绝缘纸板介电与击穿性能匹配目标下的制备参数优化方法_李赛.pdf

第 49 卷 第 3 期：1015-1025 高电压技术 Vol.49,No.3:1015-1025 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220936 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 绝缘纸板介电与击穿性能匹配目标下的制备参数优化方法 李 赛，黄 猛，苏妍箫，李怡然，史 晟，齐 波（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）摘 要：交流电压下油纸复合绝缘中纸板的介电常数越低整体的耐压水平越高。不同制备工艺参数会直接影响绝缘纸板的介电常数和击穿场强，但目前关于打浆、热压等工艺的制备参数与介电、击穿性能之间缺乏协同优化。本文从打浆时间、打浆压力、热压时间、热压压力、热压温度等工艺入手，研究制备工艺对 1 mm 高密度针叶木绝缘纸板性能的影响和权重；通过权重大小改变不同工艺参数的组合方式，进而寻求最佳工艺，使得降低油浸纸板介电常数的同时保持其击穿性能不下降。利用电声脉冲法测量油浸纸板内部空间电荷，用表面电位衰减法测量油浸纸板表面陷阱参数，揭示了工艺和表面结构对性能的影响机理。研究结果表明：对于介电和击穿性能相匹配这一目标而言，高密度针叶木绝缘纸板的最佳工艺为：打浆参数取 3 kg、60 min，热压参数取 160、50 min、15 MPa。因为高打浆压力使得纤维分丝帚化程度更高，进而限制电荷在纤维间传输，同时减小油隙，提高油浸纸板击穿场强；适当的热压温度、热压压力、表面结构可以降低界面、表面陷阱密度和陷阱深浅，使得电荷分布更加均匀，从而降低界面极化和介电常数，为绝缘纸板制备和性能调控提供指导。关键词：高密度纸板；制备工艺；介电性能；调控方法；陷阱参数 Optimization of Preparation Parameters for Cooperative Objective of Dielectric and Breakdown Properties of Insulating Paperboard LI Sai,HUANG Meng,SU Yanxiao,LI Yiran,SHI Sheng,QI Bo(State Key Laboratory of New Energy Power System,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)1 Abstract：The lower the dielectric constant of paperboard in oil paper composite insulation under AC voltage is,the higher the overall withstand voltage level will be.Different preparation process parameters of paperboard will directly af-fect the dielectric constant and breakdown field strength of insulating paperboard,whereas,there is a lack of collaborative optimization between preparation parameters,such as beating and hot pressing process,and dielectric and breakdown properties.In this paper,starting with researching the beating time,beating pressure,hot pressing time,hot pressing pres-sure,hot pressing temperature,and other processes,the influence relationship and weight of the preparation process on the properties of 1 mm high-density softwood insulated