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打浆度对超高压绝缘纸老化性能的影响

  • 王楠 1
  • 钱丽颖 1
  • 杨柳青 2 ✉
  • 赵宸瑄 2
  • 禹家琛 2,3
  • 李军荣 1 ✉
1. 华南理工大学轻工科学与工程学院，广东广州，510640； 2. 西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室，陕西西安，710049； 3. 国网湖南省电力有限公司超高压变电公司，湖南长沙，410004

中图分类号： TS761.2

最近更新：2024-04-22

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2024.04.011

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EN 引
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摘要

选用俄罗斯云杉进行硫酸盐法蒸煮并纯化制备绝缘浆，进一步得到不同打浆度绝缘纸，对比其不同老化时间下纤维特性及绝缘纸机械和电气性能差异，研究打浆度对绝缘纸老化性能的影响。结果表明，随着打浆度升高，纤维长度和孔隙率降低，细小纤维含量增加，纤维分丝帚化率和弯曲扭结率增大；老化后纤维长度显著降低，低打浆度折断纤维和细小纤维含量越大。随着老化时间延长，不同打浆度绝缘纸性能差距增大；随老化时间延长，高打浆度绝缘纸机械性能和电气性能降低幅度更小，性能更稳定。当打浆度提高到83 °SR时，热压后绝缘纸的抗张强度达到17.5 kN/m，老化30天后纤维聚合度仍能保持在500左右，且打浆度为83 °SR油纸绝缘材料击穿强度远大于其他较低打浆度油纸绝缘材料，介电常数和介质损耗均低于其他较低打浆度油纸绝缘材料。

为满足日益增长的电能需求，我国采取“西电东输，北电南送”的措施以实现电能合理再分配[

1]。确保电网系统运行稳定的首要防线是输配电设备的持久安全运行，变压器在电力传输和能量转换中扮演核心角色[2]。变压器中绝缘材料的优劣直接决定了变压器能否长期安全稳定运行。作为最早应用于高压技术的绝缘材料之一，绝缘纸具有机械强度优异、电气性能良好、稳定性较高、成本低等特点，在绝缘材料中被广泛选择使用[3-4]。为满足变压器在远距离超高压条件下的安全稳定运行，超高压变压器所用绝缘纸不同于一般变压器绝缘纸，既要承受热应力造成的绝缘劣化，也要承受交直流叠加的复杂电场，所以对其绝缘水平和机械性能具有更高要求[5]。超高压变压器所用绝缘纸需要具备更高的纯度、较高的机械性能和电气性能，以保证其老化过程中的性能稳定性，其中抗张强度是影响其老化效果最重要的因素，纵向和横向抗张强度应分别不低于9.6、4.2 kN/m。提高绝缘纸热稳定性，延长绝缘纸老化周期，降低材料更换周期亦是重中之重。

绝缘纸的生产过程主要分为制备绝缘浆和抄造绝缘纸2个部分。制备绝缘浆的关键在于除去金属离子、降低灰分、提高纸浆纯度，本课题组通过利用不同碱处理和镁盐置换工艺有效降低绝缘浆中Na+浓度，从而提高绝缘纸的介电性能[

6]。抄造绝缘纸前，进行打浆处理是不可或缺的重要环节。周远翔等[1]通过对比不同打浆时间和打浆压力对绝缘纸基础理化性质、抗张强度等力学性能及电阻率等电气性能的影响，探究其对绝缘纸性能的影响。于红梅等[3]基于不同打浆度、打浆压力、打浆方式对绝缘纸的机械性能和击穿强度的影响进行了深入讨论，发现由打浆压力小、打浆度高的绝缘浆抄造的绝缘纸机械性能更好。廖瑞金等[7]利用热电流刺激和扫描电子显微镜等手段系统测试了绝缘纸的微观形貌和系统参数，建立放电击穿模型，以电气性能测试为主，借助部分纸张机械性能测试分析打浆度对绝缘纸各性能的影响机理，结果表明，打浆度为85 °SR左右的绝缘浆制备的绝缘纸具有最优绝缘性能。然而，现有的研究大多是围绕制浆造纸工艺对绝缘纸性能的影响展开，对于不同打浆度绝缘纸在热老化前后的性能变化研究较少。

