本發(fā)明涉及一種換流變壓器絕緣材料，具體涉及一種提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法。

背景技術：

換流變壓器是高壓直流輸電系統(tǒng)中的關鍵設備，其絕緣狀態(tài)在很大程度上影響著直流輸電系統(tǒng)可靠性。換流變壓器以油紙復合絕緣為主要絕緣材料，其閥側繞組承受交流、直流及脈沖電壓的共同作用，在直流電場作用下，油紙絕緣內(nèi)部會產(chǎn)生空間電荷，從而導致介質內(nèi)部局部電場畸變。絕緣紙是油紙絕緣的重要組成部分，目前，設備中使用最為廣泛的仍然是天然纖維素絕緣紙。電力工業(yè)的發(fā)展對絕緣紙的各項性能提出了更高要求，尤其是直流空間電荷特性。

納米ZnO材料質量輕、顏色淺、可塑性強，對聚合物材料改性效果明顯，研究顯示，用納米ZnO粒子與聚乙烯共混，能夠改善聚乙烯基塑料的機械性能、介電性能、空間電荷特性以及抗光老化性能。

納米改性效果很大程度上是由改性材料的界面性質所決定的，與納米材料在改性材料基體中的分散程度密切相關。但是，由于納米粒子的表面能很高，在基體材料中容易發(fā)生團聚，形成二次粒子，同時難以被有機相浸潤、分散穩(wěn)定性差，都會影響納米復合物的性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法，通過納米ZnO粒子的改性，提高絕緣紙的絕緣性能，加速絕緣紙空間電荷的消散，從而提升絕緣紙空間電荷特性。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

1)制備紙漿懸濁液：用去離子水解離經(jīng)去離子水浸泡的漿板，打漿至15-95°SR打漿度，得紙漿懸濁液；

2)改性納米ZnO溶液制備：對分散于硅烷偶聯(lián)劑無水乙醇溶液中的納米ZnO超聲0.5-2h；

3)納米ZnO與紙漿共混：將步驟1)和步驟2)制得的物料混合，以300-1200r/min的速率攪拌10-60min制按質量百分比計的含1-7％的ZnO的紙漿；

4)絕緣紙的成型及壓光：于步驟3)所得混合液中加入4-6L去離子水，攪拌，靜置5-30min，紙漿過濾，加熱和真空抽濾5-10min得成型紙張，密閉12-72h，壓光。

所述的提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法的第一優(yōu)選技術方案，步驟1)所述打漿前，將漿料分解為1cm×1cm×1cm的塊，疏解5-12min。

所述的提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法的第二優(yōu)選技術方案，步驟1)所述打漿度為60°SR。

所述的提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法的第三優(yōu)選技術方案，步驟1)所述解離為解離1200～1500轉時待紙漿下沉后再解離，重復操作8～15次。

所述的提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法的第四優(yōu)選技術方案，步驟2)所述硅烷偶聯(lián)劑為KH-550。

所述的提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法的第五優(yōu)選技術方案，步驟3)所述納米ZnO質量為紙漿總質量的1-5％。

所述的提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法的第六優(yōu)選技術方案，步驟3)所述納米ZnO質量為紙漿總質量的4％。

所述的提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法的第七優(yōu)選技術方案，步驟4)所述成型的溫度為100～120℃。

所述的提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法的第八優(yōu)選技術方案，所述成型的溫度為105℃。

所述的提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法的第九優(yōu)選技術方案，步驟4)所述壓光壓強為4-4.5MPa。

與最接近的現(xiàn)有技術比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1)本發(fā)明纖維素絕緣紙通過納米ZnO粒子的改性，其絕緣性能明顯提升，ZnO為半導體材料，可加速絕緣紙空間電荷的消散，從而提升絕緣紙空間電荷特性；

2)本發(fā)明通過對納米ZnO粒子進行表面改性，提高納米粒子在與紙漿混合溶液中的分散度，不會納米氧化鋅發(fā)生團聚，更有利于其與纖維素之間形成較為有效的界面區(qū)；