paperboard were studied.By changing the combination of different process parameters through the weight,the purpose of reducing the dielectric constant of oil-immersed paperboard while keeping the breakdown performance unchanged was achieved.The internal space charge of oil immersed paperboard was measured by the electroacoustic pulse method,and the surface trap parameters of oil immersed paperboard were measured by the surface potential attenuation method.The influence mechanism of process and surface structure on properties was revealed.The results show that,for the purpose of matching dielectric and breakdown properties,the best process of high-density softwood insulating paperboard is as follows:the beating parameters are 3 kg and 60 min,and the hot pressing parameters are 160,50 min and 15 MPa.The high beating pressure makes the fiber more broomed,which limits the charge transmission between the fibers and improves the breakdown field strength of the oil impregnated paperboard.Appro-priate hot pressing temperature,hot pressing pressure and surface structure can reduce the density and depth of traps on the interface and surface,and make the charge distribution more uniform,so as to reduce the interface polarization and dielectric constant.The results provide guidance for the preparation and performance control of insulating paperboard.Key words：high density paperboard;preparation process;dielectric properties;regulation methods;trap parameters 基金资助项目：北京市自然科学基金(3212035)。Project supported by Beijing Natural Science Foundation(3212035).1016 高电压技术 2023,49(3)0 引言 油浸式变压器是电力传输过程中的重要设备，油纸复合绝缘是油浸式变压器的主要绝缘形式1。目前在国内市场中常用的 1 mm 油浸纸板相对介电常数在 3.23.62-3。在工频条件下，油纸复合绝缘的电场强度分布与介电常数成反比，纸板的耐击穿强度是变压器油的 2 倍以上，但介电常数也为变压器油的 1.52 倍，这就导致两者不能充分发挥自身的绝缘性能4-5。适当降低油浸纸板的介电常数有利于改善油纸复合绝缘的电压分配，因此，需要在保证绝缘纸板自身击穿强度的前提下尽可能降低油浸纸板介电常数。然而，目前国内性能优异纸板的油浸介电常数普遍偏高，不适用于高端变压器中，且基础理论研究和应用研发均严重滞后于发展需要，实际应用的产品绝大多数需要进口，使得我们受制于人。