纳米Al2O3改性变压器绝缘纸性能的研究

廖瑞金，吕 程，吴伟强，梁宁川，杨丽君

（重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044）

电力变压器是电力系统中的核心部件，担负着电力系统电能变换的重要任务。绝缘纸和变压器油组成了油浸式变压器的内绝缘，近年来随着电压等级的不断提高，对变压器内绝缘的要求越来越高，希望提高变压器绝缘纸的性能并从而提高油纸复合绝缘的性能［1-2］。因此，提高绝缘纸和变压器油所组成的复合绝缘的性能具有重要的实际意义。

目前，国内外开展了大量研究来提高变压器油的绝缘性能，如：向油中添加纳米粒子、采用各种植物油、各种植物油和矿物油的混合油等，取得了不少的研究成果［3-5］，而对提高天然纤维素绝缘纸电气性能的改性研究还很少见。

从19世纪90年代起天然纤维素绝缘纸就被广泛用在油浸式电力设备中，虽然其他电绝缘材料有了较大的变化和进步，但纤维素绝缘纸由于具有价格低、机械强度高、尺寸容易控制、浸油后电气性能优良等特点，目前仍是油浸变压器的首选绝缘材料［6-7］。在传统的造纸行业，为了提高纸张的各种性能，在造纸的过程中加入不同的无机填料以增强纸张的性能［8］。但关于无机填料对纤维素绝缘纸绝缘性能影响的研究却很少，原因在于绝缘纸作为一种特种纸，除了对其绝缘性能有比较高的要求外，对其力学性能也有比较高的要求，而采用传统的微米级别的无机粒子对纸进行填充改性会大大降低纸张的力学性能。随着纳米技术的发展，近年来纳米级别的无机粒子的制备取得了很大的发展，而利用无机纳米粒子来增强改性聚合物的各项性能也成为了近年来的研究热点［9-16］。纳米粒子粒径小、比表面积大，利用纳米粒子改性聚合物在一定的含量内不但不会降低材料的力学性能，反而会使材料的力学性能有所提高，因此，有必要研究纳米粒子改性的纤维素绝缘纸的绝缘性能。金属氧化物纳米粒子Al2O3制备工艺成熟，被广泛用于聚合物的改性研究，并取得了良好效果。为了研究纳米Al2O3对绝缘纸性能的影响，笔者通过添加纳米Al2O3抄造出绝缘纸，对含不同质量分数纳米Al2O3的绝缘纸浸油后的击穿场强、介电性能进行测试分析。

1 实验部分

1.1 纸张的制备

材料选取：实验用桨板为俄罗斯进口针叶木浆，选用纳米Al2O3平均粒径为30nm（上海迈坤化工有限公司生产），纸张制备过程中的用水均采用电导率为10μs／cm的去离子水。

纸张抄造：将用偶联剂KH-570处理过的纳米Al2O3粒子与去离子水按照0.1%～0.5%的质量比制成悬浊液，将悬浊液进行机械搅拌分散（5 000r／min），再超声分散；将打好浆的木浆用去离子水稀释到质量分数0.5%以下，再将不同质量分数的Al2O3悬浊液在解离器中搅拌数分钟，让纤维与二氧化钛混合均匀；最后，在纸页成型器上抄造成纤维含量为120g／m2，厚度为0.1mm的绝缘纸。制备的绝缘纸中含纳米Al2O3的质量分数分别为1%，2%，3%，4%。

1.2 纸张的性能测试

1）纸中纳米Al2O3含量的测定。

利用TGA测试改性绝缘纸中纳米Al2O3含量，升温速率为10℃／min，测试温度范围为0～600℃。

2）纸张的预处理及浸油。

将绝缘纸剪成直径4和8cm的圆片，放入温度为90℃、真空度为50Pa的真空干燥箱中干燥48h；将25＃矿物绝缘油进行滤油处理，除去内部气体、水分以及杂质微粒；将处理过的25＃绝缘油按油纸质量约为20∶1的比例注入干燥后的装有绝缘纸试品的玻璃瓶中；并将玻璃瓶放置于真空浸油箱（温度为60℃、真空度为50Pa）中真空浸油24h，以确保绝缘纸浸油充分；充分浸油后的试品充入氮气并密封，密封时用磨口塞塞上并缠生胶带，以确保密封度。

