天丝纤维在变压器绝缘纸板中的应用

陈启杰 郑学铭 康美存 黄游宇 郑小玲

摘要：天丝纤维是一种溶剂型再生纤维素纤维，研究了天丝纤维原纤化程度及其对浆料性能的影响，探讨了天丝纤维与针叶木浆配抄对变压器绝缘纸板机械性能和电气性能的影响。研究结果表明，天丝纤维容易原纤化，原纤化程度越高，纤维变得更加柔软和扭曲，表面更加粗糙，分丝帚化越多；相对100%针叶木浆抄造的绝缘纸板，针叶木浆与天丝纤维配比为85∶15配抄的绝缘纸板的紧度降低48%，抗张指数下降29%，吸油率提高119%，在空气中的击穿电压提高58%，在油中的击穿电压提高258%，天丝纤维显著提高了绝缘纸板的吸油率和电气强度。

关键词：天丝纤维；针叶木浆；绝缘纸板；电力变压器

中图分类号：TS727文献标识码：ADOI：1011981/jissn1000684220180328

Email： chenqijie@126com天丝纤维（Tencel fibers）是一种溶剂型再生纤维素纤维，其生产工艺为：以木浆为原料，以N甲基氧化吗啉（NMMO）为溶剂，加入适当添加剂和抗氧化剂，得到较高浓度的溶液，再在低温水溶液或水/NMMO体系凝固成形，最后经拉伸、水洗、去油、干燥和溶剂回收等工序制成[1]。该工艺中使用的NMMO溶剂可循环使用，回收率达99%以上，无毒、无污染，是一种绿色环保的纺丝技术。天丝产品使用后可生化降解，不会对环境造成污染，被称为21世纪的“绿色纤维”。天丝纤维具有独特的性能，如热稳定性好、耐化学腐蚀、阻隔绝缘性能好、尺寸稳定性好等，在抄造特种纸领域得到较广泛的应用。陆燕华等[2]研究了天丝纤维在碱锰电池隔膜中的应用，天丝纤维的加入可以生产出性能良好的电池隔膜纸；也研究了天丝纤维在医疗用纸的应用，制备的天丝医疗用纸性能良好，适应性强[3]。单洪琛等[4]探讨了原纤化程度不同的天丝纤维在电池隔膜、超级电容器隔膜材料领域的应用，天丝纤维能改善隔膜的孔径结构和吸液性能。陈继伟等[5]研究了天丝纤维在高精度过滤及分离材料领域的应用，原纤化的天丝纤维能有效提高纸张的强度性能。陶嘉诚[6]研究了天丝基锂离子电池隔膜，制备的4种天丝基锂离子电池隔膜性能与商业电池隔膜性能接近。

油浸式电力变压器是输配电力系统的核心设备，其安全可靠性对保证电力系统持续稳定工作起着重要的作用[78]。油纸绝缘是油浸式电力变压器的主要绝缘形式，即利用绝缘油浸渍变压器绝缘纸板，消除变压器绝缘纸板纤维孔隙产生的气隙，提高其绝缘的电气强度[9]。变压器绝缘纸板是油浸式电力变压器用的主要绝缘材料，具有良好的绝缘性能和机械强度，通常由硫酸盐针叶木浆通过打浆、上网、成形、热压等工序制备。变压器绝缘纸板的特殊用途要求其必须具备一些不同于其他纸种的特性，主要为机械性能和电气性能，机械性能主要指纸板的抗张强度，电气性能主要指纸板在电场作用下发生的极化、电导、介质损耗和击穿特性[10]等。本研究将天丝纤维与针叶木浆配抄，抄造变压器绝缘纸板，探討天丝纤维对变压器绝缘纸板机械性能和电气性能的影响。

1实验

11主要实验原料

天丝纤维，奥地利兰精（Lenzing）纤维公司生产；加拿大进口硫酸盐针叶木浆（电工级），取自湖南广信科技股份有限公司；变压器油，克拉玛依25#。

12主要实验仪器和设备

光学显微镜（CX41，日本OLYMPUS），PFI（ZQS7，陕西科技大学机械厂），纤维疏解机（TD15A，通达轻工设备有限公司），纸页成型器（TD10200，通达轻工设备有限公司），动态滤水仪（BRITT Jar，美国PRM），热压试验机（XLB05MN，青岛鑫城鸣橡胶机械有限公司），真空干燥箱（DZF6020，上海精密仪器仪表公司），电子万能试验机（CMT5504QY，珠海市三思泰捷电气设备有限公司），击穿电压测试仪（HT150，桂林电气科学研究院有限公司）。