因此，深入研究绝缘纸制备工艺与电气性能间的重要程度关系及其调节方法，进而指导制备出性能优异的纸板显得尤为重要。针叶木纤维具有纤维长且细、木浆较纯净、杂质少、成纸柔韧性好、耐折度高、介电性能优越等优点，是目前国内外纤维素绝缘纸/纸板的主要用 料6。廖瑞金等人研究了打浆度对 0.1 mm 厚度的绝缘纸性能的影响7，研究发现：随着打浆度的增大，交流击穿场强先增大后减小，工频介电常数随打浆度不同而不同，差值在 0.20.4。周远翔等人发现打浆时间、打浆压力对油浸纸的交流击穿特性的影响呈现出相似的变化规律8，即在打浆时间 029 min、打浆压力 03.2 kg 范围内，随着打浆时间/打浆压力的增加，绝缘纸电气强度不断提高，但增速也逐步减缓并趋于稳定。R.Hollertz、周远翔等人研究了热压温度在 105135 对绝缘纸性能的影响，发现热压温度对绝缘纸的机械性能有显著影响，对交流击穿场强和介电常数有一定影响9-10。综上所述，制备工艺对绝缘纸的击穿场强和介电常数影响较大，但目前缺乏统一考虑打浆和热压工艺对绝缘纸板的影响以及协同优化。本文探究应用于油浸式变压器内部绝缘的绝缘纸板，按照 GB19264.3 标准的要求，采用针叶木纤维为原料，通过正交设计进行不同的打浆、热压等工艺制备研究。对制备出的高密度绝缘纸板的交流击穿场强以及工频介电常数进行测量，通过相关性分析分别得出制备工艺对击穿场强和介电常数的权重。根据权重大小进行性能和表面结构调节，制备出了油浸纸板相对介电常数降低 1 左右，油纸复合绝缘击穿场强提高 5.8%的绝缘纸板，并研究了工艺、表面结构对纸板击穿场强、介电常数的影响机理。1 实验准备 1.1 材料选取 本文选用本色纯硫酸盐针叶木浆板进行单一组分纤维素绝缘纸板的制备，采用光学显微镜对未打浆纤维结构进行观测，放大 100 倍和 400 倍的结果如图 1 所示，纤维较为完整且无分丝帚化现象。变压器油选用克拉玛依 KI25X 变压器油，铜网采用60 目软铜网，网的厚度为 0.1 mm。1.2 实验设备 纸板的制备和测试过程中所采用的仪器及其关键参数如表 1 所示。1.3 纸板的处理 将绝缘纸裁剪成 10 cm10 cm 大小放入温度为90，真空度为50 Pa的真空干燥箱干燥处理48 h；对所用绝缘油进行滤油处理，除去内部水分、气体及其他杂质微粒。按一定比例进行浸油处理，并置 图 1 纤维结构 Fig.1 Fiber structure 表 1 实验仪器及参数 Table 1 Experimental instruments and parameters 仪器 技术参数 瓦利打浆机 打浆压力在 15.5 kg 范围内可调，打浆时间一次最高 9000 s 纤维疏解机 转速为 8000 r/min 纸页成型器 抄网为直径 20 cm 的圆铜网 柱式平板硫化机 热压温度最高 300，热压压力最高 16 MPa，热压时间一次最高 9000 s 李 赛，黄 猛，苏妍箫，等：绝缘纸板介电与击穿性能匹配目标下的制备参数优化方法 1017 于温度为 85，真空度为 0.1 MPa 的真空干燥箱中真空浸油 24 h，确保绝缘纸板充分浸油且水分质量分数不高于 0.5%。1.4 击穿性能测试 紧度测试按照 ISO 534：1988 标准进行。介电常数采用Haefely 2830/2831精密液固体介电分析仪进行测量，每个试样测量 5 个有效数据并取均值；交流击穿场强按照 GB/T 1408.12006 进行测量，测试电路如图 2 所示，升压速度采用 2.5 kV/s，快速升压直至击穿，记录击穿瞬间电压值，每个工艺下的纸板进行 5 次有效击穿，取击穿场强结果的均值为该工艺纸板击穿场强。1.5 空间电荷测试 电声脉冲法(pulsed electro-acoustic,PEA)是测量介质空间电荷的常用方法11，系统的脉冲激励幅值为 700 V、脉宽为 10 ns。室温条件下，在上电极处施加10 kV 电压持续极化 30 min，然后撤去电压去极化 5 min，分别测量极化和去极化过程中的空间电荷分布，每个试样测量 3 次。1.6 表面电位衰减测试 等温表面电位衰减(isothermal surface potential decay,ISPD)测量装置如图 3 所示，该试验装置由充电部分和测量部分组成。电晕充电部分由两个直流电源、针尖、栅网组成。针网间距固定为 85 mm，栅网与样品间距固定为 8 mm。