本研究选用俄罗斯云杉进行硫酸盐法蒸煮，经纯化处理制得绝缘浆，进一步制备绝缘纸，并在130 ℃下进行加速老化实验，对比不同打浆度绝缘纸老化过程中，微观纤维结构和宏观绝缘纸性能的差异。

1 实 验

1.1　实验原料试剂及仪器

1.1.1　实验原料及试剂

氢氧化钠（NaOH），天津市福晨化学试剂厂；九水合硫化钠（Na2S·9H2O）、盐酸（HCl，质量分数20%），广州化学试剂厂；以上试剂均为分析纯；碳酸氢镁（Mg(HCO3)2），实验室自制；铜乙二胺，上海迈瑞尔化学技术公司；矿物绝缘油（昆仑变压器油KI 50X），中石油股份有限公司克拉玛依油田。

云杉硫酸盐浆为实验室自制，云杉产地为俄罗斯。蒸煮条件：氢氧化钠用量18%，硫化度30%，液比1∶4，蒸煮最高温度160 ℃，保温3 h。采用1%（相对绝干浆质量计，下同）盐酸对蒸煮浆进行去离子纯化，而后通过质量分数12%氢氧化钠溶液抽提来平衡浆料pH值，最后利用质量分数2.5%碳酸氢镁溶液进行钠离子的置换制得绝缘浆。

1.1.2　实验仪器

电热蒸煮锅（T01-15，咸阳通达轻工设备有限公司）、浆料平板筛分仪（S401700001，奥地利PTI公司）、分析天平（BSA 124S，德国Sartorius公司）、恒温水浴锅（HH-2，江阴市保利科研器械有限公司）、精密黏度恒温水浴（VT2，杭州中旺科技有限公司）、纤维分析仪（Morfi Compact，法国Techpap公司）、PFI磨浆机（3-168，奥地利PTI公司）、肖伯尔打浆度仪（PN-SDJ100，奥地利PTI公司）、抗张强度测定仪（CE062，瑞典L&W公司）、爱利门道夫撕裂度仪（F53，98300，奥地利PTI公司）、葛尔莱透气度仪（4110N-4320，美国TMT公司）、凯赛法自动抄片系统（RK3AKWT，奥地利PTI公司）、油压压床（TYF-03T，东莞市铭锵机械设备有限公司）、场发射扫描电子显微镜（EVO18，德国Zeiss公司）、傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet IN10，美国Thermo Scientific公司）、宽频介电谱测试系统（Concept 80，德国NovoControl公司）、计算机自动控制电压击穿测试仪（HJC-100 kV，华博科技工业有限公司）。

1.2　实验方法

1.2.1　绝缘纸及热压后绝缘纸的制备

将浆浓调至10%，使用PFI磨浆机，线压力为3.33 N/m，改变磨浆转数得到打浆度分别为43、55、64、73、83 °SR的绝缘浆。利用凯赛法自动抄片系统，抄纸定量为120 g/m2，将不同打浆度的绝缘浆抄造成纸，在98 ℃、0.08 MPa条件下干燥得到绝缘纸。将其在105 ℃下热压30 min，压力3 MPa，得到热压后绝缘纸。

1.2.2　油纸绝缘材料的制备

将真空浸渍腔中带有真空阀的下腔体放置在热台上，利用虹吸法注入除杂干燥脱气后的绝缘油，随后将在105 ℃鼓风干燥箱48 h 干燥处理后的绝缘纸放入其中，迅速盖上不锈钢盖板并打开真空泵，在60 ℃下持续抽真空24 h以上，使绝缘纸充分浸渍于绝缘油中，制得油纸绝缘材料。

