于紅梅 劉 文，* 劉群華 陳雪峰

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102)

·絕緣紙·

油浸絕緣紙制備技術(shù)及研究進展

于紅梅1，2劉 文1，2，*劉群華1，2陳雪峰1，2

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102)

油浸絕緣紙主要以植物纖維為原料，其性能受到原材料、制備工藝、生產(chǎn)用水、生產(chǎn)環(huán)境等的影響，生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制這些影響因素，才能確保絕緣紙具有優(yōu)良的性能。本文結(jié)合近年來的研究成果介紹了絕緣紙的制備技術(shù)及研究進展。

油浸絕緣紙；原材料；生產(chǎn)用水；生產(chǎn)環(huán)境

變壓器是電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備，它借助于電磁感應(yīng)以相同的頻率在兩個或更多的線圈之間變換交流電壓和電流。用油浸絕緣紙絕緣是變壓器里主要的絕緣形式，這種絕緣紙俗稱“牛皮紙”，浸油后形成紙-油-紙絕緣系統(tǒng)[1]。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，變壓器等級越來越高，因此對變壓器匝間絕緣的要求也越來越高。我國已成功研制開發(fā)了500 kV、750 kV變壓器匝間絕緣紙，但并未突破1000 kV變壓器匝間絕緣紙的技術(shù)難題，這些技術(shù)難題包括：絕緣紙的原材料化學(xué)提純精制、結(jié)構(gòu)設(shè)計與成形等。本文結(jié)合文獻，從原材料的選擇、制備工藝、生產(chǎn)用水的凈化及生產(chǎn)環(huán)境的控制上對絕緣紙性能的影響進行了介紹，目的在于更深入了解油浸絕緣紙的性能與制備技術(shù)的關(guān)系，以優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

1 纖維原料選擇

絕緣紙廣泛用于電氣和電子工業(yè)，一般采用未漂硫酸鹽針葉木漿為原料，也有采用破布漿、麻漿制成，最近研究中也有用到闊葉木纖維原料。即使是以未漂硫酸鹽針葉木漿為原料，不同產(chǎn)地的針葉木纖維原料抄造出的絕緣紙性能也不同。黃建文等人[2]選取瑞典、美國、加拿大和俄羅斯的4種針葉木漿制成絕緣紙樣品，發(fā)現(xiàn)絕緣紙的相對介電常數(shù)和油中交流擊穿場強會受針葉木漿種類的影響，但絕緣紙的抗張強度、體積電阻率、介質(zhì)損耗角正切值以及空氣中交流擊穿場強則不受明顯影響。同時得出加拿大針葉木漿絕緣紙更適宜于交流電用絕緣紙的制備生產(chǎn)。

用韌皮纖維中的大麻、亞麻、洋麻抄造的紙，紙質(zhì)均勻，有良好的抗張強度和撕裂度，滿足電氣絕緣紙物理性能的要求，這是因為這些麻類纖維的長寬比都比較大，甚至超過了紅松，木素含量比木材少，纖維素含量也比較高[3]。但麻漿灰分含量高，絕緣紙對灰分的要求嚴(yán)格，因此需要對麻漿進行灰分處理。陳寬等人[4]在研究中介紹了一種氧-堿法制取韌皮纖維漿的方法，對抄造出的電氣絕緣紙進行熱老化特性實驗，發(fā)現(xiàn)用該方法制取的韌皮纖維漿抄造的紙和紙板熱老化性能與未漂硫酸鹽針葉木漿抄造的紙和紙板相近。

天絲纖維在特種紙方面經(jīng)常使用，它具有獨特的性能，如良好的機械強度、熱穩(wěn)定性，并且耐化學(xué)腐蝕、阻隔絕緣性能好等。陳啟杰等人[5]發(fā)明了一種含天絲纖維絕緣紙的制備方法，滿足了絕緣紙性能要求，且電氣性能比100%針葉木漿絕緣紙?zhí)岣?0%～15%。

闊葉木硫酸鹽漿半纖維多，不是制作絕緣紙的最佳原料，但周遠翔等人[6]發(fā)明了一種含有闊葉木纖維的電氣絕緣紙制備方法，工藝過程方法簡單、易操作，在保證絕緣紙電氣性能的前提下，有效地降低了生產(chǎn)成本。

