打浆参数对绝缘纸力学和电气性能的影响

周远翔，聂 皓，张云霄，黄 欣

（1.清华大学 电机工程与应用电子技术系 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084；2.新疆大学 电气工程学院 电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830047）

0 引言

随着我国经济的高速发展，各地区、各行业对电能的需求日益增加。而我国能源资源和用电负荷中心不均衡分布的特点，客观上决定了我国必须实施跨区输送，近年来交直流特高压输电工程的高速建设和发展正是解决这一问题的重要战略方向。随着特高压交、直流电压等级分别提高到1 000 kV和±800 kV水平，以电力变压器为主的各类电气设备的油纸绝缘问题备受关注。油纸复合绝缘中绝缘纸对复合结构各方面的性能都具有重要影响，因此对绝缘纸的性能研究具有重要意义[1-5]。

绝缘纸的制造过程主要包括打浆、抄造、热压3个环节，其中打浆过程的主要目的是通过对经过充分浸泡的原浆纤维施加机械作用力和流体剪切力来分散纤维束，改变纤维形态，对绝缘纸的力学性能和电气性能有着重要影响。长期以来业内都使用打浆度来衡量打浆程度，这一指标可以最直接地反映纸浆滤水的难易程度，单位是°SR，一般采用肖伯尔-瑞格勒仪进行测量。因为纸浆滤水的难易程度取决于纤维素长度、宽度和纤维形态等各种因素，所以一般情况下也使用打浆度从侧面反映纤维素的状态。

因为绝缘纸的制备工艺可能涉及到技术保密的情况，所以目前国内外针对绝缘纸制备工艺，尤其是打浆过程的研究报道较少。针对打浆工艺的研究中，主要有基于打浆能耗预测打浆效果和基于物理作用力分析打浆效果的两类理论。其中基于打浆能耗的理论主要有比边缘负荷理论、比表面负荷理论和C因子理论[6]；基于物理作用力的理论有R J KEREKES[7]提出的打浆理论。R HOLLERTZ等[8]研究发现绝缘纸的紧度随打浆度的增大存在饱和趋势。文献[9-10]研究表明，打浆会引起纤维表面化学成分、电荷量和结晶度等的变化，也会增加纤维的表面电荷量。文献[11]研究表明，纸张的抗张强度会随着打浆度的提高而迅速提高，但这种提高效果在打浆度达到一定程度后有所减弱。HUANG J W等[12]针对打浆度对绝缘纸性能的影响进行过研究。廖瑞金等[13]测试了不同打浆度绝缘纸的微观形貌和陷阱参数，并建立模型分析了打浆度对绝缘纸各性能的影响机理。

打浆过程中影响打浆效果的主要有打浆时间和打浆压力两个参数，现有文献大多数只研究打浆度对绝缘纸性能的影响[14-18]。而打浆时间和打浆压力对打浆过程起到的效果和作用机理显然是不同的，针对打浆过程中这两个细化参数对绝缘纸性能的研究也鲜有报道。因此，基于打浆过程细化打浆时间和打浆压力对绝缘纸性能影响的研究，对于探究打浆过程对绝缘纸的影响机理，进一步指导生产性能更加优异的绝缘纸，提升油纸绝缘的安全稳定性具有重要意义。

本研究利用实验室搭建的绝缘纸制造平台，分别制备不同打浆时间和不同打浆压力的绝缘纸。对所得绝缘纸试样的基础理化特性、力学特性、电气特性进行测试，并通过扫描电子显微镜(SEM)观测试样的微观形貌，讨论不同打浆时间和打浆压力造成的微观形貌与绝缘纸性能之间的关系。

1 试验

1.1 绝缘纸试样制备

选取产自加拿大的针叶木纸浆，原始纤维长度均值为2.3 mm，宽度均值为29.2 μm，通过实验室绝缘纸制备平台制备试样，步骤如下：①调节好打浆时间和打浆压力参数，利用打浆机对事先浸泡12 h的原浆浆板进行疏解、打浆；②将打好的纸浆悬浮液转移到抄造设备中，均匀混合后静置脱水，得到湿纸张；③将湿纸张小心转移至导热性良好的铜网和铜板，利用热压设备进行热压，热压温度为110℃，热压压力为5 MPa，热压时间为10 min，得到干燥的绝缘纸；④将制备好的绝缘纸置于密封袋内密封保存，以供后续试验使用[19]。

