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计算机电缆 油浸 纸浆 净化 技术 研究 基金项目:国家重点研发计划项目。*通信作者:刘群华,高级工程师;主要从事特种的研究及开发。匝间绝缘纸是变压器中的重要绝缘材料,用于缠绕高低压绕组线圈上。在油浸式变压器中,油纸绝缘结构是最为常用的主绝缘,其可靠性直接关系到电网的安全与稳定。目前各国输变电设备的发展方向是一致的:提高变压器电压等级与容量和可靠性,发展低损耗变压器,降低单位容量价格。
1、但1000kV特高压变压器绝缘纸仍依赖进口 因此,对变压器匝间绝缘纸的性能提出了更高的要求,目前我国已突破500kV、750kV变压器匝间绝缘纸制备的关键技术,但1000kV的特高压变压器绝缘纸仍依赖进口。
2、我国变压器匝间绝缘纸的差距主要体现在化学纯度低 与国外进口纸相比,我国的变压器匝间绝缘纸的差距主要表现在纸的化学纯度低,电气性能差,因此对于酸处理纯化过程中出现的问题及其对绝缘纸性能影响的研究十分必要。表1列举了几种商品浆和绝缘纸中灰分及灰分中钠离子含量。变压器匝间绝缘纸一般采用未漂硫酸盐针叶木浆为原料,未经纯化的纸浆中灰分含量高。纸浆中的灰分分为附着灰分、交换灰分和惰性灰分,其中,附着灰分含量最大,交换灰分含量最小,而惰性灰分最难除去。
3、但仍有约50%的灰渣 蒸煮后纸浆经洗涤、精选能除去大部分灰分,但还是有50%左右的灰分残留,直接用蒸煮后的浆料抄造的绝缘纸电气性能差。因此要对蒸煮后的浆料进行进一步的纯化。本研究采用酸处理的方法对蒸煮后纸浆进行纯化,主要对酸用量、洗涤方式、酸处理后纸浆出现的问题及镁盐的加入对纸浆水抽提液电导率、pH值及绝缘纸中金属离子含量变化和电气性能的影响进行研究。未漂硫酸盐针叶木浆,乔治王子牌,取自加拿大Canfor公司,灰分含量043%。脱盐水电导率<50μS/cm,pH值为733。纸浆疏解后调节至4%浓度,添加一定量浓度为30%的盐酸,搅拌均匀,并测定pH值,处理时间为60min。酸处理之后用浆袋挤干纸浆,用脱盐水稀释至浆浓2%,搅拌10min。将g风干浆试样,放入250mL锥形瓶中,并加入100mL刚煮沸的蒸馏水(其电导率不大于02mS/m),装上回流冷凝器,在水浴上缓缓煮沸min后,在带盖的锥形瓶中冷却,至℃,注意避免吸入空气中的二氧化碳。同时进行空白实验。水抽提液电导率按公式计算,以mS/m表示。式中,X为抽提液电导率,mS/m;C1为样品抽提液电导率,mS/m;C2为空白实验的电导率,mS/m。%浓度的纸浆中添加一定量的醋酸镁,搅拌均匀,处理时间为60min。
绝缘纸击穿强度测定参照GB/T3333—1999进行测定,绝缘纸介质损耗角正切测定参照GB/T3334—1999进行测定。
4、撕裂指数和拉伸指数有影响 在纸浆纯化实验中酸用量对纸张的灰分含量、撕裂指数和抗张指数均产生影响,图1、图2和图3分别给出了纸浆在不同酸用量下经三段洗涤之后纸张强度性能的检测结果。纸张的撕裂指数随酸用量的增加而降低,抗张指数在05%酸用量处理时略有上升,但之后随着酸用量增加呈现下降趋势,而纸张中灰分含量随酸用量的增加出现先降低后平稳趋势,当酸用量小于1%时,灰分急剧下降,当酸用量大于1%时,成纸灰分含量缓慢下降,这说明酸用量增加会使纸张撕裂指数和抗张指数降低,但纸张灰分含量在酸用量大于1%时下降不明显,这是因为酸处理可以除去浆料中的一部分灰分,而仍有部分灰分不能通过酸处理除去。结合酸用量对纸张撕裂指数、抗张指数和灰分含量的影响,得出纯化过程中最佳酸用量为1%。实验中对酸处理后的浆料进行了7段洗涤,并测定每段洗涤后浆料挤出液电导率、pH值随洗涤段数的变化情况,实验结果如图4所示。pH值随洗涤段数的变化情况由图4可知,酸处理后的纸浆随着洗涤段数的增加,挤出液的电导率降低,pH值增加,且三段洗涤后二者趋势均保持平缓。
