為提高油浸式變壓器繞阻中紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)的擊穿電壓，實(shí)驗(yàn)室制備了能降低絕緣紙介電常數(shù)的微納米級(jí)SiO2空心微球以及含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2(wSiO2)空心微球的實(shí)驗(yàn)用絕緣紙手抄片。測(cè)量浸油后的含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2空心微球絕緣紙的介電常數(shù)，wSiO2=5%空心微球的絕緣紙介電常數(shù)最低，比未加SiO2空心微球的絕緣紙介電常數(shù)低34%。用雙層電介質(zhì)場(chǎng)強(qiáng)公式分析絕緣紙介電常數(shù)以及復(fù)合絕緣系統(tǒng)中油隙厚度對(duì)油、紙中場(chǎng)強(qiáng)分配的影響。設(shè)計(jì)紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)模型，用COMSOL仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，得出模型中紙、油中電場(chǎng)為均勻電場(chǎng)，雙層電介質(zhì)場(chǎng)強(qiáng)公式可用于紙-油-紙模型的理論分析。最后，用含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2空心微球的絕緣紙組成紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)進(jìn)行電擊穿實(shí)驗(yàn)，介電常數(shù)越低的絕緣紙組成的紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)擊穿電壓越高，介電常數(shù)最低的wSiO2=5%空心微球的絕緣紙組成的紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)比未加SiO2空心微球的絕緣紙組成的紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)的擊穿電壓高15.5%。

　　引言

　　變壓器是電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備，目前，超高壓變壓器的內(nèi)絕緣由纖維素材料和變壓器油組成，纖維素材料又分為絕緣紙和絕緣紙板兩類。變壓器使用的油浸絕緣紙俗稱牛皮紙，主要成分是天然纖維素，19世紀(jì)90年代就被廣泛用在油浸式電力設(shè)備中。牛皮紙價(jià)格低廉，初始時(shí)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度，一直以來(lái)是絕大多數(shù)油浸式變壓器首選的絕緣材料。變壓器油在變壓器中具有冷卻、絕緣以及滅弧的作用，對(duì)變壓器的可靠運(yùn)行意義重大，常用變壓器油為#25礦物油。電力變壓器絕緣系統(tǒng)是絕緣紙(板)與變壓器油組成的復(fù)合絕緣系統(tǒng)。

　　匝絕緣是變壓器內(nèi)絕緣的基礎(chǔ)，匝絕緣具有電場(chǎng)強(qiáng)，溫度高和面積大的特點(diǎn)。在幾十m2 的面積上，只要有1mm2 面積出現(xiàn)擊穿，就可能會(huì)造成燒毀整臺(tái)變壓器的嚴(yán)重后果。匝絕緣的絕緣配合是紙-油-紙的形式，油比紙容易放電是油紙絕緣形式的缺點(diǎn)所在。在交流電壓作用下，串聯(lián)介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)的大小與相對(duì)介電常數(shù)成反比。絕緣紙的主要成分是纖維素，纖維素大分子每一個(gè)鏈節(jié)都有羥基，本身有一定的極性，因此它的介電常數(shù)比較大，純纖維素相對(duì)介電常數(shù)為5.1左右。一般文獻(xiàn)中所說(shuō)的絕緣紙(板)的相對(duì)介電常數(shù)都是指油浸變壓器中所用油浸絕緣紙的相對(duì)介電常數(shù)，其大小為3.5～4.4。而變壓器油主要成分是環(huán)烷烴、烷烴等，其分子結(jié)構(gòu)的C-C鍵為非極性共價(jià)鍵，C-H鍵形成的骨架結(jié)構(gòu)對(duì)稱或基本對(duì)稱，屬于非極性分子或弱極性分子，其相對(duì)介電常數(shù)只有2.2左右。雙層電介質(zhì)中，場(chǎng)強(qiáng)分布與介電常數(shù)成反比，低介電常數(shù)的變壓器油承受了更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，外加變壓器油相對(duì)于絕緣紙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)要低，因此紙-油-紙絕緣系統(tǒng)中，變壓器油容易首先被擊穿。

　　降低紙的介電常數(shù)，將使油浸變壓器中紙-油-紙的復(fù)合絕緣系統(tǒng)中的電場(chǎng)分配更加合理，變壓器油中的場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)相對(duì)減小，更有利于提高油紙復(fù)合絕緣的擊穿電壓，從而降低主絕緣線圈高度，減少鐵芯損耗，提高絕緣的可靠性。降低絕緣紙介電常數(shù)的方法主要有兩種：①用人工合成纖維制成絕緣紙直接代替牛皮紙;②在植物纖維中摻入合成纖維抄造成紙。兩種方法都能達(dá)到降低絕緣紙介電常數(shù)的目的，但合成纖維的使用成本較高。微納米級(jí)二氧化硅(SiO2)空心微球已經(jīng)被摻雜在高分子材料聚酰亞胺中來(lái)降低介電常數(shù)，介電常數(shù)從2.3降到1.8，并且二氧化硅的價(jià)格相對(duì)低廉，可明顯降低成本。

　　本文將微納米級(jí)SiO2空心微球加入木漿中抄造成紙，以降低絕緣紙的介電常數(shù)。微納米級(jí)SiO2空心微球、絕緣紙均為實(shí)驗(yàn)室自制。將含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微納米級(jí)SiO2空心微球的絕緣紙真空浸油后，測(cè)量其介電常數(shù)與頻率的關(guān)系，找出介電常數(shù)最低時(shí)的微納米級(jí)SiO2空心微球添加量，制成低介電常數(shù)絕緣紙。設(shè)計(jì)紙-油-紙實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停�用COMSOL軟件仿真檢驗(yàn)紙-油-紙模型中的電場(chǎng)為均勻電場(chǎng)，可以采用平行板電極間串聯(lián)介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)分布公式對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了含微納米級(jí)SiO2空心微球的低介電常數(shù)絕緣紙可以提高油紙復(fù)合系統(tǒng)的擊穿電壓。