1.2.3　油纸绝缘材料的老化实验

将绝缘油进行抽滤处理，并充分脱气干燥，冷却到室温；通过虹吸管将绝缘油吸入高硼硅玻璃瓶，再将处于加热状态的油纸绝缘材料放入高硼硅玻璃瓶，采用顶部两孔瓶盖用氮气袋往高硼硅玻璃瓶中注入氮气，从而排除上部的空气。重复洗气2~3次，立刻用配套耐高温瓶盖和聚四氟乙烯垫块封住瓶子并拧紧。最后将密封好的高硼硅玻璃瓶放入鼓风干燥箱中升温至130 ℃进行老化，得到老化绝缘纸。

1.3　测试方法及表征

1.3.1　纤维分析

1.3.1.1 纤维形态

分别称量0.3 g（绝干质量）具有不同打浆度的绝缘浆、预先浸泡过夜的绝缘纸及老化后绝缘纸放入疏解杯中，加入300 mL水并充分疏解纸浆，将疏解后的纸浆稀释，使其最终总体积为1 L，浆浓为3%，放入纤维分析仪进行分析。

1.3.1.2 表面形貌

使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察纸样表面形貌。将纸样裁剪后使用导电胶贴在金属样品台上，喷金后观察其表面形貌。

1.3.1.3 化学结构

使用IN10傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）选择衰减全反射（ATR）模式对不同打浆度、不同老化时间的纸样进行光谱扫描，分析其化学结构。

1.3.2　机械性能测试

1.3.2.1 聚合度

根据GB/T 1548—2016，采用铜乙二胺法测定纤维素铜乙二胺溶液的特性黏度。纤维素的平均聚合度与特性黏度的关系见式(1)。

DP0.905=0.75 η （1）

式中，DP表示纤维平均聚合度；η表示特性黏度。

1.3.2.2 抗张强度

根据 GB/T 12914—2018进行测试，将纸样裁剪成宽度15 mm、长度150 mm的纸条，将样品放入仪器夹头进行测试，样品和夹头需保持垂直。每组样品重复3次实验，结果取平均值。

1.3.2.3 撕裂度

根据标准GB/T 455—2002进行测试，将纸样裁剪成63 mm×63 mm的样品，将样品放入撕裂度测试仪样品槽，夹紧样品后进行测试。每组样品重复3组实验，结果取平均值。

1.3.2.4 透气度

根据GB/T 458—2008进行测定，每组样品重复3组，结果取平均值。

1.3.3　电气性能测试

1.3.3.1 介电谱测试

根据IEC 60243—1制备油纸材料试样。调整测试温度为(23±3) ℃，将浸油后的油纸绝缘材料放置在带电极的测试夹具上，在工作界面输入纸样厚度，设置好频率范围。使用宽频介电阻抗谱仪测量油纸绝缘材料的电容值C0、Cx和损耗值，根据交流等效电路原理进行计算，得出相对介电常数εr和损耗因数tan δ。计算见式(2)~式(3)。

εr =CxC0 （2）
tan δ=ε''ε' （3）

式中，C0为电极周围充满真空时的电容，F；Cx为电极周围充满介质时的电容，F；ε′为介电常数实部；ε′′为介电常数虚部。

1.3.3.2 击穿测试

根据ASTM D3755—1和ASTM D1816—12，采用HJC-100 kV计算机自动控制电压击穿测试仪，在较高耐压的干净绝缘油中使用加压速率为1 kV/s的球-球电极，对油纸绝缘材料进行直流击穿场强测试。为了避免偶然性和缺陷带来的误差，每种试样获取12个点以上的有效击穿数据，采用威布尔分布对数据进行分析。