13实验方法

131天丝纤维打浆及光学显微镜观察

利用PFI磨浆机对天丝纤维进行打浆，打浆后分别进行纤维长度和浆料滤水性能的检测，并用光学显微镜观察打浆前后纤维形态的变化。

132变压器绝缘纸板的制备

采用纤维疏解机对浸泡好的硫酸盐针叶木浆进行疏解，然后用PFI磨浆机对其进行打浆，和适当比例的天丝纤维浆料配浆后，稀释浆料，用纸页成型器脱水成形，得到湿纸幅。纸幅抄造过程用水均采用去离子水，全程不添加任何化学助剂；多层湿纸幅复合后，进行热压处理，设置合适的热压温度和时间，得到干燥的变压器绝缘纸板试样，备用。

133抗张强度的测定

按照国家标准GB/T 22898—2008测定绝缘纸板的抗张强度。试样尺寸为200 mm×15 mm，测试时，电子万能试验机的夹头初始距离为100 mm，拉伸速度为100 mm/min。

134击穿电压的测定

按照国家标准GB/T 1408—2016，采用对称不锈钢圆柱电极，直径25 mm，试样直径50 mm，试验变压器容量为 50 kVA/50 kV，试验电压为220 V，升压速度为100 V/s，分别测定绝缘纸板在空气中和油中的击穿电压值。实验环境温度（20±3）℃，相对湿度（50±3）%。

天丝纤维在变压器绝缘纸板中的应用第33卷第3期第33卷第3期天丝纤维在变压器绝缘纸板中的应用135吸油率的测定

按照国际IEC标准60641—2008，绝缘纸板在真空箱干燥24 h，称量，然后加入变压器油，浸渍6 h，取出，称量，按式（1）计算绝缘纸板的吸油率（X）。

X=M1-M0M0×100%（1）

式中，M0为吸油前的纸板质量（g），M1为吸油后的纸板质量（g）。

2结果与讨论

21天丝纤维原纤化程度对浆料性能的影响

天丝纤维在水溶液中容易溶胀，使其在湿态的机械作用力下容易原纤化[11]。表1为天丝纤维原纤化程度对浆料性能的影响。从表1可以看出，未打浆的天丝纤维平均长度接近6 mm，打浆度仅为13°SR；在打浆初期，天丝纤维打浆度上升得较慢，当打浆转数为6000转，天丝纤维的打浆度仅为30°SR，但纤维被迅速切断，纤维长度显著下降，天丝纤维的平均长度为068 mm；在打浆转数超过6000转，天丝纤维的打浆度快速提高，当打浆转数达到10000转，天丝纤维浆料的打浆度为62°SR，天丝纤维的平均长度仅为021 mm。随着打浆的进行，PFI磨浆机对纤维进行切断并使其细纤维化，纤维平均长度显著下降，纤维的湿重也显著下降，打浆度为62°SR的天丝纤维湿重仅为未打浆天丝纤维湿重的354%。表1天丝纤维原纤化程度对浆料性能的影响

PFI打浆

转数/r打浆度

/°SR纤维湿重

/g滤水速率

/g·（10 s）-1纤维平均长度

/mm01321538205893000211876735097600030135458306870003611175100418000439534750369000528643120271000062761270021

随着打浆的进行，天丝纤维浆料的滤水性能变化较大，未打浆的天丝纤维浆料，滤水阻力非常小，滤水速率非常快，纤维之间没有形成网络结构的阻滞力。当打浆转数为3000转时，浆料滤水性能略有降低，但滤水速率还是较快，达到735 g/10 s。随着打浆程度的进一步提高，浆料滤水速率逐渐下降，当打浆转数为10000转，浆料滤水速率仅为原浆的329%。

22不同原纤化程度的天丝纤维的光学显微镜观察

图1为不同原纤化程度的天丝纤维的光学显微镜照片。从图1可以看出，不同原纤化程度的天絲纤维形态相差较大。未打浆前，天丝纤维细长，表面十分光滑，无任何分支；当采用PFI磨浆，转数到6000转时，天丝纤维吸水润胀变软，纤维表面变粗糙，有少许的分丝帚化；随着PFI打浆转数到8000转，天丝纤维原纤化程度提高，纤维变得更加柔软、扭曲，且纤维的主干变细，纤维表面更加粗糙且其分丝帚化越来越多，有利于提高天丝纤维间的结合。图1不同原纤化程度的天丝纤维的光学显微镜照片23不同原纤化程度的天丝纤维对绝缘纸板性能的影响

