纳米SiO2 改性绝缘纸的机械老化与电老化性能研究

陈 杰，朱 力

（国网南通供电公司，江苏南通226001)

电力变压器是电力系统的重要设备，由于其造价高昂且在电力系统中起到电压变换的关键作用，因此保证其安全稳定运行至关重要［1］。变压器的故障中，绝缘故障占了较大比例，其中以变压器绝缘纸事故居多，这主要是因为变压器油方便更换，而变压器绝缘纸一旦出现劣化，这只能停掉吊罩处理，大大影响供电可靠性［2-3］。此外，随着电力系统容量与电压等级的不断增大，变压器的体积也越来越大，但对占地面积的限制却期望变压器能合理控制设计尺寸，而尺寸的减小意味着绝缘距离的缩小，对绝缘纸的性能要求也相应提高［4］。因此，提高变压器绝缘纸的性能，对变压器的绝缘设计与电力系统的安全稳定运行均具有十分重要的意义。

变压器绝缘纸以纤维素绝缘纸最为常见，绝缘纸的拉伸强度与击穿电压是工程应用中重要的2 项性能参数，分别表征了绝缘纸的机械老化性能与电老化性能［5-6］。纳米改性是提高绝缘纸上述性能的有效途径，目前常用的纳米粒子主要有Al2O3、TiO2与SiO2等［7-9］。现有研究结果表明：通过向绝缘纸中加入一定纳米粒子，可有效调控绝缘纸的性能参数，从而有效拓宽绝缘纸的适用场合，提高变压器设计便利度与工作效率［7-9］。

为了研究纳米SiO2改性绝缘纸的机械老化与电老化性能，制备了纳米SiO2改性绝缘纸，并依据相关标准测试了其拉伸强度与击穿电压，获得了不同含量SiO2改性绝缘纸的机械老化与电老化性能，并分析了纳米SiO2改善绝缘纸机械老化与电老化性能的原因。

1 样品制备

1.1 原材料

试验过程中所用的主要材料为纳米SiO2与绝缘纸，其基本参数分别见表1、表2。试验中用到的其他辅助材料（试剂）见表3。

表1 纳米SiO2 的性能参数Table1 Performance parameter of nano-SiO2

表2 绝缘纸的性能参数Table 2 Performance parameter of cellulose insulating paper

表3 其他材料Table 3 Other materials

1.2 制备流程

纳米SiO2改性绝缘纸的制备流程如图1 所示，详细的流程如下：

图1 纳米SiO2 改性绝缘纸制备流程Fig.1 Preparation process of nano-SiO2 modifi ed insulating paper

(1) 将纳米SiO2放置于干燥箱中进行干燥处理，温度为75℃，干燥时间为24h，干燥完毕后取出纳米SiO2放入密封器皿中。

(2) 量取一定量的无水乙醇并倒入三角烧瓶，随后加入去一定离子水，混合后对混合溶液进行搅拌，搅拌的同时加入一定量APTES，以配制APTES 水解液。

(3) 将事先称量好的纳米SiO2粉末小心倒入APTES的水解液，倒入过程中持续搅拌，之后超声振荡使得反应更充分，随后将反应后的混合液抽滤，采用去离子水清洗5 次，而后将粉末进行恒温干燥，温度设置为80℃，一直持续到重量不再变化，从而获得APTES 改性的纳米SiO2粉末。

(4)取适量DMAc 溶剂加入三口烧瓶，开启氮气保护，随后加入ODA，充分搅拌使溶解更加充分，之后分批加入PMDA，快速搅拌8h，得到聚酰胺酸预聚体溶液。

(5) 往三角烧瓶中加入DMAc 溶液与去离子水。称取APTES 改性后的纳米SiO2于三角烧瓶中，磁力搅拌并超声分散12 h；待充分反应后，将混合液滴入聚酰胺酸预聚体溶液中，搅拌至少12h，以保证纳米SiO2在聚酰胺酸溶液中均匀分散。

(6) 之后将制得的SiO2/ 聚酰胺酸混合溶液在真空条件下除气。

(7) 将绝缘纸在干燥箱中干燥24h，干燥温度设定为90℃。

(8) 之后将绝缘纸放入制备好的SiO2/ 聚酰胺酸溶液中，浸渍2h。

(9) 绝缘纸浸渍充分后将其取出，小心去除表面的聚酰胺酸溶液，同时保留绝缘纸表面附着的SiO2/ 聚酰胺酸薄层。

(10) 最后绝缘纸放入干燥箱中烘干：首先采用80℃进行初步干燥，保持15min，其次将温度以5℃/min 的升温速率保持匀速上升，最终使得聚酰胺酸固化成型，最后得到SiO2改性绝缘纸。