5、三段洗涤后的纸浆挤压液电导率为105ms/m 从具体数值来看,第三段洗涤后纸浆挤出液电导率值为105mS/m,已达到500kV匝间绝缘纸电导率的合格范围。因此将第三段洗涤后的浆料进行水抽提实验,结果显示,纸浆水抽提液的pH值为371(低于,电导率为719mS/m(高于18mS/m),两者皆不在500kV匝间绝缘纸要求的合格范围。但由图3可知,第三段洗涤后的纸张灰分含量符合要求。这说明酸处理的纸浆经三段洗涤后纸张灰分含量可以达到要求,但会引起水抽提液电导率偏高、pH值偏低的问题。洗涤段数增加到7段,并将第7段洗涤后的纸浆进行水抽提,结果显示水抽提液的pH值和电导率仍未在合格范围。说明酸处理后单纯的增加纸浆洗涤段数并不能使水抽提液电导率和pH值达标,其原因是纸浆灰分中一部分金属离子以纤维素羧酸盐的形式存在,添加盐酸之后,产生了一定量的游离羧基,羧基的电离能力大于羧基盐,这就导致水抽提液pH值和电导率偏高,且多段洗涤之后,仍维持在较高水平。由上面的实验结论可知,增加洗涤段数对纸浆水抽提液的pH值和电导率达标并没有促进作用,因此,探索新的洗涤方式势在必行。本实验探索的洗涤方式是酸处理后第一段洗涤水分别用自来水和60℃的脱盐水,第二、三段使用脱盐水,结果如表2所示。由表2可知,第三段纸浆洗涤后,洗涤方式2和洗涤方式3纸浆水抽提液电导率与洗涤方式1相比都低,说明改变洗涤方式后对于改善水抽提液电导率有一定作用,且洗涤方式3效果更佳,但这种作用并未使得3段洗涤后纸浆水抽提液电导率值达到500kV匝间绝缘纸的要求,另外这3种洗涤方式的纸浆水抽提液的pH值均未达标。
6、就纸浆灰分而言 从纸浆灰分含量来看,洗涤方式2的纸浆中灰分含量与洗涤方式1的相差不大,而洗涤方式3的纸浆中灰分含量明显增加。说明第一段采用自来水洗涤虽然可以降低水抽提的电导率,提高pH值,但由于自来水中的杂质较多,导致纸浆中的灰分含量明显增加。由上面的实验可知,纸浆经酸处理后,无论是增加洗涤段数还是改变洗涤方式均不能使水抽提液电导率、pH值均达到标准要求。芬兰、瑞典的纸浆水抽提液电导率、pH值都符合要求,并且与国产纸浆相比,灰分中Na+含量低,Mg2+含量高,说明国外纸浆是经过镁盐处理过的。因此本实验采用镁盐再次处理酸处理后的纸浆,其目的是探索酸处理后添加镁盐对纸浆水抽提液电导率、pH值的影响及其原因,实验结果如表3所示。从表3可知,随着镁盐用量的增加,前两段洗涤后,加入镁盐与空白样相比挤出液的电导率高,但第三段洗涤后,添加镁盐处理的纸浆挤出液的电导率低于空白样,并且对加镁盐后第三段洗涤后的纸浆进行水抽提,发现水抽提液的电导率随着镁盐用量的增加而下降,pH值随着镁盐用量的增加而增加。说明添加镁盐能够有效改善酸处理后纸浆中水抽提液电导率偏高和pH值偏低的问题。
7、将电离能力较强的游离羧基转化为羧基盐的形式 其原因是镁盐与酸处理后形成的羧基发生了如方程式所示的反应,饱和了纤维素的末端基,将电离能力更大的游离羧基转化成羧基盐的形式,从而降低了水抽提液电导率,提高了pH值。镁盐与纸浆中化学键的反应方程见式。在酸处理后不同洗涤方式处理的纸浆中加入镁盐,洗涤并抽提的实验结果如表4所示。
