一种提高纤维素绝缘纸耐电性能的表面改性方法技术

本发明专利技术公开一种提高纤维素绝缘纸耐电性能的表面改性方法，主要步骤包括：试样干燥，抽真空，清洗反应釜，注入氟、氮混合气体，分子结构改性处理，清洗反应釜，保证氟气被完全排出后，打开反应釜，最后取出试样。本发明专利技术经过分子结构调控处理，油浸纤维素绝缘纸直流耐电性能得到一定程度提升。

A surface modification method to improve the electrical resistance of cellulosic insulating paper

The invention discloses a surface modification method for improving the electrical resistance of cellulose insulating paper. The main steps include drying the sample, vacuuming, cleaning the reaction kettle, injecting fluorine and nitrogen mixed gases, modifying the molecular structure, cleaning the reaction kettle, ensuring that fluorine gas is completely discharged, opening the reaction kettle, and finally taking out the sample. After the molecular structure control treatment, the DC resistance of the oil-immersed cellulose insulating paper is improved to a certain extent.

【技术实现步骤摘要】
一种提高纤维素绝缘纸耐电性能的表面改性方法
本专利技术属于绝缘纸耐电领域，尤其涉及一种提高纤维素绝缘纸耐电性能的表面改性方法。
技术介绍
换流变压器与换流阀共同作为交流和直流系统的连接枢纽，其阀侧套管既要承受交流电场，又要承受直流、交直流复合以及极性反转电场作用，易发生绝缘破坏。在电场作用下，表面、界面及空间电荷的积聚将导致油纸组合绝缘电场畸变，引起油纸绝缘系统老化及绝缘失效等问题。因此油纸绝缘电荷调控是亟待解决的科学问题，并且具有实际的工程意义
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，填充研究领域的空白，提出一种提高纤维素绝缘纸耐电性能的表面改性方法，通过对传统纤维素绝缘纸进行分子结构调控处理，研究改性处理对纤维素绝缘纸化学组成及物理形貌的影响，并以此作为基础，分析改性处理对油浸绝缘纸电荷消散及陷阱能级特性的作用机理，揭示改性处理对油浸绝缘纸击穿特性的影响规律，探索纤维素绝缘纸的电荷调控方法，从而提高纤维素绝缘纸的绝缘特性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高纤维素绝缘纸耐电性能的表面改性方法，以纤维素绝缘纸为基体，利用氟气的强氧化性对纤维素绝缘纸进行改性处理，将纤维素绝缘纸的纤维素链中的H原子置换成F原子，使得C-H键被强极性且键能较高的C-F键所取代，具体包括如下步骤：1)试样干燥：首先裁剪纤维素纸至45×45mm大小；然后将其放置于真空干燥箱中，在90℃，真空度为50pa状态下进行真空干燥处理24h，得到充分干燥的纤维素绝缘纸试样；再将充分干燥的纤维素绝缘纸试样冷却至室温后，放置于反应釜中，密封反应釜；2)抽真空：打开旋叶真空泵快速抽出反应釜内空气，直至反应釜上压力表指针达到-0.1MPa后，关闭真空泵；3)清洗反应釜：(1)打开氮气瓶减压阀，向反应釜内注入高纯氮气并达到