油浸绝缘纸制备技术及研究进展

于红梅 刘 文，* 刘群华 陈雪峰

(1.中国制浆造纸研究院，北京，100102；2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)

·绝缘纸·

油浸绝缘纸制备技术及研究进展

于红梅1，2刘 文1，2，*刘群华1，2陈雪峰1，2

(1.中国制浆造纸研究院，北京，100102；2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)

油浸绝缘纸主要以植物纤维为原料，其性能受到原材料、制备工艺、生产用水、生产环境等的影响，生产中应严格控制这些影响因素，才能确保绝缘纸具有优良的性能。本文结合近年来的研究成果介绍了绝缘纸的制备技术及研究进展。

油浸绝缘纸；原材料；生产用水；生产环境

变压器是电力系统中的核心设备，它借助于电磁感应以相同的频率在两个或更多的线圈之间变换交流电压和电流。用油浸绝缘纸绝缘是变压器里主要的绝缘形式，这种绝缘纸俗称“牛皮纸”，浸油后形成纸-油-纸绝缘系统[1]。随着电力工业的发展，变压器等级越来越高，因此对变压器匝间绝缘的要求也越来越高。我国已成功研制开发了500 kV、750 kV变压器匝间绝缘纸，但并未突破1000 kV变压器匝间绝缘纸的技术难题，这些技术难题包括：绝缘纸的原材料化学提纯精制、结构设计与成形等。本文结合文献，从原材料的选择、制备工艺、生产用水的净化及生产环境的控制上对绝缘纸性能的影响进行了介绍，目的在于更深入了解油浸绝缘纸的性能与制备技术的关系，以优化生产工艺。

1 纤维原料选择

绝缘纸广泛用于电气和电子工业，一般采用未漂硫酸盐针叶木浆为原料，也有采用破布浆、麻浆制成，最近研究中也有用到阔叶木纤维原料。即使是以未漂硫酸盐针叶木浆为原料，不同产地的针叶木纤维原料抄造出的绝缘纸性能也不同。黄建文等人[2]选取瑞典、美国、加拿大和俄罗斯的4种针叶木浆制成绝缘纸样品，发现绝缘纸的相对介电常数和油中交流击穿场强会受针叶木浆种类的影响，但绝缘纸的抗张强度、体积电阻率、介质损耗角正切值以及空气中交流击穿场强则不受明显影响。同时得出加拿大针叶木浆绝缘纸更适宜于交流电用绝缘纸的制备生产。

用韧皮纤维中的大麻、亚麻、洋麻抄造的纸，纸质均匀，有良好的抗张强度和撕裂度，满足电气绝缘纸物理性能的要求，这是因为这些麻类纤维的长宽比都比较大，甚至超过了红松，木素含量比木材少，纤维素含量也比较高[3]。但麻浆灰分含量高，绝缘纸对灰分的要求严格，因此需要对麻浆进行灰分处理。陈宽等人[4]在研究中介绍了一种氧-碱法制取韧皮纤维浆的方法，对抄造出的电气绝缘纸进行热老化特性实验，发现用该方法制取的韧皮纤维浆抄造的纸和纸板热老化性能与未漂硫酸盐针叶木浆抄造的纸和纸板相近。

天丝纤维在特种纸方面经常使用，它具有独特的性能，如良好的机械强度、热稳定性，并且耐化学腐蚀、阻隔绝缘性能好等。陈启杰等人[5]发明了一种含天丝纤维绝缘纸的制备方法，满足了绝缘纸性能要求，且电气性能比100%针叶木浆绝缘纸提高10%～15%。

阔叶木硫酸盐浆半纤维多，不是制作绝缘纸的最佳原料，但周远翔等人[6]发明了一种含有阔叶木纤维的电气绝缘纸制备方法，工艺过程方法简单、易操作，在保证绝缘纸电气性能的前提下，有效地降低了生产成本。

2 制备工艺

2.1蒸煮

蒸煮的目的是除去原料中的木素、树脂等，木素除了影响纸张的物理性能外，作为极性分子它还影响着绝缘纸的电气性能，特别是介质损耗。Rebecca Hollertz等人[7]利用椭圆偏振光谱法研究了纤维素、半纤维素和木素的极化特性，发现木素的极化率要高于纤维素和半纤维素，因而降低木素含量有助于减小绝缘纸的介质损耗。