在室温条件下，给针尖和栅网施加负极性直流电压，幅值分别为 7 和3 kV，使针尖产生负极性电晕，样品被注入电子。充电时间为 2 min，在充完电后将样品立即转移到探头下，采用 Trek P0865 非接触静电计测量纸板的表面电位。测量所得的表面电位衰减以及介电常数通过式(1)和式(2)可以计算出陷阱参数。tln()EkTvt=(1)0 rst()()tN EtelLt=(2)式中：Et为陷阱能级，eV；k 为玻耳兹曼常数12，其值为1.381023 J/K；T 为绝对温度，其值为298.25 K；v 为逃逸频率，其值为1012 s1；t 为时间，s；N 为陷阱密度，m3；0为真空介电常数，其值为8.8541878171012 F/m；r为样品相对介电常数；e为电子电荷，其值为1.61019 C；l为表面电荷注入深度，取1 m；L为试样厚度，其值为1 mm；s为试样表面电位，V。保护电阻电容分压器GND1GND2 图 2 交流击穿平台示意图 Fig.2 Schematic diagram of AC breakdown platform 图 3 等温表面电位衰减测量平台示意图 Fig.3 Schematic diagram of isothermal surface potential attenuation measurement platform 2 绝缘纸板的制备 2.1 制备流程 纸板主要通过称重、打浆、疏解、抄造、热压的工艺流程进行制备。称重：选择纸板紧度1.1 g/cm3为制备目标，确定浆板湿重比并在高精度天平上称取相应重量的浆板，之后在超纯水(电导率约为0.4 mS/cm)中浸泡4 h以上，使得浆板充分浸泡。打浆：把浸泡后的浆板撕成1 cm1 cm左右的碎片放入瓦利打浆机中，加入适量超纯水，首先在杠杆臂不加重力的情况下疏解20 min，使得浆料充分分散。之后在杠杆臂上加上相应的压力进行定时打浆。疏解：按照每张纸板的1100 g/m2定量取出相应打完浆的浆料，在其中加入大量的超纯水后分批次在纤维疏解机上进行疏解，使得纤维在水中充分分散开来，减少纤维的团聚。抄造：将疏解的浆料放入纸业成型器的抄网上1018 高电压技术 2023,49(3)充分静置后放水抄造，之后将抄造好的湿纸板进行真空干燥，最终得到未热压的纸板。热压：将两片软铜网覆盖到抄造后纸板的两面，之后将其一起放到设置好热压温度、压力、时间的平板硫化机上进行热压，热压完成取出并去除软铜网即可得到绝缘纸板。2.2 正交实验设计 2.2.1 制备工艺的参数选择 由前文研究现状可知制备工艺中打浆和热压对纸板的介电常数、击穿场强有一定影响8。在打浆工艺中，打浆时间和打浆压力是可控的关键因 素7，而在热压工艺中热压温度、热压压力和热压时间是可控的关键因素10。这些因素是控制纸板成型状态和性能不可或缺的参数，因此本文从这五个工艺方面进行制备工艺与纸板性能影响的研究。2.2.2 正交实验的设计 正交试验设计及其分析是一种数理统计方法，它能够确定影响实验结果的主次因素，以及各因素间协同作用的大小，是目前常用于多变量影响实验设计和分析的方法13。在绝缘纸板制备过程中，绝缘纸板的性能受到打浆和热压的多重影响，而其中的影响相互交织，符合多变量、多因素的条件，因此选择正交实验方法进行探究。2.2.3 变量水平的选取及依据 打浆压力过大会使得纤维被破坏，打浆时间过长会使得纤维过细过小，会降低纸板的机械性能和层间链接程度。而打浆参数过小会使得纤维分丝帚化程度及细小纤维含量较低，同样会降低纸板机械性能及链接程度。因此目前大家采用的打浆时间和打浆压力一般均选在：打浆时间2060 min，打浆压力13 kg14。热压温度过低时，在压力作用下，浆料难以凝聚，会使得纸板变形乃至无法成型。而温度过高会使得纤维被烧坏发生碳化，破坏纸板结构和绝缘能力。热压压力较低时纸板不够致密，机械、击穿性能不足。而过高时会将纸板中纤维被压溃，破坏机械性能15。热压时间较短时，纤维中和纤维间的水分不能被蒸发，机械性能显著降低。而热压时间过长一方面增加能耗，另一方面长时间高温会破坏纸板性能16-17。因此绝缘纸的热压参数一般选择为：热压温度85135，热压压力815 MPa，热压时间1040 min。但绝缘纸板与绝缘纸的热压参数有很大差别，因此在绝缘纸的基础上需要增长热压时间、增加热压温度、加大热压压力，因此选择热压参数为：热压温度100150，热压时间2060 min，热压压力1418 MPa。