环境气压；(2)再次打开真空泵抽至真空；(3)重复上述步骤(1)和(2)五次以上，保证反应釜及管道内气体彻底排净；4)注入氟、氮混合气体：设定反应釜内温度为20℃，向反应釜内缓慢充入氟气体积分数为20％的氟、氮混合气体，使反应釜内气压达到预设气压500mbr，得到氟气体积分数为20％的氟、氮混合气体，并使之与纤维素绝缘纸试样反应；5)分子结构改性处理：氟化时间2-10min后，打开真空泵将内残余气体排出；6)清洗反应釜：按照步骤3)中的分步骤(1)至(3)使用高纯氮气反复清洗；7)保证氟气被完全排出后，打开反应釜；8)取出试样。为保证反应过程中氟气能与纤维素绝缘纸充分反应，所述步骤1)中反应釜中的试样保持在10张以内。所述步骤1)中纤维素绝缘纸厚度为0.13mm。所述步骤5)中氟化时间优选5min。有益效果1、由图4可以看出经过分子结构调控处理，油浸纤维素绝缘纸直流耐电性能得到一定程度提升，同时随着反应时间增加，直流击穿强度呈现先升高后下降的趋势。从图5击穿电压的威布尔概率分布结果也可以得出相同结论。2、氟化时间为5min是，纤维素绝缘纸的耐电性能最强。附图说明图1为纤维素纸分子结构调控处理流程图；图2为直流击穿实验电极示意图；图3为直流击穿测量原理图；图4为不同反应时间油浸绝缘纸直流击穿结果；图5为不同反应时间油浸绝缘纸直流击穿威布尔概率结果。具体实施方式本专利技术一种提高纤维素绝缘纸耐电性能的表面改性方法，利用分子结构调控装置对购买的纤维素绝缘纸进行氟化处理，具体步骤如下：(1)将纤维素纸裁剪至合适尺寸，然后将其放置于真空干燥箱中，在90℃，真空度为50pa状态下进行真空干燥处理24h，以除去绝缘纸中所含水分。(2)将充分干燥的绝缘纸试样冷却至室温后，放置于反应釜中，密封反应釜。需要说明的是，为保证反应过程中氟气能与绝缘纸充分反应，反应釜中的试样不宜过多。(3)打开旋叶真空泵快速抽出反应釜内空气，直至反应釜上压力表指针达到-0.1MPa后，关闭真空泵；打开氮气瓶减压阀，向反应釜内注入高纯氮气并达到环境气压；再次打开真空泵抽至真空。反复重复上述过程五次以上，保证反应釜及管道内气体彻底排净。(4)设定反应釜内所需的反应温度，向反应釜内缓慢充入氟气体积分数为20％的氟、氮混合气体，使反应釜内气压达到预设气压值，得到一定浓度氟、氮混合气体，并使之与绝缘纸试样反应。经过一定反应时间后，打开真空泵将内残余气体排出。(5)按照(3)中所述步骤使用高纯氮气反复清洗反应釜，保证氟气被完全排出后打开反应釜，取出试样。利用上述处理方法得到不同反应时间、反应温度及气体压力的纤维素纸试样。1、以纤维素绝缘纸为基体，利用氟气的强氧化性对纤维素绝缘纸进行改性处理，将纤维素绝缘纸的纤维素链中的H原子置换成F原子，使得C-H键被强极性且键能较高的C-F键所取代。实验采用0.13mm的纤维素绝缘纸，氟化的时间分别为2min、5min和10min。氟化处理流程如图1所示。1)试样干燥：首先裁剪纤维素纸至45×45mm；然后将其放置于真空干燥箱中，在90℃，真空度为50pa状态下进行真空干燥处理24h，得到充分干燥的纤维素绝缘纸试样；再将充分干燥的纤维素绝缘纸试样冷却至室温后，放置于反应釜中，密封反应釜；2)抽真空：打开旋叶真空泵快速抽出反应釜内空气，直至反应釜上压力表指针达到-0.1MPa后，关闭真空泵；3)清洗反应釜：(1)打开氮气瓶减压阀，向反应釜内注入高纯氮气并达到环境气压；(2)再次打开真空泵抽至真空；(3)重复上述步骤(1)和(2)五次以上，保证反应釜及管道内气体彻底排净；4)注入氟、氮混合气体：设定反应釜内反应温度20℃，向反应釜内缓慢充入氟气体积分数为20％的氟、氮混合气体，使反应釜内气压达到预设气压500mbr，得到一定浓度氟、氮混合气体，并使之与纤维素绝缘纸试样反应；5)分子结构改性处理：氟化时间2-10min后，打开真空泵将内残余气体排出；6)清洗反应釜：按照步骤3)中的分步骤(1)至(3)使用高纯氮气反复清洗；7)保证氟气被完全排出后，打开反应釜；8)取出试样。