2 制備工藝

2.1蒸煮

蒸煮的目的是除去原料中的木素、樹脂等，木素除了影響紙張的物理性能外，作為極性分子它還影響著絕緣紙的電氣性能，特別是介質(zhì)損耗。Rebecca Hollertz等人[7]利用橢圓偏振光譜法研究了纖維素、半纖維素和木素的極化特性，發(fā)現(xiàn)木素的極化率要高于纖維素和半纖維素，因而降低木素含量有助于減小絕緣紙的介質(zhì)損耗。

絕緣紙紙漿主要采用硫酸鹽蒸煮方法制備，一方面硫酸鹽法比亞硫酸鹽法制備的漿料成紙的強度高，另一方面硫酸鹽漿中的硫元素也有利于提高絕緣紙的耐熱性能[8]。為保證紙漿的強度，在蒸煮過程中控制用堿量、硫化度、蒸煮溫度以盡量減少纖維素鏈的斷裂和剝皮反應(yīng)的發(fā)生。提高絕緣紙漿料的質(zhì)量除了控制用堿量、硫化度且原木去盤頭、刮表皮外，保溫溫度的選擇也很重要，最高溫度不超過162℃[9]。

韌皮纖維用作絕緣紙原料時多采用氧堿法蒸煮，但這種方法制備的漿的灰分含量比較高，對絕緣紙的性能影響很大，所以需要對漿料進行純化處理[2]，張誠[10]對傳統(tǒng)的麻漿純化工藝進行了改進，結(jié)果顯示改進后的電容器紙的介質(zhì)損耗角正切值(tanδ)降低 40%，漏電流減少 73%，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2酸處理

高純度的絕緣紙漿料是制備高性能絕緣紙的前提，因此對原材料進行化學(xué)提純精制在絕緣紙的生產(chǎn)中很重要。紙漿中的灰分分為附著灰分、交換灰分和惰性灰分；附著灰分含量最大，交換灰分含量最小，而惰性灰分最難除去。蒸煮工序完成后的紙漿中的灰分含量還很大，經(jīng)過洗滌、精選過程能夠除去一部分灰分，并且洗滌次數(shù)越多效果越好。500 kV變壓器匝間絕緣紙的灰分含量要求小于0.21%，特高壓絕緣紙中灰分含量要求更低，而一般未漂硫酸鹽漿的灰分含量達不到要求，需要對紙漿進行處理以提高純度、采用無機酸對紙漿進行提純，可以去除紙漿中的導(dǎo)電性物質(zhì)，并且隨著用酸量的增加，灰分去除效果更加明顯。

酸處理之后還要對紙漿進行洗滌，灰分含量經(jīng)脫鹽水洗滌后能夠達到標(biāo)準(zhǔn)要求。但紙漿的水抽提液電導(dǎo)率仍然偏高，pH值呈明顯酸性[11]，如表1所示。這是因為紙漿灰分中一部分金屬離子以纖維素羧酸鹽的形式存在，經(jīng)酸處理之后，產(chǎn)生了一定量的游離羧基，羧基的電離能力大于羧酸鹽，這就導(dǎo)致水抽提液電導(dǎo)率偏高和pH值偏低，并且洗滌多段之后，仍維持在較高水平。為降低紙漿水抽提液電導(dǎo)率和提高水抽提液pH值，并考慮到一價金屬離子對絕緣紙電氣性能的影響更明顯，通常采用加入二價Mg鹽的方法將羧基的H+置換出來，鈍化羧基。

表1 不同紙漿的水抽提液性質(zhì)

