周遠翔，聶 皓，張云霄，黃 欣

（1.清華大學 電機工程與應用電子技術系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084；2.新疆大學 電氣工程學院 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設備安全控制和仿真國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，各地區(qū)、各行業(yè)對電能的需求日益增加。而我國能源資源和用電負荷中心不均衡分布的特點，客觀上決定了我國必須實施跨區(qū)輸送，近年來交直流特高壓輸電工程的高速建設和發(fā)展正是解決這一問題的重要戰(zhàn)略方向。隨著特高壓交、直流電壓等級分別提高到1 000 kV和±800 kV水平，以電力變壓器為主的各類電氣設備的油紙絕緣問題備受關注。油紙復合絕緣中絕緣紙對復合結(jié)構(gòu)各方面的性能都具有重要影響，因此對絕緣紙的性能研究具有重要意義[1-5]。

絕緣紙的制造過程主要包括打漿、抄造、熱壓3個環(huán)節(jié)，其中打漿過程的主要目的是通過對經(jīng)過充分浸泡的原漿纖維施加機械作用力和流體剪切力來分散纖維束，改變纖維形態(tài)，對絕緣紙的力學性能和電氣性能有著重要影響。長期以來業(yè)內(nèi)都使用打漿度來衡量打漿程度，這一指標可以最直接地反映紙漿濾水的難易程度，單位是°SR，一般采用肖伯爾-瑞格勒儀進行測量。因為紙漿濾水的難易程度取決于纖維素長度、寬度和纖維形態(tài)等各種因素，所以一般情況下也使用打漿度從側(cè)面反映纖維素的狀態(tài)。

因為絕緣紙的制備工藝可能涉及到技術保密的情況，所以目前國內(nèi)外針對絕緣紙制備工藝，尤其是打漿過程的研究報道較少。針對打漿工藝的研究中，主要有基于打漿能耗預測打漿效果和基于物理作用力分析打漿效果的兩類理論。其中基于打漿能耗的理論主要有比邊緣負荷理論、比表面負荷理論和C因子理論[6]；基于物理作用力的理論有R J KEREKES[7]提出的打漿理論。R HOLLERTZ等[8]研究發(fā)現(xiàn)絕緣紙的緊度隨打漿度的增大存在飽和趨勢。文獻[9-10]研究表明，打漿會引起纖維表面化學成分、電荷量和結(jié)晶度等的變化，也會增加纖維的表面電荷量。文獻[11]研究表明，紙張的抗張強度會隨著打漿度的提高而迅速提高，但這種提高效果在打漿度達到一定程度后有所減弱。HUANG J W等[12]針對打漿度對絕緣紙性能的影響進行過研究。廖瑞金等[13]測試了不同打漿度絕緣紙的微觀形貌和陷阱參數(shù)，并建立模型分析了打漿度對絕緣紙各性能的影響機理。

打漿過程中影響打漿效果的主要有打漿時間和打漿壓力兩個參數(shù)，現(xiàn)有文獻大多數(shù)只研究打漿度對絕緣紙性能的影響[14-18]。而打漿時間和打漿壓力對打漿過程起到的效果和作用機理顯然是不同的，針對打漿過程中這兩個細化參數(shù)對絕緣紙性能的研究也鮮有報道。因此，基于打漿過程細化打漿時間和打漿壓力對絕緣紙性能影響的研究，對于探究打漿過程對絕緣紙的影響機理，進一步指導生產(chǎn)性能更加優(yōu)異的絕緣紙，提升油紙絕緣的安全穩(wěn)定性具有重要意義。

本研究利用實驗室搭建的絕緣紙制造平臺，分別制備不同打漿時間和不同打漿壓力的絕緣紙。對所得絕緣紙試樣的基礎理化特性、力學特性、電氣特性進行測試，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀測試樣的微觀形貌，討論不同打漿時間和打漿壓力造成的微觀形貌與絕緣紙性能之間的關系。

1 試驗

1.1 絕緣紙試樣制備

選取產(chǎn)自加拿大的針葉木紙漿，原始纖維長度均值為2.3 mm，寬度均值為29.2 μm，通過實驗室絕緣紙制備平臺制備試樣，步驟如下：①調(diào)節(jié)好打漿時間和打漿壓力參數(shù)，利用打漿機對事先浸泡12 h的原漿漿板進行疏解、打漿；②將打好的紙漿懸浮液轉(zhuǎn)移到抄造設備中，均勻混合后靜置脫水，得到濕紙張；③將濕紙張小心轉(zhuǎn)移至導熱性良好的銅網(wǎng)和銅板，利用熱壓設備進行熱壓，熱壓溫度為110℃，熱壓壓力為5 MPa，熱壓時間為10 min，得到干燥的絕緣紙；④將制備好的絕緣紙置于密封袋內(nèi)密封保存，以供后續(xù)試驗使用[19]。