除了打浆过程中打浆时间和打浆压力两个参数，制备过程中的其余工艺参数均保持一致，以保证试验结果的可靠性。

1.2 绝缘油纸试样制备

对于需要浸油处理的试样，将制备好的绝缘纸裁剪成尺寸为100 mm×100 mm的小试样，并置于105℃的真空干燥箱内烘干24 h。浸油前，将经过过滤、除水、除气处理的变压器油和绝缘纸加热至90℃并抽真空排除纸和油中空气。浸油时，将绝缘纸放入浸油装置中抽真空，然后在真空状态下通过连接的罐子将变压器油抽到浸油装置中，并保证容器处于真空状态。真空浸油后，绝缘油纸试样存放在密闭容器内，并置于40℃的烘箱中，防止水分侵入和外界污染。

1.3 测试方法

（1）力学性能测试

拉伸强度和断裂伸长率按照GB/T 22898—2008，采用Zwick Roell型万能材料试验机进行测试。根据标准规定，将绝缘纸裁剪成尺寸为200 mm×15 mm的试样，测试时夹头距离试样两端一定距离，夹持线初始距离为100 mm，拉伸速率为100 mm/min。对每种试样测量5次，结果取平均值。

（2）体积电阻率测量

采用实验室自行搭建的测量系统通过三电极法测量试样的体积电阻率，通过Keithley 6517A型静电计施加1 kV/mm的直流场强，由内置的pA安培计检测流经试样内部的电流，每0.5 s读取一次电流值，600 s后认为电流稳定，一共采集1 200个数据点。计算体积电阻率时，取最后100个点的平均值作为该次测试结果，每种试样共测量3次取平均值。

（3）击穿特性测试

击穿特性按照GB/T 1408.1—2016进行测试，试样尺寸为5 cm×5 cm，电极选取直径为25 mm的对称不锈钢圆柱电极。试验前，为减少水分对击穿电压的影响，先将试样置于温度为105℃的干燥箱中烘干1 h以上，冷却至室温后立即进行测试。每种试样测量10次，取平均值作为最终结果，并作出箱型分布图[20-22]。

2 不同打浆时间绝缘纸的试验结果

2.1 基础理化特性

不同打浆时间绝缘纸的基础理化特性如表1所示。从表1可以看出，随着打浆时间的增加，绝缘纸的打浆度、紧度均不断增大，但增速逐步减缓，当打浆时间为0～16 min时，紧度增幅较大，之后便迅速趋于饱和。随着打浆时间的增加，厚度均匀度正负偏差总体上有所降低。与不打浆的绝缘纸相比，不同打浆时间下制备的绝缘纸含水率均有所下降，但没有表现出明显的规律性。

2.2 力学特性

绝缘纸的力学特性主要通过拉伸强度和断裂伸长率两个指标来衡量，测试结果如图1所示。由图1可以看出，随着打浆时间从0 min增加到16 min，绝缘纸的拉伸强度从50.5 MPa增大到105.1 MPa，断裂伸长率从1.70%增大到3.48%，两个指标都增长将近一倍。此后随着打浆时间的继续增加，拉伸强度和断裂伸长率仍继续增长，但增速大幅降低并逐步趋于稳定。

表1 不同打浆时间绝缘纸的基础理化性能Tab.1 Physical and chemical properties of insulating paper with different pulp refining time

图1 不同打浆时间绝缘纸的拉伸强度和断裂伸长率Fig.1 Tensile strength and elongation at break of insulating paper with different pulp refining time

2.3 电导特性

绝缘纸的电导特性通过体积电阻率来衡量，体积电阻率通过稳定时的电导电流计算得到，测试结果如图2所示。

图2 不同打浆时间绝缘纸的体积电阻率Fig.2 Volume resistivity of insulating paper with different pulp refining time

由图2可以看出，绝缘纸的体积电阻率在1.67×1014～2.04×1014Ω·m波动，与打浆时间之间没有明显的变化规律。不打浆的绝缘纸电导率最大，达到2.04×1014Ω·m，当打浆时间为26 min时，绝缘纸的电导率最小，为1.67×1014Ω·m。