3）纸张的抗张强度测试。

抗张强度的测量采用济南安尼麦特仪器有限公司的AT-L-1型拉力试验机，最大拉力为500N。根据ISO 1924-2∶1994，GB／T 12914-2008中恒速拉伸法测量，测量原理：抗张强度试验仪在恒速拉伸的条件下，将规定尺寸的试样拉伸至断裂，测定其抗张力。样品宽为15mm，拉力试验机夹距为10cm，断裂时间为20±5s。

4）纸张的击穿电压测试。

绝缘纸工频击穿场强按照GB T1408-2006进行，采用25＃矿物油作为浸油媒质，测试含不同质量分数Al2O3的绝缘纸连续升压时样品的短时快速（10～20s）击穿强度。试验变压器参数为50kV·A／50kV，输入电压为380V，升压速度为500V／s。每次测量6个试样，最后求取平均值。试验环境温度为25℃，相对湿度为50%。

因手抄片的均匀性比商品纸要差，故为了更好地表征绝缘纸的击穿性能，数据处理时采用击穿场强来表示。试验中每次击穿后，测量击穿孔洞处的厚度d，采用E＝U／d计算绝缘纸击穿场强。试验中工频击穿测试装置如图1所示，高压电极与低压电极均为直径25mm的铜电极，高压电极与电源之间通过直径1cm的铜棒相连，低压电极与直径15cm的钢壳容器相连并接地，25＃绝缘油在容器中作为介质。

5）介电性能测试.

绝缘纸介电性能采用Concept80宽带介电谱测试系统（Novocontrol GmbH）测试绝缘纸的频域介电谱、频域介损谱和频域内的体积电导率；同时，根据IEC 60093标准测试绝缘纸直流体积电导率。

将浸好油的绝缘纸从油中取出，擦净表面多余绝缘油，放在2片直径为4cm的镀金铜电极中间进行测量，测量频率范围为10-2～107Hz。为保证试验重复性，每次试验测试2～3次，并且为了排除偶然性，进行样品测试时，重复测量采用的不是同一个样品，而是对同一种状态的样品取样2～3次进行测试，选取重复性良好的数据进行分析。

图1 工频击穿实验测试装置示意Figure 1 Test diagram of breakdown strength

2 实验结果分析

2.1 利用热失重测试结果测定绝缘纸中纳米Al2O3的含量

绝缘纸的热失重测试结果如图2所示，从图2（a）可以看出，温度达到600℃后，绝缘纸中灰分含量为12.39%；图2（b）显示，经过纳米 Al2O3改性的绝缘纸温度达到600℃后灰分含量为13.1%，改性后的绝缘纸最终的灰分质量要大于未改性的绝缘纸，这是由于Al2O3的分解温度高达2 000℃以上，600℃时纳米Al2O3的质量不会发生改变，所以可以根据剩余灰分的不同算出其中纳米Al2O3粒子的含量。另外，比较绝缘纸的分解速率曲线发现，未改性绝缘纸在353.49℃时出现最大热分解速率，分解速率为2.03%／℃，经过纳米Al2O3的绝缘纸最大热降解速率出现在350.99℃，分解速率为2.377%／℃，比未改性绝缘纸温度低了近3℃，分解速率也有所增加，这可能是由于纳米Al2O3本身是一种导热性较好的材料，它的加入使得绝缘纸中热传导加快，整体受热更加均匀，纤维素的热分解加快，从一个侧面反映了纳米Al2O3对绝缘纸导热性的改善情况，更直接的证据需要做进一步的研究。