除了打漿過程中打漿時間和打漿壓力兩個參數(shù)，制備過程中的其余工藝參數(shù)均保持一致，以保證試驗結(jié)果的可靠性。

1.2 絕緣油紙試樣制備

對于需要浸油處理的試樣，將制備好的絕緣紙裁剪成尺寸為100 mm×100 mm的小試樣，并置于105℃的真空干燥箱內(nèi)烘干24 h。浸油前，將經(jīng)過過濾、除水、除氣處理的變壓器油和絕緣紙加熱至90℃并抽真空排除紙和油中空氣。浸油時，將絕緣紙放入浸油裝置中抽真空，然后在真空狀態(tài)下通過連接的罐子將變壓器油抽到浸油裝置中，并保證容器處于真空狀態(tài)。真空浸油后，絕緣油紙試樣存放在密閉容器內(nèi)，并置于40℃的烘箱中，防止水分侵入和外界污染。

1.3 測試方法

（1）力學性能測試

拉伸強度和斷裂伸長率按照GB/T 22898—2008，采用Zwick Roell型萬能材料試驗機進行測試。根據(jù)標準規(guī)定，將絕緣紙裁剪成尺寸為200 mm×15 mm的試樣，測試時夾頭距離試樣兩端一定距離，夾持線初始距離為100 mm，拉伸速率為100 mm/min。對每種試樣測量5次，結(jié)果取平均值。

（2）體積電阻率測量

采用實驗室自行搭建的測量系統(tǒng)通過三電極法測量試樣的體積電阻率，通過Keithley 6517A型靜電計施加1 kV/mm的直流場強，由內(nèi)置的pA安培計檢測流經(jīng)試樣內(nèi)部的電流，每0.5 s讀取一次電流值，600 s后認為電流穩(wěn)定，一共采集1 200個數(shù)據(jù)點。計算體積電阻率時，取最后100個點的平均值作為該次測試結(jié)果，每種試樣共測量3次取平均值。

（3）擊穿特性測試

擊穿特性按照GB/T 1408.1—2016進行測試，試樣尺寸為5 cm×5 cm，電極選取直徑為25 mm的對稱不銹鋼圓柱電極。試驗前，為減少水分對擊穿電壓的影響，先將試樣置于溫度為105℃的干燥箱中烘干1 h以上，冷卻至室溫后立即進行測試。每種試樣測量10次，取平均值作為最終結(jié)果，并作出箱型分布圖[20-22]。

2 不同打漿時間絕緣紙的試驗結(jié)果

2.1 基礎理化特性

不同打漿時間絕緣紙的基礎理化特性如表1所示。從表1可以看出，隨著打漿時間的增加，絕緣紙的打漿度、緊度均不斷增大，但增速逐步減緩，當打漿時間為0～16 min時，緊度增幅較大，之后便迅速趨于飽和。隨著打漿時間的增加，厚度均勻度正負偏差總體上有所降低。與不打漿的絕緣紙相比，不同打漿時間下制備的絕緣紙含水率均有所下降，但沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

2.2 力學特性

絕緣紙的力學特性主要通過拉伸強度和斷裂伸長率兩個指標來衡量，測試結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，隨著打漿時間從0 min增加到16 min，絕緣紙的拉伸強度從50.5 MPa增大到105.1 MPa，斷裂伸長率從1.70%增大到3.48%，兩個指標都增長將近一倍。此后隨著打漿時間的繼續(xù)增加，拉伸強度和斷裂伸長率仍繼續(xù)增長，但增速大幅降低并逐步趨于穩(wěn)定。

表1 不同打漿時間絕緣紙的基礎理化性能Tab.1 Physical and chemical properties of insulating paper with different pulp refining time

圖1 不同打漿時間絕緣紙的拉伸強度和斷裂伸長率Fig.1 Tensile strength and elongation at break of insulating paper with different pulp refining time

2.3 電導特性

絕緣紙的電導特性通過體積電阻率來衡量，體積電阻率通過穩(wěn)定時的電導電流計算得到，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同打漿時間絕緣紙的體積電阻率Fig.2 Volume resistivity of insulating paper with different pulp refining time

由圖2可以看出，絕緣紙的體積電阻率在1.67×1014～2.04×1014Ω·m波動，與打漿時間之間沒有明顯的變化規(guī)律。不打漿的絕緣紙電導率最大，達到2.04×1014Ω·m，當打漿時間為26 min時，絕緣紙的電導率最小，為1.67×1014Ω·m。