绝缘纸纸浆主要采用硫酸盐蒸煮方法制备，一方面硫酸盐法比亚硫酸盐法制备的浆料成纸的强度高，另一方面硫酸盐浆中的硫元素也有利于提高绝缘纸的耐热性能[8]。为保证纸浆的强度，在蒸煮过程中控制用碱量、硫化度、蒸煮温度以尽量减少纤维素链的断裂和剥皮反应的发生。提高绝缘纸浆料的质量除了控制用碱量、硫化度且原木去盘头、刮表皮外，保温温度的选择也很重要，最高温度不超过162℃[9]。

韧皮纤维用作绝缘纸原料时多采用氧碱法蒸煮，但这种方法制备的浆的灰分含量比较高，对绝缘纸的性能影响很大，所以需要对浆料进行纯化处理[2]，张诚[10]对传统的麻浆纯化工艺进行了改进，结果显示改进后的电容器纸的介质损耗角正切值(tanδ)降低 40%，漏电流减少 73%，有效地提高了产品质量。

2.2酸处理

高纯度的绝缘纸浆料是制备高性能绝缘纸的前提，因此对原材料进行化学提纯精制在绝缘纸的生产中很重要。纸浆中的灰分分为附着灰分、交换灰分和惰性灰分；附着灰分含量最大，交换灰分含量最小，而惰性灰分最难除去。蒸煮工序完成后的纸浆中的灰分含量还很大，经过洗涤、精选过程能够除去一部分灰分，并且洗涤次数越多效果越好。500 kV变压器匝间绝缘纸的灰分含量要求小于0.21%，特高压绝缘纸中灰分含量要求更低，而一般未漂硫酸盐浆的灰分含量达不到要求，需要对纸浆进行处理以提高纯度、采用无机酸对纸浆进行提纯，可以去除纸浆中的导电性物质，并且随着用酸量的增加，灰分去除效果更加明显。

酸处理之后还要对纸浆进行洗涤，灰分含量经脱盐水洗涤后能够达到标准要求。但纸浆的水抽提液电导率仍然偏高，pH值呈明显酸性[11]，如表1所示。这是因为纸浆灰分中一部分金属离子以纤维素羧酸盐的形式存在，经酸处理之后，产生了一定量的游离羧基，羧基的电离能力大于羧酸盐，这就导致水抽提液电导率偏高和pH值偏低，并且洗涤多段之后，仍维持在较高水平。为降低纸浆水抽提液电导率和提高水抽提液pH值，并考虑到一价金属离子对绝缘纸电气性能的影响更明显，通常采用加入二价Mg盐的方法将羧基的H+置换出来，钝化羧基。

表1 不同纸浆的水抽提液性质

2.3打浆

打浆对绝缘纸性能有很大影响，随着打浆度的提高，绝缘纸和油浸绝缘纸的工频击穿强度以及油浸绝缘纸的冲击击穿强度都提高。对于同一种打浆方式来说，打浆度的高低表明了纤维切断和分丝帚化的程度，同样紧度的纸张若打浆程度不同时电气性能也不同，这是因为高打浆度状态纤维中有S2—S2结合，既所谓的纤维内部细纤维化在干燥过程产生不可逆的H键结合，这种耐水性的分子结合不仅表现出对水分扩散及渗透的强烈抵抗，也成为高电场下被加速电子、离子的有力的屏蔽。根据游离状打浆和黏状打浆的特点，组合打浆方式不但可以缩短打浆时间，降低能耗，而且使成纸匀度提高。

细小纤维组分含量的上升使得纸张的匀度和透气度产生变化，匀度和透气度影响着绝缘纸的电气性能，根据匀度和透气度指标的变化来设计打浆工艺，不但可以获得所需要的纸张性能而且还能提高纸机的产量，降低成本[12-13]。

打浆设备的不同，成纸的性能也会不同。不同材质的磨片对纤维的作用也不同，打浆时塑料材质的磨片作用均匀、纤维易于水化润胀、分丝帚化、纤维长度得到较好的保护。李可成等人[14]采用塑料盘磨和玄武岩盘磨组合打浆的方式，使得电容器纸的裂断长、击穿电压均有所提高。盘磨对纤维的作用与磨片的齿宽、槽宽和齿高密切相关，周建华等人[15]选用齿宽和槽宽相对窄、齿高相对低的磨片磨浆制成的高密度绝缘纸板的性能达到预期的效果。