目 前 市 场 上 的 绝 缘 纸 板 紧 度 均 在1.1 1.2 g/cm3 18-19，而在实验过程中发现，纸板紧度稳定达到1.1 g/cm3及以上时，打浆时间和热压时间应最少在40 min左右。打浆时间在2040 min时，纸板的紧度无法满足要求，文献20,21认为较多的小纤维会使得绝缘纸板的紧度较高，对打浆时间进行延长后的结果表明在打浆时间为40 min以上时，纸板紧度均可满足要求。而热压时间低于40 min，热压后的纸板在冷却之后数小时内会发生形变，导致纸板的厚度略有增大，从而使得紧度降低。此外在16 MPa压力作用下热压时间超过60 min之后纸板会在高温作用下发生部分碳化，表面会产生黑色痕迹，如图4所示，影响纸板形貌以及性能。因此基于上述调研结合实验条件和实验现象取制备工艺及梯度如表2所示。对上面所选择的因素和水平进行正交实验设计，设计结果如表3所示。3 绝缘纸板性能调控 3.1 正交实验结果 将制备好的绝缘纸板进行干燥，浸油处理后测量其干纸板相对介电常数、油浸纸板相对介电常数和油浸纸板击穿场强，得到结果如图5、图6所示。从图中可以看出，工艺对绝缘纸板的性能影响较大，18组实验中干纸板相对介电常数、油浸纸板 图 4 高温下纸板表面碳化结果 Fig.4 Carbonization results of paperboard surface under high temperature 表 2 影响因素及参数范围 Table 2 Influencing factors and levels 水平 打浆压力/kg 打浆时间/min 热压压力/MPa 热压温度/热压时间/min 1 1 40 14 130 40 2 2 50 15 140 50 3 3 60 16 150 60 李 赛，黄 猛，苏妍箫，等：绝缘纸板介电与击穿性能匹配目标下的制备参数优化方法 1019 表 3 正交实验设计方案 Table 3 Orthogonal experimental design scheme 实验序号 打浆压力 打浆时间 热压压力 热压温度 热压时间1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 3 1 3 3 3 3 4 2 1 1 2 2 5 2 2 2 3 3 6 2 3 3 1 1 7 3 1 2 1 3 8 3 2 3 2 1 9 3 3 1 3 2 10 1 1 3 3 2 11 1 2 1 1 3 12 1 3 2 2 1 13 2 1 2 3 1 14 2 2 3 1 2 15 2 3 1 2 3 16 3 1 3 2 3 17 3 2 1 3 1 18 3 3 2 1 2 注：除第一列外，数字 1、2、3 分别表示在该因素下的不同水平。图 5 纸板相对介电常数 Fig.5 Relative dielectric constant of paperboard 相对介电常数和油浸纸板击穿场强最大值和最小值分别为3.502、4.486、49.869 kV/mm和2.938、4.005、37.468 kV/mm，其 极 差 分 别 为0.564、0.481、12.401 kV/mm。这说明工艺对绝缘纸板的介电性能影响较大，因此较好的工艺配合将整体提升绝缘纸板性能。3.2 制备工艺的权重分析 极差R是一个因素在各个水平(k1，k2，k3)下指标结果的最大值和最小值的差值，可以表示各因素水平发生改变时，指标的变化程度。因此，R的大小可以反映各因素对指标的影响程度，R越大，则该因素对指标的影响就越大22，对各因素的R值进行排序可以获得因素对性能的影响大小。将实验结果进行分析，计算极差R可以得出工艺参数与各项性能的权重，极差分析表如表4表6所示，表 图 6 交流击穿场强 Fig.6 AC breakdown field strength 表 4 干纸板相对介电常数极差分析表 Table 4 Range analysis table of dry paperboard relative dielectric constant 极差 计算值因素 打浆压力打浆时间热压温度 热压时间热压压力k1 3.215 3.299 3.229 3.240 3.261 k2 3.221 3.274 3.309 3.221 3.069 k3 3.182 3.101 3.145 3.269 3.249 极差 R0.039 0.198 0.164 