低介电常数绝缘纸的制备及其击穿性能

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)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 作者:张福州

  为提高油浸式变压器绕阻中纸-油-纸复合绝缘系统的击穿电压,实验室制备了能降低绝缘纸介电常数的微纳米级SiO2空心微球以及含不同质量分数SiO2(wSiO2)空心微球的实验用绝缘纸手抄片。测量浸油后的含不同质量分数SiO2空心微球绝缘纸的介电常数,wSiO2=5%空心微球的绝缘纸介电常数最低,比未加SiO2空心微球的绝缘纸介电常数低34%。用双层电介质场强公式分析绝缘纸介电常数以及复合绝缘系统中油隙厚度对油、纸中场强分配的影响。设计纸-油-纸复合绝缘系统模型,用COMSOL仿真软件对模型进行计算,得出模型中纸、油中电场为均匀电场,双层电介质场强公式可用于纸-油-纸模型的理论分析。最后,用含不同质量分数SiO2空心微球的绝缘纸组成纸-油-纸复合绝缘系统进行电击穿实验,介电常数越低的绝缘纸组成的纸-油-纸复合绝缘系统击穿电压越高,介电常数最低的wSiO2=5%空心微球的绝缘纸组成的纸-油-纸复合绝缘系统比未加SiO2空心微球的绝缘纸组成的纸-油-纸复合绝缘系统的击穿电压高15.5%。

  引言

  变压器是电力系统中的核心设备,目前,超高压变压器的内绝缘由纤维素材料和变压器油组成,纤维素材料又分为绝缘纸和绝缘纸板两类。变压器使用的油浸绝缘纸俗称牛皮纸,主要成分是天然纤维素,19世纪90年代就被广泛用在油浸式电力设备中。牛皮纸价格低廉,初始时具有良好的机械强度和电气强度,一直以来是绝大多数油浸式变压器首选的绝缘材料。变压器油在变压器中具有冷却、绝缘以及灭弧的作用,对变压器的可靠运行意义重大,常用变压器油为#25矿物油。电力变压器绝缘系统是绝缘纸(板)与变压器油组成的复合绝缘系统。

  匝绝缘是变压器内绝缘的基础,匝绝缘具有电场强,温度高和面积大的特点。在几十m2 的面积上,只要有1mm2 面积出现击穿,就可能会造成烧毁整台变压器的严重后果。匝绝缘的绝缘配合是纸-油-纸的形式,油比纸容易放电是油纸绝缘形式的缺点所在。在交流电压作用下,串联介质中场强的大小与相对介电常数成反比。绝缘纸的主要成分是纤维素,纤维素大分子每一个链节都有羟基,本身有一定的极性,因此它的介电常数比较大,纯纤维素相对介电常数为5.1左右。一般文献中所说的绝缘纸(板)的相对介电常数都是指油浸变压器中所用油浸绝缘纸的相对介电常数,其大小为3.5~4.4。而变压器油主要成分是环烷烃、烷烃等,其分子结构的C-C键为非极性共价键,C-H键形成的骨架结构对称或基本对称,属于非极性分子或弱极性分子,其相对介电常数只有2.2左右。双层电介质中,场强分布与介电常数成反比,低介电常数的变压器油承受了更高的电场强度,外加变压器油相对于绝缘纸的击穿场强要低,因此纸-油-纸绝缘系统中,变压器油容易首先被击穿。

  降低纸的介电常数,将使油浸变压器中纸-油-纸的复合绝缘系统中的电场分配更加合理,变压器油中的场强将会相对减小,更有利于提高油纸复合绝缘的击穿电压,从而降低主绝缘线圈高度,减少铁芯损耗,提高绝缘的可靠性。降低绝缘纸介电常数的方法主要有两种:①用人工合成纤维制成绝缘纸直接代替牛皮纸;②在植物纤维中掺入合成纤维抄造成纸。两种方法都能达到降低绝缘纸介电常数的目的,但合成纤维的使用成本较高。微纳米级二氧化硅(SiO2)空心微球已经被掺杂在高分子材料聚酰亚胺中来降低介电常数,介电常数从2.3降到1.8,并且二氧化硅的价格相对低廉,可明显降低成本。

  本文将微纳米级SiO2空心微球加入木浆中抄造成纸,以降低绝缘纸的介电常数。微纳米级SiO2空心微球、绝缘纸均为实验室自制。将含不同质量分数的微纳米级SiO2空心微球的绝缘纸真空浸油后,测量其介电常数与频率的关系,找出介电常数最低时的微纳米级SiO2空心微球添加量,制成低介电常数绝缘纸。设计纸-油-纸实验模型,用COMSOL软件仿真检验纸-油-纸模型中的电场为均匀电场,可以采用平行板电极间串联介质中场强分布公式对场强分布进行分析,实验验证了含微纳米级SiO2空心微球的低介电常数绝缘纸可以提高油纸复合系统的击穿电压。