分别采用100%的不同原纤化程度的天丝纤维抄造绝缘纸板，测定绝缘纸板的紧度、抗张强度、吸油率和击穿电压，结果如表2所示。由表2可知，未打浆的天丝纤维抄造的绝缘纸板纤维间结合力很小，成纸强度低，绝缘纸板很容易被击穿，击穿电压很小（未被测出）。随着天丝纤维原纤化程度的提高，绝缘纸板的紧度略有增大，抗张强度逐渐提高，相对于未打浆天丝纤维抄造的绝缘纸板，当浆料打浆度为43°SR，绝缘纸板抗张指数提高了386倍，随着打浆度的继续提高，绝缘纸板抗张指数略有增加。表2不同原纤化程度的天丝纤维抄造绝缘纸板的性能

打浆度

/°SR紧度

/g·cm-3抗张指数

/N·m·g-1吸油率

/%击穿电压/kV·mm-1空气中油中13054854———3007330567370325936073341691144264430754157251572925207743670116627562079453673159269

吸油率是变压器油纸绝缘结构中的一个重要参数，变压器油是介电系数较小的液体电介质，在变压器设备中，绝缘纸的吸油率越大越好。从表2可以看出，天丝纤维抄造的绝缘纸板吸油率较高，随着浆料打浆度的提高，绝缘纸板吸油率先增大而后有所下降，当浆料打浆度为43°SR，绝缘纸板的吸油率达725%。随着打浆度的提高，初始阶段，天丝纤维吸水润胀作用增强，绝缘纸板吸油率增大，但随着打浆度进一步提高，纤维细纤维化程度提高，细小纤维增加，抄造的绝缘纸板的紧度有所提高，而影响其吸油率。

击穿电压是指当作用于绝缘纸板的电场强度达到或超过某一值后，绝缘纸板完全失去绝缘性能而导电时的电压。如表2所示，天丝纤维打浆度为30°SR，绝缘纸板在空气中的击穿电压仅为703 kV/mm。随着打浆度的提高，击穿电压增大；当天丝纤维打浆度为43°SR时，绝缘纸板在空气中的击穿电压达157 kV/mm，在油中的击穿电压达292 kV/mm；浆料打浆度继续提高，对绝缘纸板在空气中的击穿电压影响不大，在油中的击穿电压还略有下降。

综合分析，天丝纤维原纤化程度为浆料打浆度43°SR时，抄造的绝缘纸板的各项性能较好，后续将讨论打浆度为43°SR的天丝纤维浆料配抄硫酸盐针叶木浆对绝缘纸板性能的影响。

24天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板性能的影响

241天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板紧度的影响

紧度是绝缘纸板的一项重要指标，在绝缘纸板的国际标准IEC 60641—2008中，对其紧度有明确的规定范围，紧度越大，绝缘纸板的强度性能越好，但其吸油率下降，影响绝缘纸板的电气强度。图2为天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板紧度的影响。由图2可以看出，相同条件下抄造的绝缘纸板，天丝纤维的加入对绝缘纸板的紧度有一定的影响，随着天丝纤维配比的增加，绝缘纸板的紧度逐渐降低。与100%针叶木浆抄造的绝缘纸板相比，当天丝纤维配比达20%，绝缘纸板紧度降低49%；当使用100%天丝纤维抄造绝缘纸板，紧度降低85%。天丝纤维属再生纤维素纤维，原纤化过程中细小纤维少，成纸紧度

图2天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板紧度的影响低，为保证绝缘纸板的紧度要求，抄造绝缘纸板时天丝纤维比例不能太多。

242天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板抗张指数的影响

抗张强度是绝缘纸板最重要的机械强度性能指标，影响绝缘纸板的绝缘老化寿命。一般绝缘纸板的抗张强度越大，绝缘纸板的绝缘老化寿命越长，可以延长变压器的使用寿命。图3为天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板抗张指数的影响。从图3可以看出，天丝纤维配抄针叶木浆抄造绝缘纸板，随着天丝纤维配比的增加，绝缘纸板的抗张强度降低，100%天丝纤维抄造的绝缘纸板的抗张指数仅为100%针叶木浆抄造绝缘纸板的592%，但是添加适量比例的天丝纤维，对绝缘纸板的抗张指数影响不大。对比100%针叶木浆抄造的绝缘纸板抗张指数，当针叶木浆与天丝纤维配比为85∶15时，绝缘纸板抗张指数仅下降29%；当针叶木浆与天丝纤维配比为80∶20时，绝缘纸板抗张指数下降69%。天丝纤维是溶剂型纤维，细小纤维少，成纸间氢键结合力比针叶木浆差，为保证绝缘纸板的机械强度，天丝纤维的配比量一般不超过15%。