图2 绝缘纸的热失重测试结果Figure 2 TGA test results of insulation paper

2.2 纳米Al2O3改性绝缘纸的机械性能

纳米Al2O3含量对绝缘纸抗张强度的影响如图3所示，纳米Al2O3含量在1%内绝缘纸的抗张强度并没有降低，而是有所增加，纳米Al2O3的含量为1%时抗张强度从7.22kN／m 增加到8.24kN／m，增长了14.13%；当纳米Al2O3的含量超过1%后，绝缘纸的抗张强度开始下降。抗张强度对于绝缘纸是一个非常重要的指标，变压器在长期的运行过程中不但受到电场、热等因素的影响，还会受到各种应力的影响，所以适当控制纳米Al2O3的含量，提高绝缘纸的抗张强度具有重要的实际意义。断裂伸长率反映了绝缘纸的韧性，纳米Al2O3含量对断裂伸长率的影响如图4所示，总体来讲纳米Al2O3含量对绝缘纸的断裂伸长率影响不大。一样，其相对介电常数随着频率的降低出现增大的趋势，且曲线形状基本保持不变。在测试频率范围内，随着纳米Al2O3的含量增加相对介电常数减小，在50Hz工频下空白样的相对介电常数最大为2.71（其值比商品纸低，这是由于手抄片的紧度没有商品纸高），纳米 Al2O3含量为0.2%，0.5%，1%时绝缘纸的相对介电常数分别为2.60，2.44，2.21。随后在工频时的相对介电常数又随着纳米Al2O3含量的增加而增加，变压器中绝缘纸的相对介电常数大，绝缘油的相对介电常数较小，只有2.2左右，所以相对介电常数的降低对交流电场下变压器内部油纸绝缘电场的均匀分布具有好的影响。

图4 纳米Al2O3含量对断裂伸长率的影响Figure 4 Effect of Nano-Al2O3content on elongation at break

2.3 纳米Al2O3对绝缘纸工频击穿性能的影响

纳米Al2O3含量对工频击穿场强的影响如图5所示，图中显示浸油后绝缘纸的击穿场强随着纳米Al2O3的含量增加先出现明显增加后再减小。当Al2O3含量为1%时，击穿场强达到最大值66.78kV／mm，相对于空白样的59.23kV／mm 增加了12.75%，而当纸中Al2O3含量超过1%时击穿场强降开始降低，含量超过3%后击穿场强甚至低于未改性的绝缘纸。

图5 纳米Al2O3含量对工频击穿场强的影响Figure 5 Effect of nano-Al2O3content on breakdown voltage

图6 纳米Al2O3含量对相对介电常数的影响Figure 6 Effect of nano-Al2O3content on relative permittivity

纳米Al2O3含量对介质损失角正切的影响曲线如图7所示，曲线存在着拐点，首先，随着频率的增加而减小，在低频附近减小速率较快；通过拐点以后，随着频率的增加而增加；不同Al2O3含量样品的频率随变化的曲线形状相似。当纳米Al2O3含量分别为0.2%，0.5%，1%时，均呈逐渐下降的趋势，在测定频率内都低于空白样。当纳米Al2O3含量为4%时，介电损耗升高到高于空白样。在工频附近时，介质损耗角正切值在Al2O3含量为7%时最大，在Al2O3含量为1%时最小。

图7 纳米Al2O3含量对介质损失角正切的影响Figure 7 Effect of nano-Al2O3content on dielectric loss

2.4 纳米Al2O3对绝缘纸介电性能的影响

纳米Al2O3含量对相对介电常数的影响如图6所示，图中显示添加了纳米Al2O3的纸张与空白样

3 结语

利用纳米Al2O3对绝缘纸进行改性，当纳米Al2O3的含量为1%时绝缘纸的绝缘性能和机械性能都有明显的改善，对提高变压器油纸绝缘的绝缘能力具有重要实际价值，得到的具体结论有：

1）当添加纳米Al2O3的含量为1%时，绝缘纸的工频击穿场强为66.78kV／mm，相对空白样提高了12.75%；

2）绝缘纸的介电常数、介电损耗都随着纳米Al2O3含量的增加而减小，并在纳米Al2O3含量为1%时达到最小值，工频条件下介电常数从2.71降低到2.21，降低了18.45%；

3）绝缘纸的抗张强度在纳米Al2O3含量为1%时达到最大，相对于未改性的绝缘纸提高了14.13%。

［1］刘仁庆.纤维化学基础［M］.北京：科学出版社，1985.