2.3打漿

打漿對絕緣紙性能有很大影響，隨著打漿度的提高，絕緣紙和油浸絕緣紙的工頻擊穿強度以及油浸絕緣紙的沖擊擊穿強度都提高。對于同一種打漿方式來說，打漿度的高低表明了纖維切斷和分絲帚化的程度，同樣緊度的紙張若打漿程度不同時電氣性能也不同，這是因為高打漿度狀態(tài)纖維中有S2—S2結(jié)合，既所謂的纖維內(nèi)部細(xì)纖維化在干燥過程產(chǎn)生不可逆的H鍵結(jié)合，這種耐水性的分子結(jié)合不僅表現(xiàn)出對水分?jǐn)U散及滲透的強烈抵抗，也成為高電場下被加速電子、離子的有力的屏蔽。根據(jù)游離狀打漿和黏狀打漿的特點，組合打漿方式不但可以縮短打漿時間，降低能耗，而且使成紙勻度提高。

細(xì)小纖維組分含量的上升使得紙張的勻度和透氣度產(chǎn)生變化，勻度和透氣度影響著絕緣紙的電氣性能，根據(jù)勻度和透氣度指標(biāo)的變化來設(shè)計打漿工藝，不但可以獲得所需要的紙張性能而且還能提高紙機的產(chǎn)量，降低成本[12-13]。

打漿設(shè)備的不同，成紙的性能也會不同。不同材質(zhì)的磨片對纖維的作用也不同，打漿時塑料材質(zhì)的磨片作用均勻、纖維易于水化潤脹、分絲帚化、纖維長度得到較好的保護。李可成等人[14]采用塑料盤磨和玄武巖盤磨組合打漿的方式，使得電容器紙的裂斷長、擊穿電壓均有所提高。盤磨對纖維的作用與磨片的齒寬、槽寬和齒高密切相關(guān)，周建華等人[15]選用齒寬和槽寬相對窄、齒高相對低的磨片磨漿制成的高密度絕緣紙板的性能達到預(yù)期的效果。

2.4干燥

水分是影響絕緣紙老化的重要因素之一，絕緣紙中的纖維素容易發(fā)生水解反應(yīng)，引起絕緣紙性能變化。研究表明，油浸絕緣紙中初始所含的水分越多，對絕緣紙降解的促進作用也就越強[16]。油浸紙絕緣系統(tǒng)中，油中含水量應(yīng)為5～15 mg/kg，絕緣紙含水量0.3%～0.5%。當(dāng)油的含水量增加到40 mg/kg，絕緣紙中含水量增加到2%時，絕緣紙強度受影響不大，若絕緣紙含水量超過2%，絕緣紙強度將急劇下降。干燥過程中除了脫除濕紙幅中殘留的水分，還能使纖維間進一步結(jié)合，提高紙張強度，增加紙張平滑度。

在造紙生產(chǎn)中，最常見的干燥方法是采用烘缸組進行干燥，干燥過程中根據(jù)紙種的不同控制烘缸干燥曲線的變化，對于電氣絕緣紙來說，干燥溫度不但要低而且升溫曲線也要平緩。

2.5壓光

對成紙進行壓光主要是來提高紙張的平滑度、緊度、氣密性，這些指標(biāo)均對絕緣紙電氣性能有影響。用超級壓光機對絕緣紙進行壓制，利用壓輥間的壓力和摩擦影響紙張的性能，增加壓力能夠提高紙張的緊度，從而提高絕緣紙的擊穿強度。

絕緣紙板一般采用熱壓工藝[17]，在實際生產(chǎn)中嚴(yán)格控制壓制的溫度、時間、壓力能夠保證絕緣紙板的性能，尤其要控制壓制的溫度，原因是溫度是影響絕緣紙熱老化性能的主要因素之一，直接影響著絕緣紙的質(zhì)量。熱壓之后，絕緣紙板的水分下降，緊度得到提升。另外對絕緣紙板采用不同的壓光方式，所表現(xiàn)出來的性能也會不同，于欽學(xué)等人[18]研究了壓光型和預(yù)壓型兩種絕緣紙板的性能，并在150℃進行熱老化實驗，結(jié)果表明，預(yù)壓型絕緣紙板的大多數(shù)性能優(yōu)于壓光型絕緣紙板，且壓光型絕緣紙板的抗老化能力較差，更適用于電力變壓器。絕緣紙板浸油前后性能比較如表2所示。