图3天丝纤维与针叶木浆配抄对

绝缘纸板抗张指数的影响 243天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板吸油率的影响

电力变压器绝缘主要采用油纸绝缘，通过绝缘油浸渍绝缘纸板，消除绝缘纸板纤维孔隙产生的气隙，提高其电气强度。吸油率影响绝缘纸板的相对介电系数，变压器油是介电系数较小的液体电介质，一般为22，其介电系数比木质纤维小，一般纯木质纤维素纤维的相对介电系数为51。在变压器绝缘中，绝缘纸板的吸油率越大越好，可使复合绝缘体系的介电系数降低[12]。天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板吸油率的影响如图4所示。由图4可以看出，天丝纤维的吸油率比针叶木浆高，100%天丝纤维抄造的绝缘纸板的吸油率比100%针叶木浆抄造绝缘纸板提高了397%，这与天丝纤维抄造纸张的紧度较低有关。随着天丝纤维配比的增加，绝缘纸板的吸油率逐渐提高，当针叶木浆与天丝纤维配比为85∶15时，绝缘纸板吸油率达581%，较100%针叶木浆纤维抄造的绝缘纸板提高了119%，有利于降低绝缘纸板油纸绝缘体系的介电系数。

图4天丝纤维与针叶木浆配抄对

绝缘纸板吸油率的影响244天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板击穿电压的影响

击穿电压反映绝缘纸板被击穿时的电压，是绝缘纸板最重要的电气性能。图5为天丝纤维与针叶木浆配抄对绝缘纸板电气强度的影响。如图5所示，绝缘纸板在油中的击穿电压高于在空气中的击穿电压，绝缘纸板经浸油处理后，纸板纤维之间的空隙被绝缘油填充，构成了油纸复合绝缘体系[13]。随着施加电压的升高，局部放电首先发生在电场强度最大处的油隙或气隙，使浸渍的绝缘油分解，气隙扩大，放电产生的带电粒子的碰撞作用赶走了绝缘纸板中浸渍的绝缘油，使绝缘纸板中重新出现孔隙，随着电压升高放电增强，绝缘纸板的部分纤维断裂，形成放电通道，随着通道的延伸，油纸绝缘结构最终被击穿，而未浸渍油的绝缘纸板在空气中的击穿电压仅仅是对绝缘纸板纤维孔隙的击穿，因此其击穿电压较小。从图5可以看出，天丝纤维配比的增加对绝缘纸板在空气中的击穿电压影响不大，当针叶木浆与天丝纤维配比为80∶20 时，绝缘纸板在空气中的击穿电压比100%针叶木浆绝缘纸板在空气中的击穿电压提高78%；天丝纤维的加入，能够显著提高绝缘纸板在油中的击穿电压，100%天丝纤维的绝缘纸板在油中的击穿电压是100%针叶木浆绝缘纸板的164倍，当针叶木浆与天丝纤维配比为85∶15时，绝缘纸板在油中的击穿电压比100%针叶木浆绝缘纸板在油中的击穿电压提高258%，这与天丝纤维抄造的纸板具有好的吸油率有关，吸油率高，油纸绝缘体系越均一，耐击穿能力越好。

图5天丝纤维与针叶木浆配抄对

绝缘纸板电气强度的影响综合天丝纤维配比对绝缘纸板机械强度和电气强度的影响分析，针叶木浆与天丝纤维配比为85∶15，可以在不显著影响绝缘纸板机械强度的基础上，提高绝缘纸板的吸油率和击穿电压。

3结论

31天丝纤维容易原纤化，打浆初期，天丝纤维打浆度上升较慢，但当PFI打浆转数高于6000转，天丝纤维的打浆度快速提高；天丝纤维原纤化程度越高，纤维变得更加柔软、扭曲，且纤维的主干变细，纤维表面更加粗糙，分丝帚化越多。

32用100%的不同原纤化程度的天丝纤维抄造绝缘纸板，随着浆料打浆度的提高，绝缘纸板的紧度、抗張指数逐渐增大，吸油率和击穿电压呈现先增后降趋势。当天丝纤维浆料打浆度为43°SR，绝缘纸板在空气中的击穿电压达157 kV/mm，在油中的击穿电压达292 kV/mm，但其抗张指数低，为415 N·m/g。

33天丝纤维与针叶木浆配抄绝缘纸板，对绝缘纸板的紧度、抗张指数、吸油率和击穿电压都有一定的影响。与100%针叶木浆抄造的绝缘纸板相比，当针叶木浆与天丝纤维配比为85∶15时，绝缘纸板的紧度降低48%，抗张指数下降29%，吸油率提高119%，在空气中的击穿电压提高58%，在油中的击穿电压提高258%，显著提高了绝缘纸板的吸油率和电气强度。

参考文献

[1]Liu Xingyan， Wang Yuecun. Comparative analysis of structures and properties of Tencel fibers[J]. Shandong Textile Science & Technology， 2013， 54（6）： 33.