［2］张福州，廖瑞金，袁媛，等.低介电常数绝缘纸的制备及其击穿性能［J］.高电压技术，2012，38（3）：691-696.

ZHANG Fu-zhou，LIAO Ru-jin，YUAN Yuan，et al.Preparation for low-permittivity insulation paper and its breakdown performance［J］.High Voltage Engineering，2012，38（3）：691-696.

［3］周远翔，王云杉，田冀焕，等.纳米改性变压器油的破坏特性［J］.高电压技术，2010，36（5）：1 155-1 159.

ZHOU Yuan-xiang，WANG Yun-shan，TIAN Ji-hua，et al.Breakdown characteristics in transformer oill modified by nanoparticles［J］.High Voltage Engineering，2010，36（5）：1 155-1 159.

［4］杨丽君，廖瑞金，孙才新，等.植物油对油浸绝缘纸老化速率的影响及机理［J］.电工技术学报，2012，27（5）：26-33.

YANG Li-jun，LIAO Rui-jin，SUN Cai-xin，et al.Influence of vegetable oil on the thermal aging rate ofkraft paper and its mechanism［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（5）：26-33.

［5］李晓虎，李剑，杜林.一种转基因菜籽绝缘油的电气性能［J］.中国电机工程学报，2006，26（15）：95-99.

LI Xiao-hu，LI Jian，DU Lin.The electricproperties of a transgenic vegetable oil［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26（15）：95-99.

［6］Prevost T A，Oommen T V.Cellulose insulation in oill-filled power transformers，Part I：history and development［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2006，22（1）：28-35.

［7］Bartinikas R，Schmidt W F，Forster E O，et al.Electrical insulating liquids［M］.Philadelphia：ASTM Publication，1994.

［8］万丽 李媛媛 戴红旗.几种填料的物理特性及其在造纸中的应用比较［J］.中国造纸学报，2011，26（2）：29-32.

WAN Li，LI Yuan-yuan，DAI Hong-qi.Papermaking fillers：Its physical characteristics and application［J］.Transactions of China Pulp and Paper，2011，26（2）：29-32.

［9］郑水林.粉体表面改性［M］.北京：中国建材工业出版社，2003.

［10］林润惠.制浆造纸分析与检验［M］.北京：中国轻工业出版杜，2007.

［11］杜岳凡，吕玉珍，李成榕，等.半导体纳米粒子改性变压器油的绝缘性能及机制研究［J］.中国电机工程学报，2012，32（10）：177-182.

DU Yue-fan，LV Yu-zhen，LI Cheng-rong，et al.Insulating property and mechanism of semiconducting nanoparticlesmodifiedtransformer oils［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（10）：177-182.

［12］Tanaka T，Montanari G C，Mulhaupt R.Polymernanocomposites as dielectrics and electrical insulation-perspectives for processing technologies，material characterization and future application［J］.IEEE Transations on Dielectrics and Electrical Insulation，2004，11（5）：763-784.

［13］Tanaka T，Kozako M，Fuse N，et al.Proposal of a multicore model for polymer nanocomposite dielectrics［J］.IEEE Transations on Dielectrics and Electrical Insulation，2005，12（4）：669-681.

［14］Smith R C，Liang C，Landry M，et al.The mechanisms leading to the useful electrical properties of polymer nanodielectrics［J］.IEEE Transations on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15（1）：187-196.

［15］Houhanessian V D，Zaengl W S.Application of relaxation current measurements to on-site diagnosis of power transformers［C］.1997IEEE Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena，Minneapolis，1997.

［16］Roy M，Nelson J K，MacCrone R K，et al.Polymer nanocomposite dielectrics-the role of the interface［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2005，12（4）：629-643.