表2 絕緣紙板浸油前后性能比較

綜合制備工藝中不同環(huán)節(jié)對絕緣紙電氣及物理性能的影響，為得到較高電氣強度和物理強度的絕緣紙，打漿時下刀要輕，打漿度高，壓光時緊度要高，并根據(jù)使用要求選擇適當(dāng)?shù)募垙埡穸取?/p>

3 生產(chǎn)用水和環(huán)境的控制

3.1生產(chǎn)用水的凈化

生產(chǎn)用水純凈度是影響絕緣紙電氣性能和水抽出液電導(dǎo)率的重要因素之一[19]。絕緣紙通常用優(yōu)質(zhì)的未漂硫酸鹽針葉木漿為原料，木片的蒸煮、打漿、抄造過程都需要大量水，生產(chǎn)絕緣紙用的水純度要求很高，而一般工廠水的來源有河水、湖水、自來水等，這些水中含有大量的陽離子和陰離子，電導(dǎo)率也通常大于100 μS/cm，影響著絕緣紙的電氣性能，周遠翔等人[20]用不同電導(dǎo)率的水制備絕緣紙，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著造紙用水電導(dǎo)率的增加，油浸絕緣紙的體積電阻率和直流擊穿場強下降、介質(zhì)損耗角正切值增大，因此必須進行生產(chǎn)用水的凈化。

脫鹽水處理工藝有離子交換法工藝和膜法工藝，膜法工藝比離子交換工藝更具有綜合優(yōu)勢，首先膜法工藝廠房占地面積只有離子交換法工藝的50%，其次膜法工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定可靠性高，不用酸堿再生，更為環(huán)保，特別是超濾、反滲透、EDI(電去離子凈水技術(shù))等以高分子分離膜為代表的膜分離技術(shù)作為一種新型的流體分離單元操作技術(shù)，30年來取得了令人矚目的巨大發(fā)展[21]。

表3所示為某絕緣紙廠采用離子交換法凈化水水質(zhì)情況[19]，表4所示為反滲透法凈化前后用水對絕緣紙板電導(dǎo)率和灰分含量的影響[16]。

表3 離子交換法凈化水質(zhì)情況

表4 反滲透法凈化前后用水對絕緣紙板電導(dǎo)率和灰分含量的影響

3.2生產(chǎn)環(huán)境的控制

外來的灰塵、雜質(zhì)等主要影響絕緣紙電氣性能，所以生產(chǎn)絕緣紙產(chǎn)品要嚴(yán)格控制生產(chǎn)環(huán)境，為防止外來粉塵，生產(chǎn)環(huán)境要封閉，使用粉塵監(jiān)控系統(tǒng)確保生產(chǎn)環(huán)境的降塵量不大于0.5 mg/m3，另外，降溫采用水膜式凈化空調(diào)，換氣通風(fēng)采用正壓鼓風(fēng)[22]。

生產(chǎn)過程中也要避免金屬物質(zhì)的摻雜，絕緣紙如果摻雜了金屬會出現(xiàn)局部放電、電阻率下降、絕緣能力下降等現(xiàn)象，嚴(yán)重時絕緣紙會被擊穿，從而引起變壓器故障的發(fā)生。所以在生產(chǎn)中必須嚴(yán)格控制金屬物質(zhì)的摻雜，在拆除進口木漿時，為防止包裝用的鉛絲進入碎漿機，要對剪下的鉛絲進行收集；另外造紙設(shè)備在運行中不可避免地會磨損，為防止磨損產(chǎn)生的金屬粉末進入絕緣紙中，要選擇優(yōu)質(zhì)不銹鋼、聚酰胺、陶瓷等材料的設(shè)備，易磨損部件要選用耐磨材料并定期更換。

同時，電力工業(yè)在不斷發(fā)展，變壓器等級已達到1000 kV，并且還在增加，生產(chǎn)高純度的絕緣紙更要注意生產(chǎn)過程的清潔，不但使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，還能使企業(yè)獲得利益。以絕緣紙板為例，清潔生產(chǎn)在絕緣紙板生產(chǎn)過程中應(yīng)用包括[23]：整個生產(chǎn)過程利用電腦自動控制，Kraft纖維回收機的應(yīng)用，化學(xué)助劑、絮凝劑、殺菌劑的使用。

