理，将其疏解为纸浆悬浊液；三、测定纸浆的打浆度，达到经验值后，向纸浆悬浊液中倒入纳米悬浊液进行充分混合；四、将混合液放入湿纸坯成型器中成型湿纸；五、用平板硫化机将一定数量的湿纸页压为一张纸板；六、对纸板真空干燥获得改性绝缘纸板。本发明在纸浆中添加纳米材料来制备改性绝缘纸板，使绝缘纸板的电导率呈现非线性，自动改善直流电压下的电场分布，均化电场。掺杂纳米材料可改进绝缘纸板的绝缘电阻，改进其击穿场强，抑制空间电荷向介质内的注入、迁移和积聚，使其分布更加均匀。

Description

一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法
技术领域：
本发明涉及换流变压器用绝缘纸板，具体涉及一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法。
背景技术：
近年来，输电电压越来越高，电网规模不断扩大，发电侧和用电侧的容量需求越来越大。高电压直流输电技术由于其所具备的优势，如不产生低频振荡、不增加短路容量、不存在稳定性制约、可方便地调节潮流等，而越来越受到电力行业的青睐，特别是在远距离电网联络、跨海输电及大容量输电等方面时，高压直流输电的优越性越来越明显。目前，我国电力工业已经进入大电网、高电压、高自动化的发展时期。
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运行。绝缘问题是变压器故障的主要原因之一，在换流变压器设计与制造中,绝缘结构的设计既是重点也是难点。换流变压器内部绝缘一般采用油、纸复合绝缘结构，随着电力系统电压等级的提高，变压器的内部绝缘问题更加突出，因此，改善换流变压器油纸绝缘特性、减少绝缘故障，具有十分重要的意义。
换流变压器是连接交流侧和直流侧的桥梁，与普通电力变压器不同，其阀侧绕组不仅要承受交流电压而且受到直流电压的作用，故其绝缘中的场强分布与电力变压器不同。两者内绝缘都采用油纸复合绝缘,但绝缘纸板与变压器油的比例不同，且换流变压器采用全绝缘结构。
在交流电场中,换流变压器阀侧电场呈容性分布，与介电常数成反比，纸板介电常数为4.7～4.8，油的介电常数为2.2，故变压器油中的场强较高，而在直流电场中,电场呈阻性分布，与电阻率成正比，而材料的电阻率受场强、温度、湿度等因素的影响,并在沿纸面方向和垂直纸面方向呈各向异性，在运行中当纸板或油发生严重老化时，其电阻率极端比值可达1：1到1：1000，因此绝缘纸板承担绝大部分电压，直流电场的分布严重不均。交直流叠加电场下的电场分布则介于交流和直流单独作用的情况之间。同时在直流电场作用下，油纸两种介质电阻率相差较大，使油中极化电流远大于纸板中，从而导致油纸界面电荷积累,形成空间电荷，同时，实际运行经验表明，绝缘油即使在长期使用之后，其绝缘击穿电压也不过下降10％左右，一般无碍运行。油的体积电阻系数和总酸值等虽然会发生较大的变化，但可以通过油的净化或再生处理甚至换新油来解决，因此它不是影响变压器寿命的主要因素。而构成固体绝缘的纤维纸，其劣化后引起的性能下降则是不可逆转的，因此纸绝缘的老化是决定变压器寿命的主要因素。
考虑到电压等级的提高、油纸绝缘的老化、局部放电、空间电荷效应、水分及温度对绝缘系统的影响，换流变压器在实际运行中的电场分布则更为复杂。绝缘纸板作为变压器中最重要的绝缘材料之一，其性能及质量直接影响到变压器运行的可靠性和变压器的使用寿命。
发明内容：
本发明提供了一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其掺杂有纳米材料，可改进绝缘纸板的绝缘性，改进复合材料的击穿场强，还能抑制空间电荷向介质内的注入、迁移和积聚，使介质内空间电荷分布更加均匀。
本发明的换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，采用的技术方案在于由以下步骤构成：
一、将原浆纸板用蒸馏水浸泡4小时以上；
二、对浸泡后的湿纸浆进行打浆处理，用疏解器将湿纸浆疏解为纸浆悬浊液；
三、测定纸浆的打浆度，达到经验值后，向纸浆悬浊液中倒入纳米悬浊液并进行充分混合；
四、将混合后的混合液放入湿纸坯成型器中成型湿纸；
五、用平板硫化机将一定数量的湿纸页压为一张纸板；
六、将该纸板进行真空干燥处理，获得改性绝缘纸板。
进一步地，步骤三中的纳米悬浊液的制备过程为：先将分散剂加入蒸馏水中，再向溶液中加入纳米填料获得纳米悬浊液。