1、實(shí)驗(yàn)流程

　　1.1、微納米級(jí)SiO2

　　空心微球的制將5g苯乙烯、1.5g聚乙烯吡咯烷酮、0.2g偶氮二異丁腈、5g水及22.5g無(wú)水乙醇加入到250mL　4口燒瓶中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌30min后，緩慢加熱到70°C后反應(yīng)1.5h，然后快速加入22.5g無(wú)水乙醇、5g苯乙烯和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨。整個(gè)體系保持氮?dú)鈼l件下反應(yīng)25h后冷卻到50°C。加入6g正硅酸乙酯和3mL氨水，保持50°C反應(yīng)1h得到牛奶狀分散液。所得分散液經(jīng)離心、干燥，再在馬弗爐中500°C燒結(jié)6h。最后得到平均粒徑為500nm的SiO2空心微球。圖1為燒結(jié)前后，SiO2微球透射電鏡對(duì)比圖。從圖中可以看出，燒結(jié)處理后，微球?yàn)橹睆?00nm的中空結(jié)構(gòu)。

圖1　二氧化硅微球透射電鏡圖像

　　1.2、含SiO2空心微球絕緣紙的制備

　　將SiO2空心微球與去離子水按質(zhì)量比1：100制成懸濁液，用超聲震蕩10min。將打好漿的木漿稀釋到質(zhì)量分?jǐn)?shù)wj=0.4%，在纖維解離器中疏解3min，將震蕩好的SiO2空心微球懸濁液倒入纖維解離器中繼續(xù)攪拌5min讓其混合均勻。最后，在紙頁(yè)成形器上抄造成定量120g/m2 的絕緣紙。制備的絕緣紙中SiO2空心微球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wSiO2分別為3%、5%、7%，對(duì)應(yīng)絕緣紙分別記為3%SiO2、5%SiO2、7%SiO2。為方便對(duì)比，制備未添加SiO2空微球的絕緣紙，記為牛皮紙。SiO2空心微球在絕緣紙中的分散情況見(jiàn)圖2，SiO2空心微球比較均勻的分散在絕緣紙手抄片中。

　　1.3、紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)擊穿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　將實(shí)驗(yàn)室抄造的厚0.15mm的絕緣紙剪裁成直徑4cm的圓片，用購(gòu)買的厚3mm的商用絕緣紙剪裁成直徑6cm圓片，中間剪裁出直徑3cm的孔洞。將兩片厚0.15mm、直徑4cm實(shí)驗(yàn)用紙上、下蓋住3cm的孔洞，以此模擬紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)。

　　電極根據(jù)GB/T 1408.1-2006加工，上、下兩個(gè)電極均由銅圓柱體組成，其邊緣倒圓成半徑為3mm的圓弧，兩電極直徑25mm，高約為25mm，上、下兩個(gè)電極準(zhǔn)確對(duì)中放置，誤差在1mm以內(nèi)。下端電極與鋼殼相聯(lián)并接地，鋼殼內(nèi)高105mm，內(nèi)直徑150mm，外直徑156mm(見(jiàn)圖3)。

　　模擬變壓器油紙絕緣實(shí)際處理過(guò)程，對(duì)兩種紙進(jìn)行浸油預(yù)處理，流程為：絕緣紙?jiān)跍囟?0°C、真空度<50Pa條件下脫氣并干燥48h，以盡可能脫去紙中水分。隨后，在溫度為40°C、真空度<50Pa的條件下用已脫氣的新礦物油將絕緣紙充分浸漬24h。

3、結(jié)論

　　1)微納米級(jí)SiO2空心微球的添加，可以降低絕緣紙的介電常數(shù)，添加量wSiO2<5%時(shí)，絕緣紙的介電常數(shù)隨SiO2空心微球添加量的增加而減小;當(dāng)添加量wSiO2>5%時(shí)，絕緣紙的介電常數(shù)反而升高;SiO2空心微球添加量為wSiO2=5%時(shí)，絕緣紙的介電常數(shù)最低，在50Hz時(shí)，比未添加SiO2空心微球的絕緣紙介電常數(shù)下降34%。

　　2)紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)中絕緣紙相對(duì)介電常數(shù)變化時(shí)，串聯(lián)介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)會(huì)受影響，且絕緣紙比變壓器油要大。而油隙厚度變化對(duì)介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)的影響，絕緣紙要比變壓器油的小。

　　3)紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)模型在圓柱形電極之間時(shí)，紙、油內(nèi)的電場(chǎng)是均勻電場(chǎng)，只是接觸面處的小范圍內(nèi)有畸變，對(duì)實(shí)驗(yàn)無(wú)影響，雙層電介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式(1)能夠用于此模型來(lái)解釋絕緣紙介電常數(shù)的降低可以導(dǎo)致紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)擊穿電壓的升高。

　　4)添加wSiO2=5%空心微球的低介電常數(shù)絕緣紙組成的紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)，比未加SiO2空心微球的絕緣紙組成的紙-油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)擊穿電壓提高了15.5%。但本身?yè)舸﹫?chǎng)強(qiáng)由于浸油率升高而有所降低。