2 结果与讨论

2.1　打浆度对纤维的影响

2.1.1　纤维形态分析

对打浆度分别为43、55、64、73、83 °SR的绝缘浆进行纤维形态分析，结果如表1所示。由表1可知，由于PFI磨浆对纤维的作用主要以分丝帚化为主，切断作用较少，因此随着打浆度提高，纤维长度虽然有所降低，但影响较小，对纤维宽度的影响也很弱。打浆大幅提高了纤维的分丝帚化率，打浆度越高，纤维的分丝帚化率越高，这将促进成纸时纤维之间的连接，使绝缘纸致密紧实，提高其机械性能。同时，随着打浆度的提高，细小纤维面积百分比逐渐升高，在打浆度为83 °SR时升高最明显。将绝缘浆抄造成绝缘纸的过程中，纤维形态会受到疏解、干燥、热压等处理的影响，表2为绝缘纸再经疏解后所得纤维的形态分析结果。比较表1和表2可知，抄纸疏解过程中的机械应力导致绝缘纸中纤维长度、扭结率、弯曲率轻微降低；在抄造成纸过程中，部分细小纤维流失导致绝缘纸的细小纤维率降低；抄纸前后，纤维的宽度、分丝帚化率和折断率等基本没有差异。综合来看，绝缘浆与绝缘纸的纤维性质相似，疏解、干燥、热压等工艺过程对纤维形态的影响较小。

表1  绝缘浆纤维分析
Table 1  Analysis of insulating pulp fibers
打浆度/°SR长度/mm宽度/μm扭结率/%弯曲率/%分丝帚化率/%折断率/%细小纤维含量/%
43 1.406 27.9 48.0 15.7 3.366 39.70 2.11
55 1.313 28.7 50.4 16.3 3.709 38.10 1.96
64 1.160 28.0 52.2 16.6 4.019 38.22 2.57
73 1.107 27.3 50.4 16.3 4.041 37.04 2.43
83 1.019 25.6 46.8 15.2 4.108 33.04 3.15
表2  绝缘纸纤维分析
Table 2  Analysis of insulating paper fibers
打浆度/°SR长度/mm宽度/μm扭结率/%弯曲率/%分丝帚化率/%折断率/%细小纤维含量/%
43 1.383 28.7 43.1 11.8 3.417 39.05 1.47
55 1.284 30.3 44.8 12.4 3.780 42.59 1.75
64 1.148 29.4 43.9 12.3 4.100 36.52 1.77
73 1.115 28.8 42.5 12.1 4.158 37.16 1.50
83 1.002 27.8 44.1 12.7 4.171 32.17 1.76

对老化后的打浆度分别为43、55、64、73、83 °SR油纸绝缘材料使用饱和烷烃进行索氏抽提，进行脱油处理，制得老化绝缘纸，将其分散成纤维，进行纤维形态分析，结果如表3所示。由表3可知，经过30天老化，纤维分子间断键，纤维断裂降解，导致纤维长度大幅降低，仅为老化前的30%~50%，纤维长度降低使纤维扭结和弯曲程度也减小[

8]。经老化处理后，纤维的分丝帚化作用明显加强，纤维折断率增大，细小纤维含量大幅增加。对比老化后不同打浆度绝缘纸细小纤维含量，高打浆度绝缘纸细小纤维含量远低于低打浆度绝缘纸细小纤维含量，打浆度83 °SR绝缘纸的细小纤维含量为14.06%，而打浆度43 °SR绝缘纸和55 °SR绝缘纸的细小纤维含量则分别高达55.34%和48.50%，这是因为高打浆度绝缘纸结合强度高，纤维破碎化程度低，延缓了绝缘油对绝缘纸的热老化作用。

表3  老化30天绝缘纸纤维分析
Table 3  Analysis of insulating paper fibers aged for 30 days
打浆度/°SR长度/mm宽度/μm扭结率/%弯曲率/%分丝帚化率/%折断率/%细小纤维含量/%
43 0.417 33.0 24.9 13.5 5.473 58.69 55.34
55 0.447 27.7 36.6 12.9 4.848 61.68 48.50
64 0.505 27.7 42.4 11.6 4.238 54.80 43.53
73 0.456 27.2 31.9 12.0 4.439 55.60 19.37
83 0.434 27.8 31.5 12.5 5.124 53.14 14.06

2.1.2　表面形貌分析

图1为不同打浆度绝缘纸老化前后的SEM图。由图1(a)可知，在43 °SR的较低打浆度下，纤维分丝帚化和细纤维化程度小，纤维立挺且排列疏松，纤维间结合位点少，孔隙率大；由图1(b)可知，老化30天后，纤维纵向撕裂和裂断程度高，折断纤维增多，细小纤维增多，绝缘纸表面变得粗糙。由图1(c)可知，83 °SR的高打浆度条件下，纤维被压扁，纤维分丝帚化率高，绝缘纸中的纤维结合紧密，表面平滑；由图1(d)可知，老化30天后，纤维间空隙增多但孔隙率远低于低打浆度的绝缘纸，部分纤维出现撕裂和细小纤维的剥落，纤维结合效果较稳定。