0.048 0.192 表 5 油浸纸板相对介电常数极差分析表 Table 5 Range analysis table of oil impregnated paperboard relative dielectric constant 极差 计算值 因素 打浆压力打浆时间热压温度 热压时间热压压力k1 4.282 4.244 4.274 4.301 4.270 k2 4.283 4.254 4.328 4.234 4.191 k3 4.227 4.205 4.141 4.350 4.273 极差 R 0.056 0.049 0.187 0.116 0.082 中前3行数字分别表示各因素水平下干纸板相对介电常数、油浸纸板相对介电常数和交流击穿场的平均值。通过极差分析可以得出，工艺对干纸板相对介电常数的影响重要程度为：打浆时间热压压力热压温度打浆压力热压时间。其中打浆时间和热压压力、热压温度的影响较大，远大于剩下两者，分别为0.198、0.192和0.164。通过极差分析可以得出，工艺对油浸纸板相对介电常数的影响重要程度为：热压温度热压时间热压压力打浆压力打浆时间。其中影响最大的为热压温度和热压时间，极差分别为0.187和0.116。通过分析可以得出，工艺对油浸纸板交流击穿 1020 高电压技术 2023,49(3)表 6 油浸纸板交流击穿场强极差分析表 Table 6 Range analysis table of oil impregnated paperboard AC breakdown filed 极差 计算值 因素 打浆压力 打浆时间 热压温度 热压时间 热压压力k1 40.159 42.980 43.483 43.518 42.331 k2 43.698 44.119 41.654 41.208 46.099 k3 45.720 44.777 44.267 41.012 42.790 极差 R 5.561 1.797 2.613 2.506 3.768 场强的影响重要程度为：打浆压力热压压力热压温度热压时间打浆时间。其中影响较大的为打浆压力和热压压力，极差分别为5.561和3.768。3.3 制备工艺优化 从降低油浸纸板介电常数的目的出发，可以选择出工艺组合1，即打浆参数为：3 kg、60 min，热压参数为：150、15 MPa、50 min。按照这一参数进行绝缘纸板制备，4组平行实验结果见图7。计算其有效值均值可知，在此工艺参数下，干纸板相对介电常数、油浸纸板相对介电常数和油浸纸板击穿场强分别为：3.466、4.000、47.823 kV/mm。接下来按照油浸纸板相对介电常数的权重关系依次进行调控。首先进行热压温度的调节，在工艺组合1的基础上分别选择160、170 的热压温度进行纸板制备，测量结果如图8所示。从图中可以看出，随着热压温度的增加，油浸纸板相对介电常数先减小后增大，当温度为160 时最低，为3.938。因此更好的工艺组合2为：打浆参数取3 kg、60 min，热压参数取160、50 min、15 MPa。接下来对R值为0.116的热压时间进行调节，在工艺组合2的基础上，选择热压时间分别为45和55 min进行调节，结果如图9所示。从图中可以看出，随着热压时间的增加，油浸纸板相对介电常数先减小后增大，50 min的热压时间下最低，此时的工艺组合仍然为工艺组合2，可认为工艺组合2即为最佳工艺组合，再对权重排名第3的因素进行调节已无必要，因此工艺组合2为最佳工艺组合，此时干纸板相对介电常数、油浸纸板相对介电常数和油浸纸板击穿场强分别为3.360、3.938和49.267 kV/mm。接下来通过改变热压过程使用的网纹来改变绝缘纸板表面结构，将原本细丝的网纹更换为粗丝的网纹，使压制结果更接近ABB绝缘纸板的表面结构，如图10所示，将表面结构1改变为表面结构2。之后按照制备工艺2进行纸板制备，得出绝缘纸 图 7 工艺组合 1 纸板性能 Fig.7 Process combination 1 paperboard performance 图 8 热压温度调节结果 Fig.8 Hot pressing temperature adjustment results 图 9 热压时间调节结果 Fig.9 Hot pressing time adjustment results 板的干纸板相对介电常数、油浸纸板相对介电常数和油浸纸板击穿场强分别为2.994、3.417和47.934 kV/mm，油浸纸板相对介电常数相比于4.4降低了0.983，击穿场强略有降低。