2.4 電氣強度

本次實驗主要對絕緣紙和油紙絕緣的交流擊穿特性進行測量，結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 不同打漿時間絕緣紙的交流電氣強度Fig.3 AC electric strength of insulating paper with different pulp refining time

圖4 不同打漿時間油紙絕緣的交流電氣強度Fig.4 AC electric strength of oil-paper insulation with different pulp refining time

從圖3～4可以看出，絕緣紙和油紙絕緣的交流擊穿特性隨打漿時間的增加呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即隨著打漿時間的增加，電氣強度不斷提高，但增速也逐步減緩并趨于穩(wěn)定。

3 不同打漿壓力絕緣紙的試驗結(jié)果

3.1 基礎理化特性

不同打漿壓力絕緣紙的基礎理化特性如表2所示。從表2可以看出，隨著打漿壓力的增加，絕緣紙的打漿度逐步增大，在打漿壓力較小時增幅較小，打漿壓力越大打漿度的增幅越大。同時隨著打漿壓力的增加，絕緣紙的緊度不斷增大且趨于飽和。除了2.7 kg打漿壓力外，隨著打漿壓力的增加厚度均勻度正負偏差總體上降低。與不打漿的絕緣紙相比，不同打漿壓力下制備的絕緣紙含水率均有所下降，但沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

表2 不同打漿壓力絕緣紙的基礎理化性能Tab.2 Physical and chemical properties of insulating paper with different pulp refining pressure

3.2 力學特性

圖5為不同打漿壓力絕緣紙的拉伸強度和斷裂伸長率測試結(jié)果。

圖5 不同打漿壓力絕緣紙的拉伸強度和斷裂伸長率Fig.5 Tensile strength and elongation at break of insulating paper with different pulp refining pressure

從圖5可以看出，隨著打漿壓力的增加，絕緣紙的拉伸強度和斷裂伸長率均不斷增大。隨著打漿壓力從0 kg增大到2.2 kg，絕緣紙的拉伸強度從62.3 MPa增大到109.2 MPa，增幅達75.3%，斷裂伸長率也從3.06%增大到3.48%。當打漿壓力大于2.2 kg后，拉伸強度和斷裂伸長率的增速都逐步減緩并趨于穩(wěn)定。

3.3 電導特性

圖6是不同打漿壓力絕緣紙的體積電阻率。由圖6可以看出，與打漿時間對絕緣紙電導特性的影響不同，隨著打漿壓力從0 kg增到2.7 kg，絕緣紙的體積電阻率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，并在打漿壓力達到2.7 kg后趨于穩(wěn)定。

圖6 不同打漿壓力絕緣紙的體積電阻率Fig.6 Volume resistivity of insulating paper with different pulp refining pressure

3.4 電氣強度

圖7、圖8是不同打漿壓力絕緣紙和油紙絕緣的交流擊穿特性。

圖7 不同打漿壓力絕緣紙的交流電氣強度Fig.7 AC electric strength of insulating paper with different pulp refining pressure

圖8 不同打漿壓力油紙絕緣的交流電氣強度Fig.8 AC electric strength of oil-paper insulation with different pulp refining pressure

由圖7～8可以看出，隨著打漿壓力的增加，絕緣紙和油紙絕緣的交流電氣強度呈現(xiàn)出較好的線性增長趨勢，且在打漿壓力達到3.2 kg時，仍未出現(xiàn)減緩趨勢，此時打漿度為62°SR。

4 分析與討論

為進一步對試驗結(jié)果進行分析和討論，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測了不同打漿時間和打漿壓力絕緣紙的微觀形貌，放大倍率為1 000倍，結(jié)果如圖9～10所示。

圖9 不同打漿時間絕緣紙的微觀形貌Fig.9 Morphological properties of insulating paper with different pulp refining time

圖10 不同打漿壓力絕緣紙的微觀形貌Fig.10 Morphological properties of insulating paper with different pulp refining pressure

