一種基于納米改性的非線性絕緣紙板及其制備方法
【專利摘要】一種基于納米改性的非線性絕緣紙板及其制備方法，本發明涉及一種絕緣紙板，它為了解決現有絕緣紙板電導率與變壓器油相差較大，導致絕緣紙板中的電場高度集中的問題。該非線性絕緣紙板由1000份濃縮紙漿和10～15份非線性功能填料制成，其中非線性功能填料由納米碳化硅、納米蒙脫土、碳納米管、碳纖維和納米氧化鋅組成。制備方法：一、將紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，濃縮處理得到濃縮紙漿；二、將濃縮紙漿和非線性功能填料在混漿機混勻，然后成型濕紙，最后經真空脫水、熱壓得到非線性絕緣紙板。本發明制備得到的非線性絕緣紙板在15kV/mm以下電場中的電導率大于10-14S/m，介電常數不大于3.5。
【專利說明】一種基于納米改性的非線性絕緣紙板及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種絕緣紙板，具體涉及一種非線性絕緣紙板及其制備方法。
【背景技術】
[0002]換流變壓器作為直流輸電系統的核心器件，其可靠性直接影響整個系統的安全運行。換流變壓器的內絕緣普遍采用油紙復合絕緣結構，其中絕緣紙板起到分割油隙和承擔電壓的雙重作用。
[0003]運行中的換流變壓器除了要承受交流電壓、操作及雷電沖擊過電壓外，還要承受直流電壓、交流疊加直流以及極性反轉電壓的作用，其內部的電場分布較為復雜。
[0004]在交流電壓作用下，油和紙板中的電場分布與其介電常數呈反比，而在直流電壓下，油和紙板中的電場分布與其電導率呈反比，而絕緣紙板電導率比變壓器油的電導率低1-3個數量級，且受場強、溫度、含水率等因素的影響，變化幅度較大，難以與變壓器油的電導率相匹配。此外，直流電場作用下，因油紙電導率相差較大，故油中流過的離子電流要大于紙板中流過的，造成油紙界面的電荷積累，形成界面空間電荷，從而導致在直流電壓分量作用下，絕緣紙板中的電場高度集中，嚴重時可能導致換流變壓器內部絕緣的異常放電甚至擊穿。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決換流變壓器油紙絕緣結構中，由于絕緣紙板電導率與變壓器油相差較大，油紙界面空間電荷積聚嚴重，導致絕緣紙板中的電場高度集中的問題，而提供一種基于納米改性的非線性絕緣紙板及其制備方法。
[0006]本發明基于納米改性的非線性絕緣紙板是按質量份數由1000份濃縮紙漿和10?15份非線性功能填料制成，其中非線性功能填料按質量份數由3?6份的納米碳化硅、I?8份的納米蒙脫土、0.5?1.5份的碳納米管、0.5?1.5份的碳纖維和0.5?I份的納米氧化鋅組成。
[0007]本發明基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法按下列步驟實現:
[0008]一、將紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，然后利用疏解機進行疏解處理，再將疏解處理后的紙漿的濃度濃縮至4.3%?4.8%，得到濃縮紙漿；
[0009]二、按濃縮紙漿和非線性功能填料的質量份數比為1000: (10?15)向步驟一得到的濃縮紙漿中加入非線性功能填料，經混漿機混合均勻后放入濕紙坯成型器中成型濕紙，成型后的濕紙坯利用真空進行脫水，在水分達到40%?50%時取出濕紙坯，濕紙坯送入熱壓機中熱壓制成含水量為15%?20%的含水紙板，最后對含水紙板進行真空干燥得到基于納米改性的非線性絕緣紙板；
[0010]其中步驟二所述的非線性功能填料按質量份數由3?6份的納米碳化硅、I?8份的納米蒙脫土、0.5?1.5份的碳納米管、0.5?1.5份的碳纖維和0.5?I份的納米氧化鋅組成。
[0011]本發明采用多種非線性功能填料復配，充分發揮各功能填料的協同效應，制備得到的電導非線性絕緣紙板在15kV/_以下電場中的電導率大于10_14s/m，最大非線性系數不小于3，介電常數不大于3.5，交流擊穿場強不小于50kV/mm，直流擊穿場強不小于200kV/_。本發明制備得到的非線性絕緣紙板的電導率提高，降低了介電常數，縮小與變壓器油電導率、介電常數的差距，從而使電場得到均化，避免了電場的高度集中，該非線性絕緣紙板主要應用于換流變壓器出線裝置中。
【具體實施方式】
[0012]【具體實施方式】一:本實施方式基于納米改性的非線性絕緣紙板是按質量份數由1000份濃縮紙漿和10?15份非線性功能填料制成，其中非線性功能填料按質量份數由3?6份的納米碳化娃、I?8份的納米蒙脫土、0.5?1.5份的碳納米管、0.5?1.5份的碳纖維和0.5?I份的納米氧化鋅組成。
[0013]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是所述的濃縮紙漿是按下列步驟制備的:將紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，然后利用疏解機進行疏解處理，再將疏解處理后的紙漿的濃度濃縮至4.3%?4.8%，得到濃縮紙漿。
[0014]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是納米碳化硅的粒徑為1nm?10nm,碳納米管為直徑5nm?80nm、管長I μ m?15 μ m的單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管，蒙脫土的粒徑為200?400目，納米氧化鋅的粒徑為10?lOOnm，碳纖維的直徑為3?7 μ m,長度為600?800 μ m。