李 赛，黄 猛，苏妍箫，等：绝缘纸板介电与击穿性能匹配目标下的制备参数优化方法 1021 图 10 不同表面结构形态 Fig.10 Different surface structures 为计算不同相对介电常数下油纸复合击穿场强，油间隙设为2 mm，油相对介电常数为2.2，绝缘油击穿场强约为24 kV/mm23。自制绝缘纸板厚度为1 mm，油浸纸板的相对介电常数分别取3.417与4.4。按照交流电压下的分压比可计算出复合场强，如式3所示。10200110EE ddd()+=+(3)式中：E2为油纸复合击穿场强，E0为变压器油击穿场强，1为油浸纸板相对介电常数，0为变压器油相对介电常数，d1为纸板厚度，d0为油隙厚度。计算得出油浸纸板相对介电常数为4.4和3.417的油纸复合绝缘的平均击穿场强分别为20和21.166 kV/mm，相对提高了5.8%。4 分析与讨论 4.1 工艺、表面结构对击穿场强的影响 4.1.1 打浆压力对击穿场强的影响 打浆会影响纤维的分丝帚化程度、细小纤维含量等因素。从图11的放大40倍图中可以看出，从左向右来看纤维长度整体降低，细小纤维含量增多；从图11的放大400倍图中从上向下来看，纤维分丝帚化程度增大。因此可以得出，打浆压力主要影响纤维的分丝帚化程度，打浆压力越大，纤维的分丝帚化越明显。打浆时间主要影响细小纤维含量，打浆时间越长细小纤维含量越多。在相同的打浆时间和热压参数、不同的打浆压力下，制备油浸纸板并进行PEA测量，结果如图12所示。从图12中可以看出，3 kg打浆压力的纸板电荷注入速度比1 kg打浆压力的纸板快，这说明在前者纸板中电荷很快被捕获。而在去极化过程中，去极化60 s时前者空间电荷密度高出后者一倍左右，因此前者纸板捕获的电荷数量远多于后者。电 图 11 不同打浆参数对纤维形态的影响 Fig.11 Effect of different beating parameters on fiber morphology 荷在注入后被纸板中陷阱所捕获，难以继续在纸板中迁移，进而限制放电通道的形成24。此外在打浆压力较小时，纤维的分丝帚化程度 很低，链接不紧密，这时纸板内部的油隙较大，在外电场作用下，电荷主要在油隙中迁移25，而形成放电通道，因而整体击穿强度较低。在打浆压力较大时，纤维分丝帚化程度较高，纸板中纤维之间的交叠程度更高，连接更紧密。一方面会使电荷在纤维之间的移动更困难8，另一方面纤维之间的连接会使大油隙被分割成更小的油隙，降低了电子的有效平均自由行程，进而使击穿场强更高，因此打浆压力较高的纸板击穿性能更好。这从正交实验数据中3 kg打浆压力制备的纸板击穿场强一般均显著高于其他也可以得到印证。4.1.2 热压压力对击穿场强的影响 热压压力的大小是影响纸板紧度的一个关键因素，在相同条件下，热压压力越高，纤维间的孔隙越小，使原本松散多空的纸板结构变得紧密，增大了纤维之间的接触，使相邻纤维间易形成氢键26，提高了紧度，使得放电通道难以形成。因此在一定范围内，随着压强增大，击穿场强增大。但压强超过一定数值后，仅仅依靠物理加压无法明显改变纸板孔隙，但却会使得部分纤维被压溃，从而丧失绝缘能力27，因此在超过该数值后纸的击穿下降。打浆压力和热压压力均是通过改变纤维之间的连接以及纸板的孔径来提高击穿场强，打浆是从材料方面改变纤维的形态和分丝帚化程度进而影响 1022 高电压技术 2023,49(3)图 12 不同打浆压力绝缘纸板空间电荷特性 Fig.12 Space charge characteristics of insulating paperboard with different beating pressure 击穿场强，而热压仅是直接物理加压来改变纸板的紧密程度10。因而在一定热压压力的范围内，打浆压力改变的不同纤维形态对击穿场强影响更大。4.1.3 表面结构对击穿场强的影响 表面结构2相较于表面结构1明显压痕更深，深度分别为0.05和0.075 mm，因此在加压过程中放电通道更短更容易形成，击穿场强也就随之略微降低。4.2 工艺、表面结构对介电常数的影响 不同介质的分界面会导致电荷的局部积累，使得介质中的自由电荷分布不均匀从而产生宏观偶极矩，形成界面极化28。因此在外施电场作用下纸板中形成的自由电荷数量越少，界面极化程度越低，进而使得纸板相对介电常数降低。