刘行燕， 王跃存. 天丝纤维结构性能对比分析[J]. 山东纺织科技， 2013， 54（6）： 33.

[2]Lu Yanhua， Wang Hong， Yu Tiaojuan， et al. Study on application of Tencel fiber in alkalimanaganese battery separator[J]. Technical Textiles， 2010， 28（9）： 14.

陆燕华， 王虹， 余调娟， 等. 天丝纤维在碱锰电池隔膜中的应用研究[J]. 产业用纺织品， 2010， 28（9）： 14.

[3]Lu Yanhua， Tang Baohua， Tang Renwang， et al. Study on the application of Tencel fiber in medical paper production[J]. East China Pulp and Paper Industry， 2011， 42（6）： 20.

陆燕华， 唐宝华， 汤人望， 等. 天丝纤维在医疗用纸生产中的应用研究[J]. 华东纸业， 2011， 42（6）： 20.

[4]Shan Hongchen， Wang Yi， Long Jin， et al. Influence of fibrillation of Tencel fiber on absorption performance and pore size of paper[J]. Paper Science & Technology， 2017， 36（1）： 12.

单洪琛， 王宜， 龙金， 等. 天丝纤维原纤化对纸页吸液性能和孔径的影响[J]. 造纸科学与技术， 2017， 36（1）： 12.

[5]Chen Jiwei， Wang Xiwen. Study on the fibrillation of Tencel fiber and the performances of Tencel fiber/nonwoven composite[J]. Paper Science & Technology， 2011， 30（3）： 25.

陈继伟， 王习文. 天丝纤维的原纤化及其与无纺布复合性能的研究[J]. 造纸科学与技术， 2011， 30（3）： 25.

[6]Tao Jiacheng. Study on preparation and properties of Tencel lithiumion battery separator[D]. Shanghai： Donghua University， 2016.

陶嘉诚. 天丝基锂离子电池隔膜的制备与研究[D]. 上海： 东华大学， 2016.

[7]Lundgaard E， Hansen W， Linhjell D， et al. Aging of oilimpregnated paper in power transformers[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2004， 19（1）： 230.

[8]Prevost T， Oommen T. Cellulose insulation in oil filled power transformers： Part Ihistory and development[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine， 2006， 22（1）： 28.

[9]Chen Qijie， Wei Dongyun， Yan Yongxiang. Lifetime Challenges for the Insulating Pressboard of Power Transformer[J]. Hu′nan Papermaking， 2015（1）： 17.

陳启杰， 魏冬云， 晏永祥. 电力变压器绝缘纸板绝缘寿命面临的挑战[J]. 湖南造纸， 2015（1）： 17.

[10]Lv Jian， Zhan Huaiyu， Jin Huachun. Power transformer insulation paper： its properties and insulation aging[J]. China Pulp & Paper， 2008， 27（5）： 54.

吕健， 詹怀宇， 晋华春. 电力变压器绝缘纸的性能及其绝缘老化[J]. 中国造纸， 2008， 27（5）： 54.

[11]Yu Tian， Liang Yun， Hu Jian， et al. Fibrillation and Papermaking characteristic of two kinds of cellulose fiber[J]. Paper and Papermaking， 2008， 27（4）： 21.

于天， 梁云， 胡健， 等. 两种纤维素纤维的原纤化及抄造特性[J]. 纸和造纸， 2008， 27（4）： 21.

[12]Zhu Yinghao. Dielectric coefficient of insulation material[J]. Transformer， 1991（5）： 2.

朱英浩. 绝缘材料的介电系数[J]. 变压器， 1991（5）： 2.

[13]Tang Chao， Liao Ruijin， Huang Feilong， et al. The Breakdown voltage of power transformer insulation paper after thermal aging[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2010， 25（11）： 1.

唐超， 廖瑞金， 黄飞龙， 等. 电力变压器绝缘纸热老化的击穿电压特性[J]. 电工技术学报， 2010， 25（11）： 1.