1、实验流程

  1.1、微纳米级SiO2

  空心微球的制将5g苯乙烯、1.5g聚乙烯吡咯烷酮、0.2g偶氮二异丁腈、5g水及22.5g无水乙醇加入到250mL 4口烧瓶中,氮气保护下搅拌30min后,缓慢加热到70°C后反应1.5h,然后快速加入22.5g无水乙醇、5g苯乙烯和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。整个体系保持氮气条件下反应25h后冷却到50°C。加入6g正硅酸乙酯和3mL氨水,保持50°C反应1h得到牛奶状分散液。所得分散液经离心、干燥,再在马弗炉中500°C烧结6h。最后得到平均粒径为500nm的SiO2空心微球。图1为烧结前后,SiO2微球透射电镜对比图。从图中可以看出,烧结处理后,微球为直径500nm的中空结构。

二氧化硅微球透射电镜图像

图1 二氧化硅微球透射电镜图像

  1.2、含SiO2空心微球绝缘纸的制备

  将SiO2空心微球与去离子水按质量比1:100制成悬浊液,用超声震荡10min。将打好浆的木浆稀释到质量分数wj=0.4%,在纤维解离器中疏解3min,将震荡好的SiO2空心微球悬浊液倒入纤维解离器中继续搅拌5min让其混合均匀。最后,在纸页成形器上抄造成定量120g/m2 的绝缘纸。制备的绝缘纸中SiO2空心微球的质量分数wSiO2分别为3%、5%、7%,对应绝缘纸分别记为3%SiO2、5%SiO2、7%SiO2。为方便对比,制备未添加SiO2空微球的绝缘纸,记为牛皮纸。SiO2空心微球在绝缘纸中的分散情况见图2,SiO2空心微球比较均匀的分散在绝缘纸手抄片中。

  1.3、纸-油-纸复合绝缘系统击穿实验设计

  将实验室抄造的厚0.15mm的绝缘纸剪裁成直径4cm的圆片,用购买的厚3mm的商用绝缘纸剪裁成直径6cm圆片,中间剪裁出直径3cm的孔洞。将两片厚0.15mm、直径4cm实验用纸上、下盖住3cm的孔洞,以此模拟纸-油-纸复合绝缘系统(见图3)。

  电极根据GB/T 1408.1-2006加工,上、下两个电极均由铜圆柱体组成,其边缘倒圆成半径为3mm的圆弧,两电极直径25mm,高约为25mm,上、下两个电极准确对中放置,误差在1mm以内。下端电极与钢壳相联并接地,钢壳内高105mm,内直径150mm,外直径156mm(见图3)。

  模拟变压器油纸绝缘实际处理过程,对两种纸进行浸油预处理,流程为:绝缘纸在温度90°C、真空度<50Pa条件下脱气并干燥48h,以尽可能脱去纸中水分。随后,在温度为40°C、真空度<50Pa的条件下用已脱气的新矿物油将绝缘纸充分浸渍24h。

3、结论

  1)微纳米级SiO2空心微球的添加,可以降低绝缘纸的介电常数,添加量wSiO2<5%时,绝缘纸的介电常数随SiO2空心微球添加量的增加而减小;当添加量wSiO2>5%时,绝缘纸的介电常数反而升高;SiO2空心微球添加量为wSiO2=5%时,绝缘纸的介电常数最低,在50Hz时,比未添加SiO2空心微球的绝缘纸介电常数下降34%。

  2)纸-油-纸复合绝缘系统中绝缘纸相对介电常数变化时,串联介质中场强会受影响,且绝缘纸比变压器油要大。而油隙厚度变化对介质中场强的影响,绝缘纸要比变压器油的小。

  3)纸-油-纸复合绝缘系统模型在圆柱形电极之间时,纸、油内的电场是均匀电场,只是接触面处的小范围内有畸变,对实验无影响,双层电介质中场强计算公式(1)能够用于此模型来解释绝缘纸介电常数的降低可以导致纸-油-纸复合绝缘系统击穿电压的升高。

  4)添加wSiO2=5%空心微球的低介电常数绝缘纸组成的纸-油-纸复合绝缘系统,比未加SiO2空心微球的绝缘纸组成的纸-油-纸复合绝缘系统击穿电压提高了15.5%。但本身击穿场强由于浸油率升高而有所降低。

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