2.4干燥

水分是影响绝缘纸老化的重要因素之一，绝缘纸中的纤维素容易发生水解反应，引起绝缘纸性能变化。研究表明，油浸绝缘纸中初始所含的水分越多，对绝缘纸降解的促进作用也就越强[16]。油浸纸绝缘系统中，油中含水量应为5～15 mg/kg，绝缘纸含水量0.3%～0.5%。当油的含水量增加到40 mg/kg，绝缘纸中含水量增加到2%时，绝缘纸强度受影响不大，若绝缘纸含水量超过2%，绝缘纸强度将急剧下降。干燥过程中除了脱除湿纸幅中残留的水分，还能使纤维间进一步结合，提高纸张强度，增加纸张平滑度。

在造纸生产中，最常见的干燥方法是采用烘缸组进行干燥，干燥过程中根据纸种的不同控制烘缸干燥曲线的变化，对于电气绝缘纸来说，干燥温度不但要低而且升温曲线也要平缓。

2.5压光

对成纸进行压光主要是来提高纸张的平滑度、紧度、气密性，这些指标均对绝缘纸电气性能有影响。用超级压光机对绝缘纸进行压制，利用压辊间的压力和摩擦影响纸张的性能，增加压力能够提高纸张的紧度，从而提高绝缘纸的击穿强度。

绝缘纸板一般采用热压工艺[17]，在实际生产中严格控制压制的温度、时间、压力能够保证绝缘纸板的性能，尤其要控制压制的温度，原因是温度是影响绝缘纸热老化性能的主要因素之一，直接影响着绝缘纸的质量。热压之后，绝缘纸板的水分下降，紧度得到提升。另外对绝缘纸板采用不同的压光方式，所表现出来的性能也会不同，于钦学等人[18]研究了压光型和预压型两种绝缘纸板的性能，并在150℃进行热老化实验，结果表明，预压型绝缘纸板的大多数性能优于压光型绝缘纸板，且压光型绝缘纸板的抗老化能力较差，更适用于电力变压器。绝缘纸板浸油前后性能比较如表2所示。

表2 绝缘纸板浸油前后性能比较

综合制备工艺中不同环节对绝缘纸电气及物理性能的影响，为得到较高电气强度和物理强度的绝缘纸，打浆时下刀要轻，打浆度高，压光时紧度要高，并根据使用要求选择适当的纸张厚度。

3 生产用水和环境的控制

3.1生产用水的净化

生产用水纯净度是影响绝缘纸电气性能和水抽出液电导率的重要因素之一[19]。绝缘纸通常用优质的未漂硫酸盐针叶木浆为原料，木片的蒸煮、打浆、抄造过程都需要大量水，生产绝缘纸用的水纯度要求很高，而一般工厂水的来源有河水、湖水、自来水等，这些水中含有大量的阳离子和阴离子，电导率也通常大于100 μS/cm，影响着绝缘纸的电气性能，周远翔等人[20]用不同电导率的水制备绝缘纸，结果发现随着造纸用水电导率的增加，油浸绝缘纸的体积电阻率和直流击穿场强下降、介质损耗角正切值增大，因此必须进行生产用水的净化。

脱盐水处理工艺有离子交换法工艺和膜法工艺，膜法工艺比离子交换工艺更具有综合优势，首先膜法工艺厂房占地面积只有离子交换法工艺的50%，其次膜法工艺出水水质稳定可靠性高，不用酸碱再生，更为环保，特别是超滤、反渗透、EDI(电去离子净水技术)等以高分子分离膜为代表的膜分离技术作为一种新型的流体分离单元操作技术，30年来取得了令人瞩目的巨大发展[21]。

表3所示为某绝缘纸厂采用离子交换法净化水水质情况[19]，表4所示为反渗透法净化前后用水对绝缘纸板电导率和灰分含量的影响[16]。

表3 离子交换法净化水质情况

表4 反渗透法净化前后用水对绝缘纸板电导率和灰分含量的影响

3.2生产环境的控制

外来的灰尘、杂质等主要影响绝缘纸电气性能，所以生产绝缘纸产品要严格控制生产环境，为防止外来粉尘，生产环境要封闭，使用粉尘监控系统确保生产环境的降尘量不大于0.5 mg/m3，另外，降温采用水膜式净化空调，换气通风采用正压鼓风[22]。