3)本發(fā)明改性絕緣紙配方簡單、納米填料成本低、工藝易于操作。

附圖說明

圖1：ZnO改性紙浸漬絕緣油在30kV/mm場強下的加壓空間電荷分布情況；

圖2：ZnO改性紙浸漬絕緣油在30kV/mm場強下的去壓空間電荷分布情況；

圖3：ZnO改性紙浸漬絕緣油在30kV/mm場強下的瞬時去壓空間電荷量情況；

其中：(a)為ZnO含量為1％樣品的測試結果，用Pz-1表示；

(b)為ZnO含量為4％樣品的測試結果，用Pz-4表示。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明專利進一步說明。

實施例1

一種提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法，步驟如下：

1)制備紙漿懸濁液：稱取漿板550g，放入一個裝有6L去離子水的干凈容器中浸泡4小時后，先向打漿機的水槽內(nèi)加入6L去離子水。將漿料撕成1cm×1cm×1cm的小塊放入水槽中，開始疏解，時間控制8分鐘后開始打漿。定期用肖伯氏打漿度儀測量打漿度。待漿料的打漿度到60°SR時停止打漿，打漿結束后，用特制的布袋接住紙漿，然后將紙漿中的水分慢慢擠出，得到打漿后的紙漿。將紙漿放入到密封的塑料袋中平衡水分。

稱取濕漿的重量22g，放入解離器中，加入去離子水到解離器三分之一至三分之二的位置。開始解離，在計數(shù)器轉數(shù)顯示1300轉時，停止解離，等所有紙漿都下沉后再啟動解離器進行解離，重復操作12次。

2)改性納米ZnO溶液制備：在攪拌下，將2g納米ZnO加入500ml的含0.2gKH-550硅烷偶聯(lián)劑的無水乙醇溶液中，超聲1h，得改性納米ZnO溶液；

3)納米ZnO與紙漿共混：取適量的紙漿混濁液與納米ZnO溶液混合，以600r/min的速率攪拌30min，肉眼觀察混合漿料中無明顯聚集的紙漿纖維和分層現(xiàn)象，所述納米ZnO質量占其與紙漿總質量的1％。

4)絕緣紙的成型及壓光：將混合后的纖維與納米ZnO的混合溶液倒入貯漿室。加入6L去離子水，用勻漿板上下攪動漿料幾次，使得漿料在貯漿室分布均勻，靜止15分鐘，觀察纖維在混合溶液中沒有明顯的運動后，開始濾水，紙漿被濾網(wǎng)過濾在表面，就形成了濕紙。采用紙樣成型器的真空熱壓部分進行加熱，將溫度設定為105℃以上。待溫度升高到105℃后，將兩面都鋪有白布的濕紙放入到真空烘干器中，對樣品進行加熱和真空抽濾。干燥6分鐘后將絕緣紙拿出，稱量放入到樣品袋中備用。

紙張成型后，將其放入到密閉的樣品袋中，放置24小時讓其自行平衡水分。采用平板硫化機進行壓光，紙張為圓片，面積0.0314m²，壓光壓強為4.5MPa，最終得到成品紙張。

實施例2

一種提升直流空間電荷特性改性絕緣紙的制備方法，步驟如下：

1)制備紙漿懸濁液：稱取漿板550g，放入一個裝有6L去離子水的干凈容器中浸泡4小時后，先向打漿機的水槽內(nèi)加入6L去離子水。將漿料撕成1cm×1cm×1cm的小塊放入水槽中，開始疏解，時間控制8分鐘后開始打漿。定期用肖伯氏打漿度儀測量打漿度。待漿料的打漿度到60°SR時停止打漿，打漿結束后，用特制的布袋接住紙漿，然后將紙漿中的水分慢慢擠出，得到打漿后的紙漿。將紙漿放入到密封的塑料袋中平衡水分。