[0015]【具體實施方式】四:本實施方式基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法按下列步驟實施:
[0016]一、將紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，然后利用疏解機進行疏解處理，再將疏解處理后的紙漿的濃度濃縮至4.3%?4.8%，得到濃縮紙漿；
[0017]二、按濃縮紙漿和非線性功能填料的質量份數比為1000: (10?15)向步驟一得到的濃縮紙漿中加入非線性功能填料，經混漿機混合均勻后放入濕紙坯成型器中成型濕紙，成型后的濕紙坯利用真空進行脫水，在水分達到40%?50%時取出濕紙坯，濕紙坯送入熱壓機中熱壓制成含水量為15%?20%的含水紙板，最后對含水紙板進行真空干燥得到基于納米改性的非線性絕緣紙板；
[0018]其中步驟二所述的非線性功能填料按質量份數由3?6份的納米碳化硅、I?8份的納米蒙脫土、0.5?1.5份的碳納米管、0.5?1.5份的碳纖維和0.5?I份的納米氧化鋅組成。
[0019]本實施方式步驟一所述的濃縮紙漿為電工級未漂針葉木材硫酸鹽紙漿，其主要成分為由葡萄糖基所組成的聚合度為200?2000的鏈狀高聚合碳氫化合物。
[0020]本實施方式所用原料均為市售產品，非線性功能填料均為納米材料，由于納米材料顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大，具有獨特的量子尺寸效應、表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。
[0021]本實施方式步驟一濃縮紙漿的濃度濃縮至4.3%?4.8%，其中的濃度是指紙漿纖維的質量分數。
[0022]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】四不同的是步驟一紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，磨漿至漿料的叩解度達到30-40° SR。其它步驟及參數與【具體實施方式】四相同。
[0023]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】四或五不同的是步驟一利用疏解機進行疏解處理，其中疏解處理是以2900±100r/min的轉速疏解15?25min。其它步驟及參數與【具體實施方式】四或五相同。
[0024]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】四至六之一不同的是步驟二濕紙坯送入熱壓機中熱壓，其中熱壓的條件是以15?20MPa的壓力壓制10?20min。其它步驟及參數與【具體實施方式】四至六之一相同。
[0025]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】四至七之一不同的是步驟二對含水紙板進行真空干燥的過程是在真空度為0.0lMPa的真空干燥箱內以90°C?110°C的溫度進行真空干燥。其它步驟及參數與【具體實施方式】四至七之一相同。
[0026]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】四至八之一不同的是納米碳化硅的粒徑為1nm?10nm,碳納米管為直徑5nm?80nm、管長I μ m?15 μ m的單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管,蒙脫土的粒徑為200?400目，納米氧化鋅的粒徑為10?10nm,碳纖維的直徑為3?7 μ m，長度為600?800 μ m。其它步驟及參數與【具體實施方式】四至八之一相同。
[0027]實施例一:本實施例基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法按下列步驟實施:
[0028]一、將紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，使漿料的叩解度達到30° SR，然后利用疏解機進行疏解處理，再將疏解處理后的紙漿的濃度濃縮至4.5%，得到濃縮紙漿；
[0029]二、按濃縮紙漿和非線性功能填料的質量份數比為1000: 10向步驟一得到的濃縮紙漿中加入非線性功能填料，經混漿機混合均勻后放入濕紙坯成型器中成型濕紙，成型后的濕紙坯利用真空進行脫水，在水分達到45%時取出濕紙坯，濕紙坯送入熱壓機中熱壓制成含水量為20%的含水紙板，最后對含水紙板進行真空干燥得到基于納米改性的非線性絕緣紙板；
[0030]其中步驟二所述的非線性功能填料按質量份數由3份的納米碳化硅、6份的納米蒙脫土、I份的碳納米管、0.5份的碳纖維和0.5份的納米氧化鋅組成。
[0031]本實施例中納米碳化娃的粒徑為40nm?60nm,碳納米管為直徑1nm?20nm、管長5μπι?15 μ m的雙壁碳納米管，蒙脫土的粒徑為200?400目，納米氧化鋅的粒徑為40?60nm,碳纖維的直徑為3?7 μ m,長度為600?800 μ m。
[0032]本實施例制備得到的電導非線性絕緣紙板在15kV/_以下電場中的電導率不小于2.3*10_14S/m，最大非線性系數為3.2，介電常數為2.7，交流擊穿場強為70kV/mm，直流擊穿場強為223kV/mm。該非線性絕緣紙板的介電常數比油的介電常數大一倍，且介電常數不隨場強、溫度等外界因素的變化而變化，因此電場分布相對均勻。
[0033]實施例二:本實施例與實施例一不同的是步驟二所述的非線性功能填料按質量份數由5份的納米碳化硅、2份的納米蒙脫土、I份的碳納米管、I份的碳纖維和I份的納米氧化鋅組成。