從圖9可以看出，當打漿時間為16 min時，絕緣紙纖維仍較寬，纖維分絲帚化程度較低，整體呈現(xiàn)出較為光滑的狀態(tài)，孔洞也較多。隨著打漿時間增加到22 min和26 min，絕緣紙纖維的寬度明顯變窄，纖維邊緣出現(xiàn)了稠密的細絲，彼此之間的連接更緊密。可以看出，隨著打漿時間的不斷增加，纖維邊緣和端部分絲帚化率不斷提高，細小纖維也不斷增多，纖維之間空缺的孔洞也不斷減少，纖維之間的連接更為緊密。纖維分絲帚化率的不斷提高和細小纖維的增多使得纖維之間的交疊程度更高，細小纖維之間由于靜電作用彼此的連接作用力更強，纖維連接更為緊密，導致電荷在纖維之間的移動更困難[13]，因此拉伸強度和電氣強度更高。但隨著打漿時間增加到29 min，部分纖維呈現(xiàn)出受損的現(xiàn)象，纖維受損帶來的單體纖維強度減小和纖維之間連接力增加的效果逐步抵消，因此絕緣紙拉伸強度的增強效果隨著打漿時間的增加逐步減弱。這一現(xiàn)象與黃建文和廖瑞金等的研究結(jié)果一致[12-13,23]。

從圖10可以看出，不同打漿壓力絕緣紙的微觀形貌呈現(xiàn)出的情況與不同打漿時間絕緣紙的情況相似，當打漿壓力較低時，絕緣紙纖維較寬，分絲帚化程度較低，整體較為光滑。隨著打漿壓力的增加，絕緣紙纖維的寬度呈現(xiàn)出變窄的趨勢，纖維分絲帚化率不斷提高，細小纖維增多，纖維之間的連接更為緊密。當打漿壓力過大時有部分纖維呈現(xiàn)出受損的現(xiàn)象，但相比打漿時間的受損程度要相對輕微。不過隨著打漿壓力的增加，可以看出絕緣紙纖維的分絲帚化程度更加明顯，細小纖維也更多。打漿時間和打漿壓力對絕緣紙纖維微觀形貌作用的相似性解釋了二者對絕緣紙力學性能影響的相似性，即絕緣紙的力學性能隨著打漿時間和打漿壓力的增加而提高，但增速不斷減小且到一定程度后趨于穩(wěn)定。對比打漿時間和打漿壓力帶來的纖維形態(tài)的變化，可以看出打漿壓力的增加對于纖維寬度的減少效果相比打漿時間的影響更為明顯，同時纖維邊緣和端部的分絲帚化效果也更強。

此外，由表1和表2可知，打漿壓力為2.7 kg的絕緣紙（打漿度為33°SR）與打漿時間為22 min的絕緣紙（打漿度為31°SR）的打漿度幾近相同，但前者的交流電氣強度約為10 kV/mm，后者的交流電氣強度約為16 kV/mm，可見打漿度相同時，打漿時間和打漿壓力不同的絕緣紙電氣性能也存在差異。這是由于，打漿壓力為2.7 kg的絕緣紙纖維相比打漿時間為22 min的絕緣紙纖維更寬，同時分絲帚化程度也更低。根據(jù)文獻[13,24]研究表明，在中等打漿度區(qū)域，絕緣紙纖維越細，分絲帚化程度越高，纖維之間連接越緊密，則電荷在纖維之間的遷移更加困難，因此電氣強度更高。

5 結(jié)論

（1）在理化特性方面，打漿度、緊度、均勻度和打漿時間與打漿壓力關系密切，隨著打漿時間和打漿壓力的增加，打漿度、緊度和均勻度都不斷提升，且逐步趨于穩(wěn)定。

（2）在力學特性方面，絕緣紙的拉伸強度和斷裂伸長率隨著打漿時間和打漿壓力的增加而不斷增強，但增速不斷降低，達到一定程度趨于穩(wěn)定。

（3）隨著打漿時間的增加，絕緣紙的電氣強度不斷提高且逐漸趨于穩(wěn)定；而絕緣紙的電氣強度與打漿壓力呈現(xiàn)出較好的線性關系，且在試驗的打漿壓力范圍內(nèi)未出現(xiàn)減緩趨勢。

（4）通過SEM觀測絕緣紙的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，打漿時間和打漿壓力在微觀形貌層面對絕緣紙纖維的作用類似，在打漿時間和打漿壓力較低時，纖維較寬較光滑，分絲帚化率低；隨著打漿時間和打漿壓力的增加，纖維逐漸變窄變皺，分絲帚化率提升，纖維之間連接更為緊密。但打漿時間和打漿壓力達到一定程度后，纖維出現(xiàn)部分受損的情況。

（5）打漿度相同，但打漿時間和打漿壓力不同的絕緣紙電氣強度不同。這是因為盡管打漿度的相同，但打漿壓力和打漿時間的不同也可能造成絕緣紙纖維的粗細長短、分絲帚化程度不同，從而導致電荷在纖維間的遷移難度不同，造成電氣強度的差異。