稱取濕漿的重量22g，放入解離器中，加入去離子水到解離器三分之一至三分之二的位置。開始解離，在計數(shù)器轉數(shù)顯示1300轉時，停止解離，等所有紙漿都下沉后再啟動解離器進行解離，重復操作12次。

2)改性納米ZnO溶液制備：在攪拌下，將2g納米ZnO加入500ml的含0.2gKH-550硅烷偶聯(lián)劑的無水乙醇溶液中，超聲1h，得改性納米ZnO溶液；

3)納米ZnO與紙漿共混：取適量的紙漿混濁液與納米ZnO溶液混合，以600r/min的速率攪拌30min，肉眼觀察混合漿料中無明顯聚集的紙漿纖維和分層現(xiàn)象，所述納米ZnO質量占其與紙漿總質量的4％。

4)絕緣紙的成型及壓光：將混合后的纖維與納米ZnO的混合溶液倒入貯漿室。加入6L去離子水，用勻漿板上下攪動漿料幾次，使得漿料在貯漿室分布均勻，靜止15分鐘，觀察纖維在混合溶液中沒有明顯的運動后，開始濾水，紙漿被濾網(wǎng)過濾在表面，就形成了濕紙。采用紙樣成型器的真空熱壓部分進行加熱，將溫度設定為105℃以上。待溫度升高到105℃后，將兩面都鋪有白布的濕紙放入到真空烘干器中，對樣品進行加熱和真空抽濾。干燥6分鐘后將絕緣紙拿出，稱量放入到樣品袋中備用。

紙張成型后，將其放入到密閉的樣品袋中，放置24小時讓其自行平衡水分。采用平板硫化機進行壓光，紙張為圓片，面積0.0314m²，壓光壓強為4.5MPa，最終得到成品紙張。

采用PEA法測試納米ZnO改性絕緣紙空間電荷，采用AVIR-1-C型脈沖源，脈沖寬度為2ns，幅值為200V；測量環(huán)境溫度為25℃，相對濕度為40％，電極直徑15mm。選定的直流電場為30kV/mm，施壓方式為負極性施壓。加壓試驗持續(xù)60分鐘，去壓試驗持續(xù)30分鐘。采樣時，示波器將自動進行1000次測量，輸出平均值。

圖1是ZnO改性紙浸漬絕緣油后在30kV/mm場強下的加壓空間電荷分布情況，由圖顯示：(a)P_Z-1的電荷積聚峰值密度6.67C/m³；(b)P_Z-4的電荷積聚峰值密度為6.07C/m³，這說明，1％、4％的添加量不會使納米氧化鋅發(fā)生團聚，其與纖維素之間會形成較為有效的界面區(qū)，能夠更好的發(fā)揮其對改性絕緣紙空間電荷行為的抑制作用。

圖2是ZnO改性紙浸漬絕緣油后在30kV/mm場強下的去壓空間電荷分布情況，可以看到，兩種樣品在去壓后開始衰減，介質內(nèi)部正電荷峰逐漸下降，其兩側的感應負電荷峰也逐漸變小，相比之下，P_Z-4消散電荷的速率較慢。和P_Z-4相比，P_Z-1中初始殘余電荷密度要更大一些。這可能是因為更多的納米粒子形成了更多的深能級陷阱，限制了載流子在介質中的移動速度。同時和團聚前的臨界添加量相比，深能級陷阱的密度又不是很大，所以被束縛的慢速運動電荷量反而變少。

圖3是ZnO改性紙浸漬絕緣油后在30kV/mm場強下的瞬時去壓空間電荷量情況，可以看到，兩種介質在瞬時去壓過程中的電荷量都先增大再減小。P_Z-1中的電荷 量較大，氧化鋅添加量為1％時，瞬時去壓過程中的電荷量要比未改性的紙樣低，這說明很少的納米材料引入也會對介質的性能產(chǎn)生較大影響。P_Z-4在瞬時去壓時的電荷量比P_Z-1小，這說明更多的氧化鋅摻雜引入了更多的界面。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員應當理解，參照上述實施例可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換均在申請待批的權利要求保護范圍之內(nèi)。