成型絕緣件添加棉漿的工藝研究

劉桂德（遼寧興啟電工材料有限責(zé)任公司，　遼寧　遼陽(yáng)　111000）

成型絕緣件添加棉漿的工藝研究

劉桂德
（遼寧興啟電工材料有限責(zé)任公司，遼寧遼陽(yáng)111000）

由于棉漿的獨(dú)特性以及能提高輸電電纜和變壓器絕緣材料的擊穿強(qiáng)度、老化壽命、運(yùn)行可靠性及降低其介質(zhì)損耗特點(diǎn)，所以其纖維被廣泛地應(yīng)用在絕緣紙板和成型絕緣件中。眾所周知，纖維素的來(lái)源不同，纖維素的結(jié)晶度、分子鏈的長(zhǎng)度、半纖維素和木素含量等也就不同，對(duì)產(chǎn)品的絕緣性能也產(chǎn)生了不同的影響。為了達(dá)到成型絕緣件的高質(zhì)量、低成本，并各具特點(diǎn)的要求，選取了應(yīng)用成熟的瑞典阿斯帕高寒帶生長(zhǎng)的木漿纖維和山東吉藁生產(chǎn)的高純度精制棉漿進(jìn)行了研究并得出結(jié)論。

棉纖維纖維素半纖維素結(jié)晶度介電強(qiáng)度

0　前 言

根據(jù)成型絕緣件在變壓器中使用部位不同，其所承受的電氣性能和機(jī)械性能不一樣，所要求的重點(diǎn)不一，不同的成型絕緣件應(yīng)采取不同的生產(chǎn)工藝。由于成型絕緣件由針葉木漿纖維制作，具有多孔性，有較高的吸油和吸潮率。干燥后成型絕緣件吸油，其電氣性能顯著提高。為了得到較高的承受電壓，減小成型絕緣件的變形量，要求在油中耐壓必須大于10 kV/mm。在試驗(yàn)室中嘗試加入一定數(shù)量的棉漿來(lái)提高成型絕緣件的吸油率，以滿足其更高的耐壓要求，同時(shí)減小絕緣件的變形。

1 試驗(yàn)選用的原材料

眾所周知，纖維素的來(lái)源不同，纖維素的結(jié)晶度、分子鏈長(zhǎng)、半纖維素和木質(zhì)素的含量等也就不同，對(duì)產(chǎn)品的絕緣性能也產(chǎn)生不同的影響。為了達(dá)到成型絕緣件的高質(zhì)量、低成本，并各具特點(diǎn)的要求，必須對(duì)種類(lèi)繁多的纖維材料加以選擇。通過(guò)紙展和瑞士近期魏德曼提供給西安變壓器股份有限公司的材料和實(shí)物上看，成型絕緣件確實(shí)含有白色的填加物，經(jīng)過(guò)纖維形態(tài)分析為棉漿。因此選擇表1的材料進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)所使用的儀器

儀器：500 g電子臺(tái)秤，精確到0.1 g；23 L荷蘭式打漿機(jī)；肖伯爾打漿度儀；紙張拉力機(jī)；撕裂度儀：300 mm×300 mm手動(dòng)壓力機(jī)；Φ200 mm自動(dòng)控溫抄片器；100～1 600X高倍細(xì)胞纖維鏡。

表1試驗(yàn)選用的原料

3 纖維的分析

纖維分析:目前制造成型絕緣件以未漂硫酸鹽針葉木漿與精制棉漿為主要的原材料，國(guó)外的一些知名廠家例如瑞士魏德曼等就是根據(jù)這二種原材料的物理、化學(xué)性能，生產(chǎn)出來(lái)各種牌號(hào)的產(chǎn)品，供輸變電制造廠商選用。為此，研究這二種原材料是確保成型絕緣件質(zhì)量的首要任務(wù)。