2.4 电气强度

本次实验主要对绝缘纸和油纸绝缘的交流击穿特性进行测量，结果如图3～4所示。

图3 不同打浆时间绝缘纸的交流电气强度Fig.3 AC electric strength of insulating paper with different pulp refining time

图4 不同打浆时间油纸绝缘的交流电气强度Fig.4 AC electric strength of oil-paper insulation with different pulp refining time

从图3～4可以看出，绝缘纸和油纸绝缘的交流击穿特性随打浆时间的增加呈现出相似的变化规律，即随着打浆时间的增加，电气强度不断提高，但增速也逐步减缓并趋于稳定。

3 不同打浆压力绝缘纸的试验结果

3.1 基础理化特性

不同打浆压力绝缘纸的基础理化特性如表2所示。从表2可以看出，随着打浆压力的增加，绝缘纸的打浆度逐步增大，在打浆压力较小时增幅较小，打浆压力越大打浆度的增幅越大。同时随着打浆压力的增加，绝缘纸的紧度不断增大且趋于饱和。除了2.7 kg打浆压力外，随着打浆压力的增加厚度均匀度正负偏差总体上降低。与不打浆的绝缘纸相比，不同打浆压力下制备的绝缘纸含水率均有所下降，但没有表现出明显的规律性。

表2 不同打浆压力绝缘纸的基础理化性能Tab.2 Physical and chemical properties of insulating paper with different pulp refining pressure

3.2 力学特性

图5为不同打浆压力绝缘纸的拉伸强度和断裂伸长率测试结果。

图5 不同打浆压力绝缘纸的拉伸强度和断裂伸长率Fig.5 Tensile strength and elongation at break of insulating paper with different pulp refining pressure

从图5可以看出，随着打浆压力的增加，绝缘纸的拉伸强度和断裂伸长率均不断增大。随着打浆压力从0 kg增大到2.2 kg，绝缘纸的拉伸强度从62.3 MPa增大到109.2 MPa，增幅达75.3%，断裂伸长率也从3.06%增大到3.48%。当打浆压力大于2.2 kg后，拉伸强度和断裂伸长率的增速都逐步减缓并趋于稳定。

3.3 电导特性

图6是不同打浆压力绝缘纸的体积电阻率。由图6可以看出，与打浆时间对绝缘纸电导特性的影响不同，随着打浆压力从0 kg增到2.7 kg，绝缘纸的体积电阻率呈现不断下降的趋势，并在打浆压力达到2.7 kg后趋于稳定。

图6 不同打浆压力绝缘纸的体积电阻率Fig.6 Volume resistivity of insulating paper with different pulp refining pressure

3.4 电气强度

图7、图8是不同打浆压力绝缘纸和油纸绝缘的交流击穿特性。

图7 不同打浆压力绝缘纸的交流电气强度Fig.7 AC electric strength of insulating paper with different pulp refining pressure

图8 不同打浆压力油纸绝缘的交流电气强度Fig.8 AC electric strength of oil-paper insulation with different pulp refining pressure

由图7～8可以看出，随着打浆压力的增加，绝缘纸和油纸绝缘的交流电气强度呈现出较好的线性增长趋势，且在打浆压力达到3.2 kg时，仍未出现减缓趋势，此时打浆度为62°SR。

4 分析与讨论

为进一步对试验结果进行分析和讨论，利用扫描电子显微镜(SEM)观测了不同打浆时间和打浆压力绝缘纸的微观形貌，放大倍率为1 000倍，结果如图9～10所示。

图9 不同打浆时间绝缘纸的微观形貌Fig.9 Morphological properties of insulating paper with different pulp refining time

图10 不同打浆压力绝缘纸的微观形貌Fig.10 Morphological properties of insulating paper with different pulp refining pressure