图1  不同打浆度绝缘纸老化前后的表面形貌

Fig. 1  Surface morphologies of insulating paper with different beating degrees before and after aging

对比可知，高打浆度绝缘纸在运行过程中老化，其性质优于低打浆度绝缘纸。打浆度为83 °SR的绝缘纸纤维结合强度高于低打浆度绝缘纸，高打浆度绝缘纸孔隙率低，表面平滑，匀度好，利于老化过程中机械和电气性能的稳定。

2.1.3　化学结构分析

图2为不同打浆度绝缘纸在不同老化时间的FT-IR谱图。由图2可知，打浆度分别为43 和83 °SR绝缘纸老化过程中，在波数1 000、1 500、2 900和3 300 cm-1左右出现较明显吸收峰，分别对应于C—O—C吸收峰、C—H弯曲振动、C—H拉伸振动和O—H吸收峰[

9]；其中O—H和C—O—C可以作为判断绝缘纸老化的特征官能团[10]；在波数1 700 cm-1 左右有微弱吸收峰，为C̿    O吸收峰，主要是纤维氧化的结果；而C—O—C吸收峰在老化过程中变化更明显，因此，本研究中绝缘纸老化以纤维水解为主。

图2  不同打浆度绝缘纸在不同老化时间的FT-IR谱图

Fig. 2  FT-IR spectra of insulting paper with different beating degrees at different aging times

由图2(a)可知，打浆度为43 °SR绝缘纸的位于3 300 cm-1处的O—H和位于1 000 cm-1处的C—O—C 2个吸收峰强度在经过10天的老化（老化初期）后显著增加，纤维表面发生断裂，暴露更多糖环，C—O—C吸收峰强度增大，同时部分水解形成O—H；老化至第20天时，羟基吸收峰强度与第1天相比略有下降，而在老化的第20天至第30天明显下降，这是因为分子间和分子内大量氢键断键，聚合度降低，绝缘纸性能下降。由图2(b)可知，对于打浆度83 °SR绝缘纸，打浆度较高，纤维结合较强，O—H和C—O—C这2个吸收峰的强度在老化初期轻微降低，发生少量分子间和分子内氢键断键，结合强度微降，老化后期相对稳定，结合强度相对稳定。

对比可得，不同打浆度绝缘纸氢键断键发生在不同老化时期，低打浆度绝缘纸结合较弱，老化初期纤维表面氢键断键程度剧烈，基团暴露，内部结晶区损伤较小，而老化后期纤维内部断裂降解速度快，导致聚合度降低明显；而高打浆度纤维压溃等程度剧烈，老化初期断键略高于低打浆度，但老化后期因分丝帚化程度高，纤维结合稳定，断键速度远低于低打浆度绝缘纸，降解慢且程度小，故聚合度降低程度小，老化速度慢。