4 展 望

目前油浸絕緣紙的發(fā)展動向是提高天然纖維的耐老化性能和介電特性。提高耐老化性能的方法很多，可以向絕緣紙中添加胺類的穩(wěn)定劑，提高絕緣紙的耐熱性；對纖維素的化學(xué)改性，包括氰乙基化、乙?；⒔又酆虾屯榛瘻p少纖維素中的羥基含量，降低成紙吸水性。研究者在提高絕緣紙介電特性方面也做了大量的工作，取得了豐碩成果，成功研發(fā)出聚甲基戊烯(PMP)纖維和纖維素纖維復(fù)合紙、耐高溫合成纖維(HTFR)紙、氟化乙丙烯共聚物(PEP)纖維復(fù)合紙等，電氣性能大大提高。

近年來，研究人員通過向絕緣紙中添加較低的相對介電常數(shù)的無機非金屬礦物質(zhì)提高了絕緣紙介電性能，這是因為純纖維素相對介電常數(shù)為5.1左右，變壓器油相對介電常數(shù)只有2.2左右[24]，雙層電介質(zhì)中，低介電常數(shù)的變壓器油承受了更高的電場強度，因此紙-油-紙絕緣系統(tǒng)中，首先容易被擊穿的是變壓器油。添加了無機非金屬礦物質(zhì)的絕緣紙比100%纖維絕緣紙介電常數(shù)降低，紙-油-紙的復(fù)合絕緣系統(tǒng)中的電場分配會更加合理，油浸絕緣紙絕緣的擊穿電壓也會提高，從而提高絕緣的可靠性[25]。常用到的無機非金屬礦物質(zhì)有Al2O3、ZnO、TiO2、SiO2、碳化硅(SiC)、蒙脫土等[26-32]。

5 結(jié) 語

高純度的纖維原料，合理的生產(chǎn)工藝，潔凈的生產(chǎn)用水和生產(chǎn)環(huán)境是生產(chǎn)高品質(zhì)絕緣紙的重要前提，在超高壓、特高壓絕緣紙的生產(chǎn)要求中更加嚴(yán)苛。另外隨著納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，納米級別的無機粒子的制備取得很大進展，通過添加無機納米粒子來增強絕緣紙的性能成為了近年來的研究熱點，但在實際生產(chǎn)中還未得到應(yīng)用。綜合絕緣紙的制備技術(shù)，以原材料結(jié)構(gòu)及改性、纖維交織成形及控制、紙張結(jié)構(gòu)與性能的系統(tǒng)研究為切入點，結(jié)合纖維原料處理、紙張微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、紙張抄造技術(shù)及后加工技術(shù)，從微觀-宏觀多層次闡明紙張結(jié)構(gòu)-工藝-性能之間的關(guān)系，是制備高耐熱性和高耐腐蝕、高介電性能和高力學(xué)性能的絕緣紙的重要研究內(nèi)容。

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(責(zé)任編輯：馬 忻)

ThePreparationTechnologyandResearchProgressofOil-impregnatedInsulationPaper

YU Hong-mei1,2LIU Wen1,2,*LIU Qun-hua1,2CHEN Xue-feng1,2
(1.ChinaNationPulpandPaperResearchInsitute,Beijing, 100102;2.NationalEngineeringLabforPulpandPaper,Beijing, 100102)(*E-mail: liuwen0412@126.com)

The oil-impregnated insulation paper is prepared mainly using cellulose fiber as saw material, its performance is influenced by raw materials, preparation technology, water used, and production environment. To insure the insulation paper having excellent performance these influencing factors must be controlled strictly in the production. In this paper, combining with recent research results the preparation technology and research progress of insulation paper were introduced．

oil-impregnated insulation paper; raw materials; water; production environment

于紅梅女士，在讀碩士研究生；主要研究方向：特種紙。

TS764.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.11.010

2017- 06- 16(修改稿)

國家重點研發(fā)計劃項目課題(2017YFB0308200)。

*通信作者：劉 文，博士，教授級高級工程師；主要研究方向：特種紙。