从图9可以看出，当打浆时间为16 min时，绝缘纸纤维仍较宽，纤维分丝帚化程度较低，整体呈现出较为光滑的状态，孔洞也较多。随着打浆时间增加到22 min和26 min，绝缘纸纤维的宽度明显变窄，纤维边缘出现了稠密的细丝，彼此之间的连接更紧密。可以看出，随着打浆时间的不断增加，纤维边缘和端部分丝帚化率不断提高，细小纤维也不断增多，纤维之间空缺的孔洞也不断减少，纤维之间的连接更为紧密。纤维分丝帚化率的不断提高和细小纤维的增多使得纤维之间的交叠程度更高，细小纤维之间由于静电作用彼此的连接作用力更强，纤维连接更为紧密，导致电荷在纤维之间的移动更困难[13]，因此拉伸强度和电气强度更高。但随着打浆时间增加到29 min，部分纤维呈现出受损的现象，纤维受损带来的单体纤维强度减小和纤维之间连接力增加的效果逐步抵消，因此绝缘纸拉伸强度的增强效果随着打浆时间的增加逐步减弱。这一现象与黄建文和廖瑞金等的研究结果一致[12-13,23]。

从图10可以看出，不同打浆压力绝缘纸的微观形貌呈现出的情况与不同打浆时间绝缘纸的情况相似，当打浆压力较低时，绝缘纸纤维较宽，分丝帚化程度较低，整体较为光滑。随着打浆压力的增加，绝缘纸纤维的宽度呈现出变窄的趋势，纤维分丝帚化率不断提高，细小纤维增多，纤维之间的连接更为紧密。当打浆压力过大时有部分纤维呈现出受损的现象，但相比打浆时间的受损程度要相对轻微。不过随着打浆压力的增加，可以看出绝缘纸纤维的分丝帚化程度更加明显，细小纤维也更多。打浆时间和打浆压力对绝缘纸纤维微观形貌作用的相似性解释了二者对绝缘纸力学性能影响的相似性，即绝缘纸的力学性能随着打浆时间和打浆压力的增加而提高，但增速不断减小且到一定程度后趋于稳定。对比打浆时间和打浆压力带来的纤维形态的变化，可以看出打浆压力的增加对于纤维宽度的减少效果相比打浆时间的影响更为明显，同时纤维边缘和端部的分丝帚化效果也更强。

此外，由表1和表2可知，打浆压力为2.7 kg的绝缘纸（打浆度为33°SR）与打浆时间为22 min的绝缘纸（打浆度为31°SR）的打浆度几近相同，但前者的交流电气强度约为10 kV/mm，后者的交流电气强度约为16 kV/mm，可见打浆度相同时，打浆时间和打浆压力不同的绝缘纸电气性能也存在差异。这是由于，打浆压力为2.7 kg的绝缘纸纤维相比打浆时间为22 min的绝缘纸纤维更宽，同时分丝帚化程度也更低。根据文献[13,24]研究表明，在中等打浆度区域，绝缘纸纤维越细，分丝帚化程度越高，纤维之间连接越紧密，则电荷在纤维之间的迁移更加困难，因此电气强度更高。

5 结论

（1）在理化特性方面，打浆度、紧度、均匀度和打浆时间与打浆压力关系密切，随着打浆时间和打浆压力的增加，打浆度、紧度和均匀度都不断提升，且逐步趋于稳定。

（2）在力学特性方面，绝缘纸的拉伸强度和断裂伸长率随着打浆时间和打浆压力的增加而不断增强，但增速不断降低，达到一定程度趋于稳定。

（3）随着打浆时间的增加，绝缘纸的电气强度不断提高且逐渐趋于稳定；而绝缘纸的电气强度与打浆压力呈现出较好的线性关系，且在试验的打浆压力范围内未出现减缓趋势。

（4）通过SEM观测绝缘纸的微观形貌发现，打浆时间和打浆压力在微观形貌层面对绝缘纸纤维的作用类似，在打浆时间和打浆压力较低时，纤维较宽较光滑，分丝帚化率低；随着打浆时间和打浆压力的增加，纤维逐渐变窄变皱，分丝帚化率提升，纤维之间连接更为紧密。但打浆时间和打浆压力达到一定程度后，纤维出现部分受损的情况。

（5）打浆度相同，但打浆时间和打浆压力不同的绝缘纸电气强度不同。这是因为尽管打浆度的相同，但打浆压力和打浆时间的不同也可能造成绝缘纸纤维的粗细长短、分丝帚化程度不同，从而导致电荷在纤维间的迁移难度不同，造成电气强度的差异。