4.2.1 热压温度对相对介电常数的影响 在相同的打浆和热压压力、热压时间，不同的热压温度下制备油浸纸板并进行PEA测量，结果如图13所示。从图13中可以看出在去极化60 s时刻130 热压温度制备的油浸纸板空间电荷密度约为160 的1.5倍左右。这说明相对来说后者纸板中 图 13 不同热压温度油浸纸板去极化过程 PEA 结果 Fig.13 PEA results of depolarization process of oil impreg-nated paperboard at different hot pressing temperatures 李 赛，黄 猛，苏妍箫，等：绝缘纸板介电与击穿性能匹配目标下的制备参数优化方法 1023 的空间电荷数量更少，界面极化程度更低，因此 160 热压温度油浸纸板相对介电常数更低。4.2.2 热压时间对相对介电常数的影响 保证其他工艺参数不变时，改变热压时间，制备油浸纸板并进行PEA测量，结果如图14所示。从图中可以看出40 min热压时间的油浸纸板去极化60 s时的空间电荷密度相较于50 min热压时间高出20%左右，与热压温度的结果类似，因此在热压时间为50 min时相对介电常数更低。去极化60 s时刻不同热压温度制备的油浸纸板空间电荷密度相差1.5倍左右，而热压时间相差1.2倍左右，因而热压温度的影响比热压时间更大，这一点也与正交实验的权重结论相同。4.2.3 表面结构对相对介电常数的影响 两种表面结构的油浸纸板SPD陷阱分布如图15所示，表面结构1和表面结构2的峰值陷阱密度和峰值陷阱能级分别为：0.7588 eV、0.7349 eV和5.3291017 m3、2.2231017 m3，后者的陷阱能级更浅且峰值陷阱密度较低，仅为前者的41.7%，浅陷阱会使得电荷难积聚易消散7,29。因此在相同条件下表面结构2纸板表面所能捕获的电荷更少且更易消散，这会使纸板表面的电荷分布更均匀、宏观偶极矩更小，油浸纸板相对介电常数更低。5 结论 1）热压工艺对油浸纸板相对介电常数的影响大于打浆工艺，且热压温度和热压时间的影响较大，前者的影响权重是后者的1.6倍；但是相对于其他工艺，打浆压力和热压压力对油浸纸板击穿场强的影响更大，且打浆压力的影响是其他工艺参数的1.53倍。2）对于降低油浸纸板相对介电常数同时保证击穿场强达标这一目标来说，1 mm针叶木绝缘纸板的最佳工艺为：打浆：3 kg、60 min，热压：160、50 min、15 MPa。通过改变表面结构可以使得油浸纸板介电常数降低1左右，达到3.417，但目前相较于进口性能优异纸板仍有0.2左右的差距，仍需进一步提升。3）打浆压力较高时，纤维分丝帚化程度较高，增加纤维之间的连接，电荷在纤维间传输更加困难，且油隙变小，放电通道难以形成，油浸纸板击穿场 图 14 不同热压时间油浸纸板去极化过程 PEA 结果 Fig.14 PEA results of depolarization process of oil impreg-nated paperboard at different hot pressing times 图 15 不同表面结构陷阱参数 Fig.15 Trap parameters of different surface structures 强较高；适当的热压温度、热压压力、表面结构可以降低界面、表面陷阱密度和陷阱深浅，使得电荷分布更加均匀，从而降低界面极化程度和相对介电常数。参考文献 References 1 张 涛，江世杰，张 宁，等.基于介电模量谱和分数阶模型的植1024 高电压技术 2023,49(3)物油纸绝缘状态评估J.高电压技术，2022，48(4)：1452-1461.ZHANG Tao,JIANG Shijie,ZHANG Ning,et al.Research on evalua-tion of vegetable oil-paper insulation condition based on dielectric modulus spectrum and fractional modelJ.High Voltage Engineering,2022,48(4):1452-1461.2 甄 东.基于理化特性和介电特性的高密度绝缘纸板性能评价方法D.北京：华北电力大学(北京)，2018.ZHEN Dong.Performance evaluation of high density pressboard bas