3.1物理性能

物理性能見(jiàn)表2，棉漿、木漿斷面見(jiàn)圖1、圖2。

圖1　棉漿斷面現(xiàn)象

圖2　木漿斷面現(xiàn)象

表2　二種漿的物理性能

3.2化學(xué)性能

化學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3　二種漿化學(xué)性能［2］

4 試驗(yàn)方案

根據(jù)選擇的精制棉漿A和針葉木漿B進(jìn)行配比、打漿、抄片，然后再做抄片的各項(xiàng)物理指標(biāo)，得出最佳的配比，此配比用以指導(dǎo)試驗(yàn)機(jī)臺(tái)進(jìn)行中試。試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

表4　試驗(yàn)方案

5 木、棉漿對(duì)成型絕緣件的影響

5.1抗張強(qiáng)度

纖維間的結(jié)合是纖維相鄰羥基之間的結(jié)合，相鄰的較小纖維OH根間的次合價(jià)結(jié)合或分子結(jié)合是纖維間結(jié)合的主要鍵能。由于半纖維素是無(wú)定形物質(zhì)，它的存在增大了纖維的親水性，因而也就增大了每單位積的結(jié)合強(qiáng)度。在棉漿中加入多縮戊醣可大大提高其強(qiáng)度[2]。從圖1的曲線也可以看出，木、棉漿給定的打漿度下，抗張強(qiáng)度均隨著棉漿配比的增加而下降。成型絕緣件既需要有絕緣性，又要有較高的機(jī)械強(qiáng)度，因此棉漿的配比應(yīng)較小，硫酸鹽針葉木漿的配比應(yīng)較大。試驗(yàn)表明，既要求電氣性能又要機(jī)械性能的成型絕緣件，其棉漿含量比例不應(yīng)高于30%。抗張強(qiáng)度與配比曲線圖見(jiàn)圖3。

圖3　在不同棉漿配比和打漿度下，抗張強(qiáng)度與配比曲線圖

5.2緊度

由圖4的曲線可看出，隨著棉漿用量的增大，成型絕緣件緊度下降。緊度和介電常數(shù)的關(guān)系式為:

式中:P——進(jìn)度；

∞——介電常數(shù)。

由式（1）可看出介電常數(shù)隨著緊度的上升而下降，可塑性隨著緊度的提高而變壞。因此，變壓器中不要求機(jī)械性能而主要要求良好可塑性的絕緣件，所用紙板應(yīng)考慮加大棉漿的配比。

圖4　在不同棉漿配比和打漿度下，緊度與配比曲線圖

5.3吸油率

成型絕緣件在油中吸油過(guò)程是經(jīng)纖維間極細(xì)的毛細(xì)管向內(nèi)部浸透。流體阻力與纖維直徑和長(zhǎng)度的關(guān)系式為:

式中:K——常數(shù)；

L——纖維長(zhǎng)度；

D——纖維直徑。

根據(jù)試驗(yàn)已知：木材纖維的直徑是20～50 μ m,棉纖維為10～20 μ m,因此含棉纖維的成型絕緣件的吸油阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不含棉漿纖維的成型絕緣件[2]。

纖維截面的空隙如式:

式中:Fa——單位截面的空隙面積；

Fb——單位截面積；

n ——單位截面積的纖維根數(shù)。

由式（3）可知單位截面積的空隙面積的大小與纖維根數(shù)的一次方成正比例，與纖維直徑的二次方成比例。由此可見(jiàn)，吸油率隨著棉漿纖維配比的增大而增大。圖5曲線也證明了這一點(diǎn)。要提高成型絕緣件的吸油率，改善變壓器等輸變電設(shè)備中不利于浸油部分的吸油率，在選用和制造成型絕緣件時(shí)，就應(yīng)考慮部分或全部采用棉纖維。

5.4成型絕緣件的擊穿強(qiáng)度

擊穿電壓是介質(zhì)發(fā)生擊穿，即破壞介質(zhì)的分子，使其變?yōu)閷?dǎo)體時(shí)的電壓。根據(jù)介電常數(shù)與場(chǎng)強(qiáng)公式:ε油/ε纖=E紙/E油，導(dǎo)出關(guān)系式:E油=E紙×ε紙/ε油其中：ε紙=4.4,ε油=2.2,得出：E油=2E紙,從中看出,如果使用變壓器油來(lái)浸漬作為浸漬劑進(jìn)行填充,則能提高成型絕緣件的介電強(qiáng)度，高的介電浸漬劑浸漬越好,介電強(qiáng)度上升就越多。成型絕緣件隨棉漿用量的增加，吸油率上升，因此成型絕緣件在變壓器油中的介電強(qiáng)度隨棉漿的用量增加而上升。由圖6中1、2中曲線就可看出。為改善浸漬處理工藝，在保證符合強(qiáng)度的條件下應(yīng)盡可能多的用些棉漿。