2.2　打浆度对绝缘纸机械性能的影响

2.2.1　绝缘纸聚合度分析

变压器运行同时受到温度和电场等多重因素的综合影响，纤维素发生降解，葡萄糖糖苷键断裂，聚合度下降，机械性能大幅降低，因此聚合度是表征绝缘纸老化程度的重要手段[

11]。绝缘浆初始聚合度在1 200~1 500之间，在打浆过程中，纤维表面分丝帚化和细纤维化程度增加，纤维会趋向轴向分散[12-13]。故经过打浆、抄纸、干燥、浸油等处理后，绝缘纸聚合度有所降低，不同打浆度打浆时间差异较小，聚合度降低程度大致相同，均在1 100左右，这与梁宁川[14]的研究结果相似。图3为老化过程中绝缘纸聚合度变化。如图3所示，比较不同打浆度老化绝缘纸的聚合度可以发现，打浆度43 °SR的绝缘纸在老化第5天和第10天的聚合度均稳定维持在600左右，老化30天时聚合度只有388，原因可能是随着时间延长，纤维的纵向撕裂和剥落程度加剧，纤维损失严重，纤维间结合力弱，聚合度快速下降。打浆度在55、64和73 °SR时，聚合度变化趋势基本一致，均随着老化时间增长而逐渐下降，老化30天后聚合度均低于290。当打浆度提高至83 °SR时，在老化第10天至第30天，聚合度均维持在500左右，主要原因是打浆度高，纤维分丝帚化和细纤维化程度强烈，纤维间结合力较强，纤维保留效果更好。

图3  老化过程中绝缘纸聚合度变化

Fig. 3  Changes of polymerization degree of insulting paper in the aging process

综合来看，绝缘纸在老化初期聚合度变化趋势差异较小，但随着老化时间延长，在宏观上，纤维细胞壁出现纵向撕裂，进而出现纤维空洞和剥落，纤维间结合减弱；在微观上，纤维素分子结构发生变化，分子链内和链间氢键受到破坏，分子间作用力减弱，分子链发生断裂，聚合度降低。打浆度不同，纤维结合强弱程度不同，打浆度越高纤维结合越强，抵抗老化过程中外界应力作用也越强。

2.2.2　抗张强度和撕裂度分析

图4为热压前后不同打浆度的绝缘纸抗张强度和撕裂度的对比。由图4(a)可知，打浆度对热压前后绝缘纸的抗张强度均有较大的影响，绝缘纸的抗张强度均随着打浆度的提高而升高，但提高幅度有所不同。在热压前，打浆度43 °SR的绝缘纸平均抗张强度只有9.37 kN/m，打浆度提高到55 °SR后，绝缘纸的抗张强度提高到11.8 kN/m；打浆度在50~70 °SR范围内，绝缘纸抗张强度呈现小幅增长趋势；当打浆度达到83 °SR时，绝缘纸的抗张强度可达15.8 kN/m。绝缘纸的抗张强度和纤维间的结合强度及纤维自身强度密切相关，纤维长度对绝缘纸抗张强度的影响较小。随着打浆度的提高，纤维的分丝帚化率不断提高，使得纤维间结合面积增加，纤维之间的氢键作用增强，从而使绝缘纸的机械性能提高。

图4  打浆度对热压前后绝缘纸的抗张强度和撕裂度的影响

Fig. 4  Effect of beating degree on the tensile strength and tear strength of insulating paper before and after hot pressing

不同打浆度热压后绝缘纸的平均抗张强度均比热压前有所提高，打浆度43 °SR热压后绝缘纸抗张强度提高至9.89 kN/m；打浆度83 °SR热压后绝缘纸的抗张强度达到17.5 kN/m，比热压前提高了10.6%左右，提高的幅度最大。经过热压处理，绝缘纸水分降低，减轻了水分对纤维素分子间氢键的破坏，绝缘纸结合强度提高。

图4(b)反映了打浆度对热压前后绝缘纸撕裂度的影响。在热压前，打浆度43 °SR绝缘纸撕裂度可以达到1 933 mN；随着打浆度增大，撕裂度有下降趋势，在打浆度为73 °SR左右时，绝缘纸撕裂度再次增大，可达2 150 mN；而在打浆度83 °SR时，绝缘纸撕裂度降低至1 702 mN。纤维长度是影响绝缘纸撕裂度的重要因素，撕裂度随纤维长度增加而增加[

15]。打浆度43 °SR绝缘纸纤维保留完好纤维长度较长，撕裂度大，随着打浆度的增加，纤维长度减小，撕裂度轻微下降。轻度打浆有利于提高纤维结合强度，有利于提高绝缘纸撕裂度；但打浆度过高，纤维细纤维化剧烈，细小纤维含量过多，会造成绝缘纸撕裂度降低。不同打浆度热压后绝缘纸撕裂度的整体变化趋势与热压前基本相同，但较热压前均有不同程度的增大，热压使绝缘纸水分降低，提高了纤维之间的氢键结合强度，纤维间结合力的增强在一定程度上提高了绝缘纸撕裂度。