进一步地，步骤三中，使用增力电动搅拌机搅拌纸浆悬浊液和纳米悬浊液的混合液，使两者充分混合。
进一步地，所述纳米填料为A12O3纳米颗粒。
进一步地，所述分散剂为聚乙二醇。
进一步地，A12O3纳米颗粒、聚乙二醇、蒸馏水的比例为1：1：400。
进一步地，先向蒸馏水中添加聚乙二醇分散剂，用超声波清洗器超声振动使聚乙二醇溶解在蒸馏水中，再将A12O3纳米颗粒加入溶液中，之后将混合液进行超声分解处理，最终获得纳米氧化铝悬浊液。
进一步地，所述超声分解的时间为20min。
进一步地，所述A12O3纳米颗粒的粒径为60nm。
本发明的有益效果是：本发明主要是通过在纤维中添加纳米材料来制备改性绝缘纸板，使绝缘纸板的电导率呈现非线性，自动改善直流电压下的电场分布，均化电场，介电常数基本保持不变。掺杂纳米材料，可改进绝缘纸板的绝缘电阻，可改进绝缘纸板的击穿场强，还能抑制空间电荷向介质内的注入、迁移和积聚，使介质内空间电荷分布更加均匀，同时对其介电特性、空间电荷特性、力学特性、老化特性等进行优化和改善，这对提高高压直流输电设备绝缘设计与制造水平、提高其运行可靠性、保障直流输电线路安全运行具有重要理论和实际应用价值。
附图说明：
图1为本制备方法的流程图；
图2为三电极装置的结构示意图；
图3为典型超声时间对应的粒径值分布图，其中图a为超声10min对应的粒径分布图、图b为超声60min对应的粒径分布图；
图4为不同超声时间对应的粒径集中值分布图；
图5为扫描电镜下改性绝缘纸板的微观形态图，图a为5000倍放大倍数图，图b为20000倍放大倍数图。
具体实施方式：
实施例一：
参照图1，本实施例中的换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，由以下步骤构成：
一、将原浆纸板用蒸馏水浸泡4小时以上；
二、对浸泡后的湿纸浆进行打浆处理，用疏解器将湿纸浆疏解为纸浆悬浊液；
三、测定纸浆的打浆度，达到经验值后，向纸浆悬浊液中倒入纳米悬浊液，纸浆悬浊液与纳米悬浊液的比为25：1，使用增力电动搅拌机进行搅拌使两者充分混合；
四、将混合后的混合液放入湿纸坯成型器中成型湿纸；
五、用平板硫化机将一定数量的湿纸页压为一张纸板；
六、将该纸板进行真空干燥处理，获得改性绝缘纸板。
进一步地，步骤三中的纳米悬浊液的制备过程为：先向蒸馏水中添加聚乙二醇分散剂，用超声波清洗器超声振动使聚乙二醇溶解在蒸馏水中，再将A12O3纳米颗粒加入溶液中，之后将混合液进行超声分解处理，最终获得纳米氧化铝悬浊液，超声分解的时间为20min，所获得的纳米氧化铝悬浊液中A12O3纳米颗粒的粒径为60nm。其中，A12O3纳米颗粒、聚乙二醇、蒸馏水的比例为1：1：400。
实施例二：
本实施例与实施例一不同的是：原浆纸板在蒸馏水中浸泡的时间为3小时以上；纸浆悬浊液与纳米悬浊液的比为20：0.5，使用增力电动搅拌机进行搅拌使两者充分混合；超声分解的时间为10min，所获得的纳米氧化铝悬浊液中A12O3纳米颗粒的粒径为100nm；A12O3纳米颗粒、聚乙二醇、蒸馏水的比例为0.5：0.5：300。
实施例三：
本实施例与实施例一不同的是：原浆纸板在蒸馏水中浸泡的时间为5小时以上；纸浆悬浊液与纳米悬浊液的比为30：2，使用增力电动搅拌机进行搅拌使两者充分混合；超声分解的时间为30min，所获得的纳米氧化铝悬浊液中A12O3纳米颗粒的粒径为90nm；A12O3纳米颗粒、聚乙二醇、蒸馏水的比例为2：2：500。
为测量和分析纳米掺杂比例(指纳米颗粒在纸板中的百分含量)对改性绝缘纸板介电特性的影响，需对本发明所制备的改性绝缘纸板进行介电特性影响的测试，其测试方法为：在试样表面贴上铝箔电极，利用三电极装置构成测量系统，测量过程中，分别利用高压直流电源、皮安表来测量改性绝缘纸板的电导率；利用宽带介电谱测试系统来测量改性绝缘纸板的相对介电常数和介质损耗因数；采用工频试验变压器、精密直流电源、高压变压器、三电极装置对改进绝缘纸板的击穿强度进行测量，测量结果如表1所示，通过表1可看出按本发明的制备方法所获得的纳米改性纸板的电导率、相对介电常数、介质损耗因数及击穿场强均优于未改性纸板，因此纳米改性绝缘纸板具有较好的绝缘性能。
表1
上述测试方法所用三电极装置如图2所示，其包括绝缘筒1和其内的高压电极2和低压电极3，所述高压电极2处于低压电极3的上方，所述低压电极3浸于绝缘筒1内的变压器油液内，低压电极接3地，改性纸板4处于高压电极2和低压电极3之间。