制备过程中，根据纳米SiO2的质量分数确定制备过程中的材料使用量，本研究中制备了SiO2质量分数为1%、3%、5%与7%等4 种纳米SiO2改性绝缘纸。

2 老化试验方法

纳米SiO2改性绝缘纸的机械老化性能采用拉伸强度表征，测试方法严格按照GB/T 12914-2008 执行，拉伸速率设置为10mm/min。纳米SiO2改性绝缘纸的电老化性能采用击穿电压来表征，它反映了绝缘纸的短时耐电老化能力，击穿电压的测试参照GB/T 1408.1-2016 执行，其中，升压速度设置为500V/s，测试电极选用对称电极，如图2 所示。

图2 试验电极图Fig.2 Figure of test electrode

为了对比分析SiO2改性对绝缘纸机械老化与电老化性能的影响，对未进行SiO2改性的绝缘纸同样开展了上述2 项性能测试。

3 试验结果与分析

3.1 机械老化性能

图3 所示为SiO2改性绝缘纸的拉伸强度随SiO2含量的变化规律，由图可知，随着SiO2含量的增加，绝缘纸的拉伸强度先上升后下降，在SiO2为3% 附近达到峰值。说明SiO2改性对绝缘纸拉伸强度的影响具有边界效应，只有在一定含量范围内，SiO2才具备对绝缘纸拉伸强度的提升效应，一旦超过该含量，SiO2的加入反而会降低绝缘纸的拉伸强度。这是因为绝缘纸表面存在一层SiO2改性层，改性层中的SiO2与聚酰胺酸存在较强的偶联，促进了纳米SiO2在绝缘纸中的填充。由于SiO2颗粒弹性模量较高，且同时兼具偶联介质，因此提高了绝缘纸的拉伸强度。但值得注意的是，SiO2的进一步增加，会使纳米颗粒的等效粒径增大，使得过量SiO2粒子叠加呈现出“杂质效应”，此时反而会使得绝缘纸受力不均匀，从而降低改性绝缘纸的抗机械老化性能，因而拉伸强度又开始降低。

图3 SiO2 改性绝缘纸的拉伸强度Fig.3 Tensile strength of nano-SiO2 modified insulating paper

3.2 电老化性能

图4 所示为SiO2改性绝缘纸的击穿电压随SiO2含量的变化规律。

图4 SiO2 改性绝缘纸的击穿电压Fig.4 Breakdown voltage of nano-SiO2 modifi ed insulating paper

由图4 可知，随着SiO2含量的增加，绝缘纸的击穿电压先上升后下降，在SiO2为3% 附近达到峰值。与拉伸强度类似，SiO2改性对绝缘纸击穿电压的影响具有边界效应，只有在一定含量范围内，SiO2才具备对绝缘纸击穿电压的提升效应，一旦超过该含量，SiO2的加入反而会降低绝缘纸的击穿电压。这是因为绝缘纸表面存在SiO2改性层，而SiO2具有较高的表面活性与表面能，带电粒子在获得电场能量后与SiO2粒子产生碰撞，并随之产生新的带电粒子，且新产生的带电粒子能量更低，因此在一定程度上延缓了电子崩的传播，因此绝缘纸的短时耐电老化性能得到提升。此外，SiO2粒子在绝缘纸表面会形成一定陷阱，带电粒子在电场作用下被陷阱捕获，也同样延缓了电子崩的传播，从而提高了击穿电压。但是，SiO2粒子会在交变电场作用下产生较大的介质损耗，而损耗会产生热量，当SiO2较多时，产生的总热量将不能忽略，大量热量来不及消散，从而会引发热击穿，因而击穿电压反而降低。

4 结语

制备了纳米SiO2改性绝缘纸，研究了SiO2表面改性对绝缘纸的机械老化与电老化性能。纳米SiO2的加入可在一定程度提高绝缘纸的拉伸强度与击穿电压，但纳米SiO2对绝缘纸机械老化与电老化性能的提升效应存在一定边界，随着纳米SiO2的进一步增加，绝缘纸的机械老化与电老化性能呈下降趋势。研究结果可为改性绝缘纸的制备提供理论依据，具有重要的工程意义。