2、油浸绝缘纸直流击穿性能实验所采用的电极如图2所示。根据IEC60243标准，电极采用柱—板电极模型。柱电极高25mm，直径25mm，板电极直径为75mm，高15mm。柱板两个电极均为黄铜材质，且边缘均作倒角处理。测量原理如图3所示。测试前，将纤维素绝缘纸试样进行干燥及浸油处理，同时将实验用变压器油进行充分干燥处理。测量时，将油浸绝缘纸及试验电极置于变压器油中，控制高压直流电源按1kV/s速率升压，记录击穿电压结果。重复以上步骤，每组试样重复测量10次，记录全部数据。3、通过对油浸绝缘纸击穿电压进行双参数威布尔(Weibull)拟合，可分析分子结构调控处理对油浸纸绝缘性能的影响结果。双参数威布尔分布在寿命数据分析中具有广泛的应用。双参数Weibull分布可用简洁的累积分布函数表示：其中，双参数分别指尺度参数η和形状参数β。形状参数是瞬时失效概率随时间的变化率，形状参数越大，击穿电压分散性越小，即该组击穿电压数据越倾向于集中在较小电压区段内。尺度参数通常被称为特征电压，表示当试验进行至特征电压η时，试样存在63.2％的概率发生击穿现象。F为累计击穿概率，t为实验测得击穿电压值。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高纤维素绝缘纸耐电性能的表面改性方法，其特征在于，以纤维素绝缘纸为基体，利用氟气的强氧化性对纤维素绝缘纸进行改性处理，将纤维素绝缘纸的纤维素链中的H原子置换成F原子，使得C‑H键被强极性且键能较高的C‑F键所取代，具体包括如下步骤：1)试样干燥：首先裁剪纤维素纸至45×45mm大小；然后将其放置于真空干燥箱中，在90℃，真空度为50pa状态下进行真空干燥处理24h，得到充分干燥的纤维素绝缘纸试样；再将充分干燥的纤维素绝缘纸试样冷却至室温后，放置于反应釜中，密封反应釜；2)抽真空：打开旋叶真空泵快速抽出反应釜内空气，直至反应釜上压力表指针达到‑0.1MPa后，关闭真空泵；3)清洗反应釜：(1)打开氮气瓶减压阀，向反应釜内注入高纯氮气并达到环境气压；(2)再次打开真空泵抽至真空；(3)重复上述步骤(1)和(2)五次以上，保证反应釜及管道内气体彻底排净；4)注入氟、氮混合气体：设定反应釜内温度为20℃，向反应釜内缓慢充入氟气体积分数为20％的氟、氮混合气体，使反应釜内气压达到预设气压500mbr，得到氟气体积分数为20％的氟、氮混合气体，并使之与纤维素绝缘纸试样反应；5)分子结构改性处理：氟化时间2‑10min后，打开真空泵将内残余气体排出；6)清洗反应釜：按照步骤3)中的分步骤(1)至(3)使用高纯氮气反复清洗；7)保证氟气被完全排出后，打开反应釜；8)取出试样。...

【技术特征摘要】
1.一种提高纤维素绝缘纸耐电性能的表面改性方法，其特征在于，以纤维素绝缘纸为基体，利用氟气的强氧化性对纤维素绝缘纸进行改性处理，将纤维素绝缘纸的纤维素链中的H原子置换成F原子，使得C-H键被强极性且键能较高的C-F键所取代，具体包括如下步骤：1)试样干燥：首先裁剪纤维素纸至45×45mm大小；然后将其放置于真空干燥箱中，在90℃，真空度为50pa状态下进行真空干燥处理24h，得到充分干燥的纤维素绝缘纸试样；再将充分干燥的纤维素绝缘纸试样冷却至室温后，放置于反应釜中，密封反应釜；2)抽真空：打开旋叶真空泵快速抽出反应釜内空气，直至反应釜上压力表指针达到-0.1MPa后，关闭真空泵；3)清洗反应釜：(1)打开氮气瓶减压阀，向反应釜内注入高纯氮气并达到环境气压；(2)再次打开真空泵抽至真空；(3)重复上述步骤(1)和(2)五次以上，保证反应釜及管道内气体彻底排净；4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜伯学，常蕊，朱闻博，姜金鹏，李进，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12