2.2.3　透气度分析

图5反映了打浆度对热压前后绝缘纸透气度的影响。由图5可知，打浆度为43 °SR时，热压后绝缘纸透气度最高为0.065 μm/(Pa·s)，随着打浆度提高，透气度迅速下降，当打浆度高于73 °SR时，热压前后绝缘纸透气度均下降至0.003 μm/(Pa·s)以下。透气度反映了绝缘纸结构中孔隙的多少，在低打浆度43 °SR下，纤维平均长度和宽度较大，使得纤维挺度增加，纤维间的接触面积更少，纤维排列疏松，绝缘纸结构更为疏松，因此透气度较大。提高打浆程度会增加纤维分丝帚化程度，纤维之间的接触面积提高；同时，细小纤维含量也有所增加，纤维之间的孔隙被细小纤维填补，绝缘纸会变得更加致密，透气度降低。在绝缘纸使用过程中，低打浆度纤维孔隙大，电荷迁移阻力小，更易发生击穿；随打浆度增大，电荷迁移放电逐渐困难，击穿强度提高。提高打浆度，有利于绝缘纸使用期限的延长。

图5  打浆度对热压前后绝缘纸透气度的影响

Fig. 5  Effect of beating degree on the air permeability of insulating paper before and after hot pressing

2.3　打浆度对油纸绝缘材料电气性能的影响

2.3.1　击穿强度测试

图6(a)和与6(b)分别为不同打浆度下油纸绝缘材料在老化前的击穿强度和老化30天后的击穿强度，在威布尔分布中通常选择击穿概率为63.2%时（图中虚线）对应的数值来表征样品的击穿场强。在老化前，打浆度为43 °SR的油纸绝缘材料直流击穿强度的分散性高，这是因为打浆度低，纤维粗长，纤维结合差，导致纤维分散，纤维间孔隙多，油纸绝缘材料表面匀度和紧度均较差。在老化前，随着打浆度提高，不同打浆度油纸绝缘材料击穿强度值呈现先升高再降低的趋势，其中打浆度73 °SR的油纸绝缘材料击穿场强为最高，约为200 kV/mm，这是因为提高打浆度会使纤维交织性好，孔隙率小，油隙小，电荷迁移困难，击穿场强提高；但是，打浆度继续提高可能会使纤维产生部分损伤，电荷迁移形成小范围放电通道，致使击穿场强降低，因此打浆度为83 °SR的油纸绝缘材料的击穿场强降低为190 kV/mm，打浆度55和64 °SR油纸绝缘材料的击穿场强较为接近。

图6  油纸绝缘材料老化前和老化30天后的直流击穿强度

Fig. 6  DC breakdown strength of the oil paper insulation material before and after aging for 30 days

老化30天后，打浆度43 °SR油纸绝缘材料纤维整体损伤严重，油隙增大，形成较为通畅的放电通道，击穿强度降至较低水平且差异性减小，击穿概率为63.2%时的击穿场强剧降至150 kV/mm左右。打浆度为55~73 °SR的油纸绝缘材料老化后纤维结合能力降低，孔隙率增大，油纸绝缘材料击穿场强降至175 kV/mm左右，均有20 kV/mm及以上的降幅，尤其是打浆度73 °SR老化油纸绝缘材料的击穿场强下降最为明显，老化后仅为173 kV/mm。打浆度为83 °SR的油纸绝缘材料老化过程中纤维损失少，主要是由于受损纤维受外界作用力降解，高打浆度使纤维结合强度提高，老化后结合强度相对稳定，良好纤维保留率高，纤维间空隙少，在纤维出现损伤时油纸绝缘材料及时并充分浸渍纤维，减小气隙并改善电场分布，故击穿强度大致稳定，保持在190 kV/mm左右[