8、由表4可以看出 由表4可知,对酸处理后添加镁盐处理的纸浆采用不同洗涤方式,纸浆水抽提液电导率均降低了,pH值迅速增加到6～7。对比全过程采用脱盐水,酸处理后纸浆经洗涤方式2洗涤后再添加镁盐处理,纸浆水抽提液电导率和pH值达到要求。第一段采用自来水后浆料再加镁盐灰分和电导率仍较高,说明酸处理后纸浆,通过第一段脱盐水洗涤后再配合镁盐处理可以有效解决酸处理后纸浆水抽提液电导率偏高和pH值偏低的问题。实验对比了酸处理前及酸处理后添加镁盐对纸张灰分含量的影响,未处理、1%酸处理和1%酸处理+25%镁盐处理的浆料都经过了相同条件下的洗涤方式和洗涤次数,实验结果如图5所示。镁盐对纸张中灰分的影响由图5可以看出,未处理纸样灰分含量最高,纸浆经过酸处理后,纸张灰分含量降低,再经镁盐处理纸张灰分含量略有增加,这是因为反应方程式中Mg与H相对原子质量存在差异导致,因此得出结论,采用酸处理+镁盐处理方法能降低水抽提液的电导率和提高水抽提液的pH值,但会增加纸张的灰分含量。将3种不同处理方式的纸张进行离子含量的检测,实验结果如表5所示。由表5可知,A纸样中K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量最高,其次是B纸样,最低的是C纸样,K+、Na+、Ca2+含量较纸样A分别降低了667%、771%、559%,Na+降低量最大,Mg2+含量增加56%,Fe3+含量太低,实验中未能得到精确含量。由离子含量数值来看,采用酸处理后加入镁盐的处理方法除了能取代纸浆中羧基上的H+,还能取代成纸中Na+、Ca2+含量,特别是Na+含量。由以上结论可知镁盐的加入能够有效的降低Na+、Ca2+含量,也说明除了发生方程式中的反应,还发生了方程式的反应。从反应式可知,镁盐的加入可以与由加酸后形成的羧基发生反应,同时Mg2+还可以取代纤维壁、腔中的Na+,使Na+转为可溶性的盐,随着洗涤过程除去。实验还对纸张灰分中的Na+含量进行了检测,检测结果如图6所示。为证实一价的Na+比其他的二价、三价金属离子对绝缘纸电气性能的影响更大,实验对不同纸样的击穿强度和介质损耗角正切值tgδ进行了检测,结果分别如图7和图8所示。图7不同处理方式下干纸和油纸的交流击穿强度图8不同处理方式下纸张的介质损耗角正切值tgδ由图7可以看出,1%酸处理与未处理的干纸和油纸交流击穿强度相比变化不明显,1%酸处理+25%镁盐处理后油纸的交流击穿强度有明显增加。这说明1%酸处理+25%镁盐处理纸浆不但可以解决酸处理后水抽提液电导率偏高和pH值偏低的问题,还在一定程度上增加了纸张的交流击穿强度。由图8可以看出,浆料经1%酸处理后纸张的tgδ增加,酸处理后再经镁盐处理的纸张tgδ又下降了。分析原因可能是酸处理后洗涤时间过短,导致极性较强的盐酸还残余在纸张中,从而造成纸张的tgδ增加。添加镁盐处理后纸张的tgδ继续降低,说明镁盐的加入既可以置换羧基上的H+,又可以置换对tgδ影响较大的Na+离子,极性较强的离子被置换,故纸张的介质损耗降低。酸处理实验中,随着酸用量的增加,纸张的撕裂度下降,抗张强度先增加后减小,纸张灰分含量先减小后趋于平稳,实验得到最佳酸用量为1%。酸处理后采用第一段自来水洗涤和第一段脱盐水洗涤均能够降低纸浆水抽提液电导率,提高pH值,且第一段采用自来水洗涤效果更佳,但都未达到标准要求。酸处理后添加镁盐可以降低纸浆水抽提液电导率,提高pH值。且酸处理后采用一段脱盐水洗涤再配合镁盐处理可以有效解决酸处理后浆料水抽提液电导率偏高、pH值偏低的问题。
9、尤其是Na的含量 酸处理后加入镁盐的处理方法除了能饱和纤维素的末端基,还能减少绝缘纸中K+、Na+、Ca2+的含量,特别是Na+含量,同时可以有效降低纸张灰分中的Na+含量,提高纸张的击穿强度,
计算机电缆降低介质损耗。
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