[0034]本實施例制備得到的電導非線性絕緣紙板在15kV/_以下電場中的電導率不小于1.2*10_13S/m，最大非線性系數為6.1，介電常數為3.2，交流擊穿場強為53kV/mm，直流擊穿場強為202kV/mm。
[0035]實施例三:本實施例基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法按下列步驟實施:
[0036]一、將紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，使漿料的叩解度達到40° SR，然后利用疏解機進行疏解處理，再將疏解處理后的紙漿的濃度濃縮至4.5%，得到濃縮紙漿；
[0037]二、按濃縮紙漿和非線性功能填料的質量份數比為1000: 12向步驟一得到的濃縮紙漿中加入非線性功能填料，經混漿機混合均勻后放入濕紙坯成型器中成型濕紙，成型后的濕紙坯利用真空進行脫水，在水分達到50%時取出濕紙坯，濕紙坯送入熱壓機中熱壓制成含水量為20%的含水紙板，最后對含水紙板進行真空干燥得到基于納米改性的非線性絕緣紙板；
[0038]其中步驟二所述的非線性功能填料按質量份數由4份的納米碳化硅、4份的納米蒙脫土、1.5份的碳納米管、1.5份的碳纖維和0.5份的納米氧化鋅組成。
[0039]本實施例制備得到的電導非線性絕緣紙板在15kV/_以下電場中的電導率不小于7.l*10_14S/m，最大非線性系數為4.4，介電常數為2.9，交流擊穿場強為61kV/mm，直流擊穿場強為216kV/mm。
【權利要求】
1.一種基于納米改性的非線性絕緣紙板，其特征在于該基于納米改性的非線性絕緣紙板是按質量份數由1000份濃縮紙漿和10?15份非線性功能填料制成，其中非線性功能填料按質量份數由3?6份的納米碳化硅、I?8份的納米蒙脫土、0.5?1.5份的碳納米管、0.5?1.5份的碳纖維和0.5?I份的納米氧化鋅組成。
2.根據權利要求1所述的一種基于納米改性的非線性絕緣紙板，其特征在于所述的濃縮紙漿是按下列步驟制備的:將紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，然后利用疏解機進行疏解處理，再將疏解處理后紙漿的濃度濃縮至4.3%?4.8%，得到濃縮紙漿。
3.根據權利要求1所述的一種基于納米改性的非線性絕緣紙板，其特征在于納米碳化娃的粒徑為1nm?10nm,碳納米管為直徑5nm?80nm、管長I μ m?15 μ m的單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管，蒙脫土的粒徑為200?400目，納米氧化鋅的粒徑為10?10nm,碳纖維的直徑為3?7 μ m,長度為600?800 μ m。
4.一種基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法，其特征在于是按下列步驟實施: 一、將紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，然后利用疏解機進行疏解處理，再將疏解處理后的紙漿的濃度濃縮至4.3%?4.8%，得到濃縮紙漿； 二、按濃縮紙漿和非線性功能填料的質量份數比為1000: (10?15)向步驟一得到的濃縮紙漿中加入非線性功能填料，經混漿機混合均勻后放入濕紙坯成型器中成型濕紙，成型后的濕紙坯利用真空進行脫水，在水分達到40%?50%時取出濕紙坯，濕紙坯送入熱壓機中熱壓制成含水量為15%?20%的含水紙板，最后對含水紙板進行真空干燥得到基于納米改性的非線性絕緣紙板； 其中步驟二所述的非線性功能填料按質量份數由3?6份的納米碳化硅、I?8份的納米蒙脫土、0.5?1.5份的碳納米管、0.5?1.5份的碳纖維和0.5?I份的納米氧化鋅組成。
5.根據權利要求4所述的一種基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法，其特征在于步驟一紙板通過碎漿機碎解后送至磨漿機磨漿，磨漿至漿料的叩解度達到30-40° SR。
6.根據權利要求4所述的一種基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法，其特征在于步驟一利用疏解機進行疏解處理，其中疏解處理是以2900±100r/min的轉速疏解15?25min。
7.根據權利要求4所述的一種基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法，其特征在于步驟二濕紙坯送入熱壓機中熱壓，其中熱壓的條件是以15?20MPa的壓力壓制10?20mino
8.根據權利要求4所述的一種基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法，其特征在于步驟二對含水紙板進行真空干燥的過程是在真空度為0.0lMPa的真空干燥箱內以90°C?110°C的溫度進行真空干燥。
9.根據權利要求4所述的一種基于納米改性的非線性絕緣紙板的制備方法，其特征在于納米碳化娃的粒徑為1nm?10nm,碳納米管為直徑5nm?80nm、管長I μ m?15 μ m的單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管，蒙脫土的粒徑為200?400目，納米氧化鋅的粒徑為10?10nm,碳纖維的直徑為3?7 μ m,長度為600?800 μ m。
【文檔編號】D21H27/12GK104131494SQ201410366148
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】陳慶國, 劉賀千, 池明赫, 王新宇, 魏新勞, 王永紅 申請人:哈爾濱理工大學