16]。综合来看，打浆度83 °SR油纸绝缘材料在老化过程中击穿性能具有更强的稳定性。

2.3.2　介电常数和介质损耗分析

图7(a)和图7(b)为不同打浆度下，老化前和老化30天后油纸绝缘材料的相对介电常数，图7(c)和图7(d)老化前和老化30天后油纸绝缘材料的介质损耗角正切值。相对介电常数常用于表征电介质在电场中的极化性质。降低油纸绝缘材料的相对介电常数，分担油纸绝缘材料中部分场强，更有利于绝缘系统的安全稳定运行。如图7(a)所示，在50 Hz附近，油纸绝缘材料在老化前最低相对介电常数（约为2.4）出现在打浆度为83 °SR。老化前不同打浆度油纸绝缘材料的相对介电常数随频率升高而降低，低频区呈现指数下降，打浆度大于64 °SR时，油纸绝缘材料相对介电常数远低于低打浆度油纸绝缘材料，这是因为打浆度升高，细纤维化程度增大，结合位点增多，油隙减少，阻碍了电场中电子和离子的运动，极化作用减弱，相对介电常数降低。如图7(b)所示，老化30天后，不同打浆度油纸绝缘材料的介电常数均比老化前有所上升，在50 Hz附近，打浆度为73 °SR的油纸绝缘材料经30天老化后，其相对介电常数最低，为2.7；打浆度为83 °SR油纸绝缘材料经30天老化后，其相对介电常数大约为2.9。高打浆度油纸绝缘材料的纤维结合强度仍然维持较高水平，极化作用在纤维素和绝缘油中受到的阻碍作用更强，因此，高打浆度油纸绝缘材料的绝缘性能优于低打浆度油纸绝缘材料。

图7  老化前和老化30天后油纸绝缘材料的相对介电常数和介质损耗角正切值

Fig. 7  Relative dielectric constant and dielectric loss angle’s tangent of the oil paper insulation material befor and after aging for 30 days

在电场作用下，由于电介质的电导和极化现象而存在的电导电流会引起损耗，即为介质损耗。介质损耗是造成系统温度过高进而导致油纸绝缘材料击穿的原因之一[

17]。介质损耗角正切值随打浆度变化的趋势与相对介电常数相似，不同打浆度差异相对较小，主要受油纸绝缘材料中金属离子的影响。如图7(c)和图7(d)所示，在50 Hz附近，打浆度为83 °SR油纸绝缘材料老化前后最低介质损耗角正切值均最低，老化前介质损耗角正切值仅0.006，老化30天后约为0.09。老化前，油纸绝缘材料打浆度越高，纤维润胀和分丝帚化程度高，有效阻碍电子和离子的运动，电导和极化作用减弱，同时打浆有利于暴露内部附着金属离子，抄纸过程具有重复清洗效果，去离子效果较好，故打浆度越高，油纸绝缘材料介质损耗越低，可避免系统温度过高对绝缘纸老化产生的不利影响；老化30天后，打浆度越高，氢键结合越强，油纸绝缘材料界面损耗越低。综合来看，高打浆度的油纸绝缘材料在老化过程中介电性能稳定性最好，在打浆度为83 °SR可以达到最佳效果。

3 结论

本研究选用云杉制得的绝缘浆及纸，对比打浆度对绝缘纸老化过程中微观结构与宏观性能的影响。

3.1 由纤维形态和形貌分析可知，绝缘纸老化过程中纤维间氢键断键，导致纤维长度减小，纤维折断率和细小纤维含量上升，纸张孔隙率增大；绝缘纸老化前打浆度越高，细小纤维含量越多；绝缘纸老化后高打浆度纤维损失小，细小纤维含量低，纤维结合强度高，绝缘纸聚合度更稳定。故高打浆度绝缘纸其纤维在变压器运行过程中老化稳定性更高。

3.2 提高打浆度，绝缘纸更加致密，孔隙率降低，透气度降低，有利于绝缘纸机械性能的提高，为老化过程提供更优良的强度保证。老化使油纸绝缘材料的相对介电常数和介质损耗角正切值上升，高打浆度下油纸绝缘材料的介电性能和击穿强度更好，打浆度为83°SR的油纸绝缘材料在老化过程中，具有更稳定的机械性能和电气性能，更有利于变压器的安全稳定运行。

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