为了使纳米颗粒在绝缘纸板中分散的更好，应先防止纳米颗粒在水溶液中团聚，对纳米颗粒在水溶液中的分散性展开研究，目前采用直接共混法制备纳米A12O3悬浊液，将A12O3纳米颗粒、分散剂与蒸馏水按需要的比例混合制备，先向一定量的蒸馏水中添加聚乙二醇分散剂，并用超声波清洗器进行超声振动，使其溶解在蒸馏水中，再将A12O3纳米颗粒加入其中，一直进行超声分解以获得均匀且分散性好的悬浊液，采用纳米粒度分析仪测定悬浊液中纳米颗粒的粒径。
按照以上方法制备的纳米悬浊液，测量得到典型超声时间对应的纳米颗粒的粒径值分布和不同超声时间对应的纳米颗粒的粒径集中值分别如图3和图4所示。
由上述测量图3、图4可以看出，纳米颗粒的粒径的集中值随超声分散时间的增加呈现出先降低再升高的变化趋势，且超声分散时间为20min时，纳米颗粒的粒径的集中值最小，约为60nm左右。因此，超声分散纳米Al2O3水悬浊液的时间确定为20min，能使纳米Al2O3颗粒在水溶液中的分散性能更好，进而使纳米Al2O3颗粒在绝缘纸板中分散的更好。
为了验证绝缘纸板纳米改性的可行性，采用扫描电镜(SEM)的方式对改性绝缘纸板的微观形态进行观察与分析，图5给出了掺杂纳米Al2O3颗粒的改性纸板在不同放大倍数下的微观形态，从图5可以观测到利用扫描电镜测得的掺杂纳米Al2O3改性绝缘纸板的微观形态，改性纸板中有很多白色颗粒状或块状物质，这些物质为纳米Al2O3颗粒；同时可以看出改性纸板中的纳米颗粒与纸板纤维充分混合且分散的效果较好，从而验证了本发明的制备方法的可行性。

Claims (9)

1.一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于由以下步骤构成：
一、将原浆纸板用蒸馏水浸泡3～5小时以上；
二、对浸泡后的湿纸浆进行打浆处理，用疏解器将湿纸浆疏解为纸浆悬浊液；
三、测定纸浆的打浆度，向纸浆悬浊液中倒入纳米悬浊液并进行充分混合，纸浆悬浊液与纳米悬浊液的质量比为20～30：0.5～2；
四、将混合后的混合液放入湿纸坯成型器中成型湿纸；
五、用平板硫化机将一定数量的湿纸页压为一张纸板；
六、将该纸板进行真空干燥处理，获得改性绝缘纸板。
2.如权利要求1所述的一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于：步骤三中的纳米悬浊液的制备过程为：先将分散剂加入蒸馏水中，再向溶液中加入纳米填料获得纳米悬浊液。
3.如权利要求1所述的一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于：步骤三中，使用增力电动搅拌机搅拌纸浆悬浊液和纳米悬浊液的混合液，使两者充分混合。
4.如权利要求2所述的一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于：所述纳米填料为A12O3纳米颗粒。
5.如权利要求1所述的一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于：所述分散剂为聚乙二醇。
6.如权利要求4或5所述的一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于：A12O3纳米颗粒、聚乙二醇、蒸馏水的比例为0.5～2.：0.5～2：300～500。
7.如权利要求4或5所述的一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于：先向蒸馏水中添加聚乙二醇分散剂，用超声波清洗器超声振动使聚乙二醇溶解在蒸馏水中，再将A12O3纳米颗粒加入溶液中，之后将混合液进行超声分解处理，最终获得纳米氧化铝悬浊液。
8.如权利要求7所述的一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于：所述超声分解的时间为10～30min。
9.如权利要求4所述的一种换流变压器用纳米改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于：所述A12O3纳米颗粒的粒径为60～100nm。
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