成型绝缘件添加棉浆的工艺研究

刘桂德（辽宁兴启电工材料有限责任公司，　辽宁　辽阳　111000）

成型绝缘件添加棉浆的工艺研究

刘桂德
（辽宁兴启电工材料有限责任公司，辽宁辽阳111000）

由于棉浆的独特性以及能提高输电电缆和变压器绝缘材料的击穿强度、老化寿命、运行可靠性及降低其介质损耗特点，所以其纤维被广泛地应用在绝缘纸板和成型绝缘件中。众所周知，纤维素的来源不同，纤维素的结晶度、分子链的长度、半纤维素和木素含量等也就不同，对产品的绝缘性能也产生了不同的影响。为了达到成型绝缘件的高质量、低成本，并各具特点的要求，选取了应用成熟的瑞典阿斯帕高寒带生长的木浆纤维和山东吉藁生产的高纯度精制棉浆进行了研究并得出结论。

棉纤维纤维素半纤维素结晶度介电强度

0　前 言

根据成型绝缘件在变压器中使用部位不同，其所承受的电气性能和机械性能不一样，所要求的重点不一，不同的成型绝缘件应采取不同的生产工艺。由于成型绝缘件由针叶木浆纤维制作，具有多孔性，有较高的吸油和吸潮率。干燥后成型绝缘件吸油，其电气性能显著提高。为了得到较高的承受电压，减小成型绝缘件的变形量，要求在油中耐压必须大于10 kV/mm。在试验室中尝试加入一定数量的棉浆来提高成型绝缘件的吸油率，以满足其更高的耐压要求，同时减小绝缘件的变形。

1 试验选用的原材料

众所周知，纤维素的来源不同，纤维素的结晶度、分子链长、半纤维素和木质素的含量等也就不同，对产品的绝缘性能也产生不同的影响。为了达到成型绝缘件的高质量、低成本，并各具特点的要求，必须对种类繁多的纤维材料加以选择。通过纸展和瑞士近期魏德曼提供给西安变压器股份有限公司的材料和实物上看，成型绝缘件确实含有白色的填加物，经过纤维形态分析为棉浆。因此选择表1的材料进行研究。

2 试验所使用的仪器

仪器：500 g电子台秤，精确到0.1 g；23 L荷兰式打浆机；肖伯尔打浆度仪；纸张拉力机；撕裂度仪：300 mm×300 mm手动压力机；Φ200 mm自动控温抄片器；100～1 600X高倍细胞纤维镜。

表1试验选用的原料

3 纤维的分析

纤维分析:目前制造成型绝缘件以未漂硫酸盐针叶木浆与精制棉浆为主要的原材料，国外的一些知名厂家例如瑞士魏德曼等就是根据这二种原材料的物理、化学性能，生产出来各种牌号的产品，供输变电制造厂商选用。为此，研究这二种原材料是确保成型绝缘件质量的首要任务。

3.1物理性能

物理性能见表2，棉浆、木浆断面见图1、图2。

图1　棉浆断面现象

图2　木浆断面现象

表2　二种浆的物理性能

3.2化学性能

化学性能见表3。

表3　二种浆化学性能［2］

4 试验方案

根据选择的精制棉浆A和针叶木浆B进行配比、打浆、抄片，然后再做抄片的各项物理指标，得出最佳的配比，此配比用以指导试验机台进行中试。试验方案见表4。

表4　试验方案

5 木、棉浆对成型绝缘件的影响

5.1抗张强度

纤维间的结合是纤维相邻羟基之间的结合，相邻的较小纤维OH根间的次合价结合或分子结合是纤维间结合的主要键能。由于半纤维素是无定形物质，它的存在增大了纤维的亲水性，因而也就增大了每单位积的结合强度。在棉浆中加入多缩戊醣可大大提高其强度[2]。从图1的曲线也可以看出，木、棉浆给定的打浆度下，抗张强度均随着棉浆配比的增加而下降。成型绝缘件既需要有绝缘性，又要有较高的机械强度，因此棉浆的配比应较小，硫酸盐针叶木浆的配比应较大。试验表明，既要求电气性能又要机械性能的成型绝缘件，其棉浆含量比例不应高于30%。抗张强度与配比曲线图见图3。

图3　在不同棉浆配比和打浆度下，抗张强度与配比曲线图

5.2紧度

由图4的曲线可看出，随着棉浆用量的增大，成型绝缘件紧度下降。紧度和介电常数的关系式为:

式中:P——进度；

∞——介电常数。

由式（1）可看出介电常数随着紧度的上升而下降，可塑性随着紧度的提高而变坏。因此，变压器中不要求机械性能而主要要求良好可塑性的绝缘件，所用纸板应考虑加大棉浆的配比。