圖5　在不同棉漿配比和打漿度下，吸油率與配比曲線圖

圖6　加棉漿與100%木漿絕緣件耐電壓曲線圖

5.5成型絕緣件的縱、橫、厚向的收縮率

纖維素的吸水潤(rùn)脹，是纖維素的溶脹即其體積變大、纖維素間內(nèi)聚力減小、纖維變軟的現(xiàn)象。水只能進(jìn)入非晶區(qū)而不能進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，因此，含半纖維素的漿料更容易吸水潤(rùn)脹，其收縮率較大。又因棉的結(jié)晶度是70%～80%,木漿為60%～70%,再生纖維是45%,從圖7、圖8中曲線中可知成型絕緣件的收縮率隨著棉漿的加入量上升而下降,在要求收縮率的絕緣件中,可多采用棉漿。

圖7　漿料配比與縱橫向收縮率的關(guān)系圖

圖8　漿料配比與厚向收縮率的關(guān)系圖

天然纖維素橫向溶脹非常顯著，而縱向溶脹較小。成型絕緣件縱向收縮率小于橫向，圖5、圖6也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

6　結(jié)束語(yǔ)

（1）棉纖維從微觀結(jié)構(gòu)上看它是一種多孔物質(zhì)，尤其在非結(jié)晶區(qū)，密度較低，綿纖維越細(xì)，棉纖維中縫隙孔洞越多，毛細(xì)管現(xiàn)象就越強(qiáng)。絕緣件隨著棉纖維用量的增加，吸油率上升，在油中的耐電壓升高。

（2）半纖維素增加了纖維的結(jié)合力，絕緣件隨著木漿用量的增加，其抗張強(qiáng)度提高。

（3）隨著棉漿配比量的加大，無(wú)論是縱橫向還是厚向都是下降，這對(duì)要求收縮率嚴(yán)格的場(chǎng)合下，在不損失強(qiáng)度下可以把棉漿比例放大到30%。

（4）由于棉纖維平均分子鏈長(zhǎng)，純度高，因此棉纖維在100 ℃處理480 h，纖維強(qiáng)度為在20 ℃條件下的92%。棉纖維較其他天然纖維素有較好的耐熱性能。在絕緣件中隨著棉纖維用量的增加熱穩(wěn)定性大大提高。

（5）纖維素的灰分含量和水抽提物電導(dǎo)率的乘積幾乎是一個(gè)常數(shù)，因此，為降低絕緣件的電導(dǎo)率可加一些棉漿[1]。

［1］李之工.纖維素物理化學(xué)［M］.北京，中國(guó)財(cái)政經(jīng)濟(jì)出版社，1965（3）：15-18.

［2］陳寬.熱壓變壓器紙板的研究—使用木、棉纖維的變壓器紙板的特性［J］.中國(guó)學(xué)術(shù)期刊，2012：22-25.

Insulation-shaping Components Add Cotton Pulp Technology Was Studied

LIU Guide
（LiaoNing XingQi Electric Materials Co.，Ltd.， Liaoyang Liaoning，111000China）

Abstrcat:the dielectric loss， so the cotton fiber is widely used in insulation board and insulation forming parts. As is known to all， the source of the cellulose， the crystallinity of cellulose， the length of the chain， hemicellulose，and lignin content are different， such as the insulation performance of products also have different impact，in order to achieve insulation forming parts of high quality and low cost， and each has its characteristics， has chosen the company application mature Swedish spa paramos growth of wood pulp fiber and shandong ji chaff production of high-purity refined cotton pulp: the study and draw conclusions as follows.

cotton fiber；cellulose； hemicellulose；crystallinity；dielectric strength