生产过程中也要避免金属物质的掺杂，绝缘纸如果掺杂了金属会出现局部放电、电阻率下降、绝缘能力下降等现象，严重时绝缘纸会被击穿，从而引起变压器故障的发生。所以在生产中必须严格控制金属物质的掺杂，在拆除进口木浆时，为防止包装用的铅丝进入碎浆机，要对剪下的铅丝进行收集；另外造纸设备在运行中不可避免地会磨损，为防止磨损产生的金属粉末进入绝缘纸中，要选择优质不锈钢、聚酰胺、陶瓷等材料的设备，易磨损部件要选用耐磨材料并定期更换。

同时，电力工业在不断发展，变压器等级已达到1000 kV，并且还在增加，生产高纯度的绝缘纸更要注意生产过程的清洁，不但使产品质量稳定，还能使企业获得利益。以绝缘纸板为例，清洁生产在绝缘纸板生产过程中应用包括[23]：整个生产过程利用电脑自动控制，Kraft纤维回收机的应用，化学助剂、絮凝剂、杀菌剂的使用。

4 展 望

目前油浸绝缘纸的发展动向是提高天然纤维的耐老化性能和介电特性。提高耐老化性能的方法很多，可以向绝缘纸中添加胺类的稳定剂，提高绝缘纸的耐热性；对纤维素的化学改性，包括氰乙基化、乙酰化、接枝聚合和烷基化减少纤维素中的羟基含量，降低成纸吸水性。研究者在提高绝缘纸介电特性方面也做了大量的工作，取得了丰硕成果，成功研发出聚甲基戊烯(PMP)纤维和纤维素纤维复合纸、耐高温合成纤维(HTFR)纸、氟化乙丙烯共聚物(PEP)纤维复合纸等，电气性能大大提高。

近年来，研究人员通过向绝缘纸中添加较低的相对介电常数的无机非金属矿物质提高了绝缘纸介电性能，这是因为纯纤维素相对介电常数为5.1左右，变压器油相对介电常数只有2.2左右[24]，双层电介质中，低介电常数的变压器油承受了更高的电场强度，因此纸-油-纸绝缘系统中，首先容易被击穿的是变压器油。添加了无机非金属矿物质的绝缘纸比100%纤维绝缘纸介电常数降低，纸-油-纸的复合绝缘系统中的电场分配会更加合理，油浸绝缘纸绝缘的击穿电压也会提高，从而提高绝缘的可靠性[25]。常用到的无机非金属矿物质有Al2O3、ZnO、TiO2、SiO2、碳化硅(SiC)、蒙脱土等[26-32]。

5 结 语

高纯度的纤维原料，合理的生产工艺，洁净的生产用水和生产环境是生产高品质绝缘纸的重要前提，在超高压、特高压绝缘纸的生产要求中更加严苛。另外随着纳米技术的发展和应用，纳米级别的无机粒子的制备取得很大进展，通过添加无机纳米粒子来增强绝缘纸的性能成为了近年来的研究热点，但在实际生产中还未得到应用。综合绝缘纸的制备技术，以原材料结构及改性、纤维交织成形及控制、纸张结构与性能的系统研究为切入点，结合纤维原料处理、纸张微观结构设计、纸张抄造技术及后加工技术，从微观-宏观多层次阐明纸张结构-工艺-性能之间的关系，是制备高耐热性和高耐腐蚀、高介电性能和高力学性能的绝缘纸的重要研究内容。

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(责任编辑：马 忻)

ThePreparationTechnologyandResearchProgressofOil-impregnatedInsulationPaper

YU Hong-mei1,2LIU Wen1,2,*LIU Qun-hua1,2CHEN Xue-feng1,2
(1.ChinaNationPulpandPaperResearchInsitute,Beijing, 100102;2.NationalEngineeringLabforPulpandPaper,Beijing, 100102)(*E-mail: liuwen0412@126.com)

The oil-impregnated insulation paper is prepared mainly using cellulose fiber as saw material, its performance is influenced by raw materials, preparation technology, water used, and production environment. To insure the insulation paper having excellent performance these influencing factors must be controlled strictly in the production. In this paper, combining with recent research results the preparation technology and research progress of insulation paper were introduced．

oil-impregnated insulation paper; raw materials; water; production environment

于红梅女士，在读硕士研究生；主要研究方向：特种纸。

TS764.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.11.010

2017- 06- 16(修改稿)

国家重点研发计划项目课题(2017YFB0308200)。

*通信作者：刘 文，博士，教授级高级工程师；主要研究方向：特种纸。