图4　在不同棉浆配比和打浆度下，紧度与配比曲线图

5.3吸油率

成型绝缘件在油中吸油过程是经纤维间极细的毛细管向内部浸透。流体阻力与纤维直径和长度的关系式为:

式中:K——常数；

L——纤维长度；

D——纤维直径。

根据试验已知：木材纤维的直径是20～50 μ m,棉纤维为10～20 μ m,因此含棉纤维的成型绝缘件的吸油阻力远远小于不含棉浆纤维的成型绝缘件[2]。

纤维截面的空隙如式:

式中:Fa——单位截面的空隙面积；

Fb——单位截面积；

n ——单位截面积的纤维根数。

由式（3）可知单位截面积的空隙面积的大小与纤维根数的一次方成正比例，与纤维直径的二次方成比例。由此可见，吸油率随着棉浆纤维配比的增大而增大。图5曲线也证明了这一点。要提高成型绝缘件的吸油率，改善变压器等输变电设备中不利于浸油部分的吸油率，在选用和制造成型绝缘件时，就应考虑部分或全部采用棉纤维。

5.4成型绝缘件的击穿强度

击穿电压是介质发生击穿，即破坏介质的分子，使其变为导体时的电压。根据介电常数与场强公式:ε油/ε纤=E纸/E油，导出关系式:E油=E纸×ε纸/ε油其中：ε纸=4.4,ε油=2.2,得出：E油=2E纸,从中看出,如果使用变压器油来浸渍作为浸渍剂进行填充,则能提高成型绝缘件的介电强度，高的介电浸渍剂浸渍越好,介电强度上升就越多。成型绝缘件随棉浆用量的增加，吸油率上升，因此成型绝缘件在变压器油中的介电强度随棉浆的用量增加而上升。由图6中1、2中曲线就可看出。为改善浸渍处理工艺，在保证符合强度的条件下应尽可能多的用些棉浆。

图5　在不同棉浆配比和打浆度下，吸油率与配比曲线图

图6　加棉浆与100%木浆绝缘件耐电压曲线图

5.5成型绝缘件的纵、横、厚向的收缩率

纤维素的吸水润胀，是纤维素的溶胀即其体积变大、纤维素间内聚力减小、纤维变软的现象。水只能进入非晶区而不能进入结晶区，因此，含半纤维素的浆料更容易吸水润胀，其收缩率较大。又因棉的结晶度是70%～80%,木浆为60%～70%,再生纤维是45%,从图7、图8中曲线中可知成型绝缘件的收缩率随着棉浆的加入量上升而下降,在要求收缩率的绝缘件中,可多采用棉浆。

图7　浆料配比与纵横向收缩率的关系图

图8　浆料配比与厚向收缩率的关系图

天然纤维素横向溶胀非常显著，而纵向溶胀较小。成型绝缘件纵向收缩率小于横向，图5、图6也说明了这一点。

6　结束语

（1）棉纤维从微观结构上看它是一种多孔物质，尤其在非结晶区，密度较低，绵纤维越细，棉纤维中缝隙孔洞越多，毛细管现象就越强。绝缘件随着棉纤维用量的增加，吸油率上升，在油中的耐电压升高。

（2）半纤维素增加了纤维的结合力，绝缘件随着木浆用量的增加，其抗张强度提高。

（3）随着棉浆配比量的加大，无论是纵横向还是厚向都是下降，这对要求收缩率严格的场合下，在不损失强度下可以把棉浆比例放大到30%。

（4）由于棉纤维平均分子链长，纯度高，因此棉纤维在100 ℃处理480 h，纤维强度为在20 ℃条件下的92%。棉纤维较其他天然纤维素有较好的耐热性能。在绝缘件中随着棉纤维用量的增加热稳定性大大提高。

（5）纤维素的灰分含量和水抽提物电导率的乘积几乎是一个常数，因此，为降低绝缘件的电导率可加一些棉浆[1]。

［1］李之工.纤维素物理化学［M］.北京，中国财政经济出版社，1965（3）：15-18.

［2］陈宽.热压变压器纸板的研究—使用木、棉纤维的变压器纸板的特性［J］.中国学术期刊，2012：22-25.

Insulation-shaping Components Add Cotton Pulp Technology Was Studied

LIU Guide
（LiaoNing XingQi Electric Materials Co.，Ltd.， Liaoyang Liaoning，111000China）

Abstrcat:the dielectric loss， so the cotton fiber is widely used in insulation board and insulation forming parts. As is known to all， the source of the cellulose， the crystallinity of cellulose， the length of the chain， hemicellulose，and lignin content are different， such as the insulation performance of products also have different impact，in order to achieve insulation forming parts of high quality and low cost， and each has its characteristics， has chosen the company application mature Swedish spa paramos growth of wood pulp fiber and shandong ji chaff production of high-purity refined cotton pulp: the study and draw conclusions as follows.

cotton fiber；cellulose； hemicellulose；crystallinity；dielectric strength