敞开式干式变压器的绝缘材料和工艺的选择-DuPont

敞开式干式变压器的绝缘材料和工艺的选择敞开式干式变压器的绝缘材料和工艺的选择摘要摘要： 简单阐述敞开式干式变压器的发展过程，介绍新的 H 级绝缘敞开式干式变压器 的技术特点。并对不同的敞开式干式变压器所选用的绝缘材料和浸渍工艺等作 进一步对比说明。 关键词：敞开式 干式变压器 绝缘材料一、一、 概述：概述： 随着城市电网供电要求的不断提高和变压器技术的进步，干式变压器在我国的 使用已经很普遍。在这短短的二、三十年中，干式变压器技术得到了迅速的发 展，除了大家比较熟悉的环氧树脂型干式变压器外最近出现了一些不用环氧树 脂真空浇注或缠绕工艺的 SG 型敞开式干式变压器以及采用 NOMEX®（诺迈克） 绝缘材料，非环氧树脂真空浇注或 VPI 真空、压力浸渍处理的 SCR 型包封式干 式变压器。这些变压器的出现可以让供电用户有更多的选择。 所有敞开式干式 电力变压器的产品型号都称 SG 型，它们有相似的电磁计算、线圈形式和外形结 构，但在绝缘材料的选用、结构设计、制造工艺方面却有不同之处。 二、二、SGSG 型敞开式干式变压器在中国的发展型敞开式干式变压器在中国的发展 1、 二十世纪六十年代以前的干式变压器主要是 B 级绝缘的敞 开式干式变压器， 产品型号为 SG 型。当初还没有箔式线圈时，低压多数为多根并绕的层式或螺旋 式线圈，高压为饼式线圈。导线为双玻璃丝包线或单玻璃丝包缩醛漆包线。其 余绝缘材料多数为酚醛玻璃纤维类材料。其浸渍工艺为常温、常压下用 B 级绝 缘浸渍漆分别对高、低压线圈浸渍并进行中温干燥（干燥温度不超过 130）。 此种干式变压器虽然比油浸式变压器在防燃性能上有了很大的进步，但它的防 潮、防污秽性能令人担忧。目前已经不再生产。尽管如此，它成功的电、磁、 热计算和结构设计却给以后发展起来的新的 H 级绝缘敞开式变压器奠定了很好 的基础。 2、 美国的一些变压器厂（如位于佛吉尼亚州的 FPT 公司）研 制出一种采用美 国杜邦公司的 NOMEX®芳香聚酰胺作主要绝缘的干式变压器。FPT 公司的产品有 两种型号：FB 型为 180（H 级）的绝缘系统。FH 型为 220（C 级）的绝缘系 统，线圈温升分别为 115K（我国为 125K）和 150K。它的低压线圈为箔式或多 根并绕层式，匝绝缘和层间绝缘都采用 NOMEX®。高压线圈为饼式，导线也用 NOMEX®纸包扎，线饼之间不用常规的撑条加垫块的结构，而采用梳状撑条，这 样使得饼间的最高电压降低了一半，也大大提高了高压线圈的轴向抗短路能力， 却增加了线圈的绕制难度和制造工时。高低压线圈进行套绕，增强了机械强度。 也有采用 NOMEX®绝缘板作垫块加撑条结构的。高低压之间的绝缘筒用 0.76mm 厚的 NOMEX®纸板做成。它的浸渍工艺采用多次的 VPI 真空、压力浸渍，高温干燥（干燥温度达 180-190）。在 FPT 公司，这种变压器最高电压制造到 34.5kV，最大容量为 10000kVA。这种技术在美国得到 UL 的认证 国内有变压器 制造厂采用 NOMEX®绝缘材料和美国杜邦公司有关制造规范（HV-1 或 HV-2）以 及 Reliatran?雷力通 TM 变压器技术标准等要求制造的 H 级绝缘 SG 型干式变压 器与美国 FPT 公司的 FB 型变压器有相似之处，只是国内产品线圈的 VPI 浸渍工 艺不同于 FPT 公司，它不对整个变压器器身进行浸渍，而仅对线圈进行浸渍。 整个器身浸渍的包封整体性好，可是不仅不美观，还要在处理前必须做完产品 的相关检测。浸渍漆也容易被污秽，相对而言在中国后者比较合理。3、 在欧洲，干式变压器的发展比较多样化，除了环氧树脂真空 浇注和缠绕工 艺外，其它还有类似于我国 SCR 型非浇注固体绝缘包封式变压器和 SG 型敞开式 变压器的品种。在七十年代瑞典一家工厂用 NOMEX®绝缘材料开发出敞开式干式 变压器。而后，另一家工厂用玻璃纤维及 DMD 来替代 NOMEX®绝缘材料，降低了 材料成本。它的线圈结构与早期的 B 级绝缘产品相似，低压采用多根并绕或箔 式，高压为饼式。匝绝缘用玻璃纤维，垫块用陶瓷。其它绝缘件采用改性二苯 醚树脂玻璃布层压板（筒）或改性聚胺-酰亚胺层压玻璃布板（筒），还有 DMD、SMC 等。它的线圈处理工艺为 VI 真空浸渍，在浸渍过程中不加压力。它 的技术关键不仅是浸渍漆（树脂）和浸渍工艺的合理选择，更重要的是陶瓷片 的制作。普通陶瓷是一种脆性材料，不上釉的陶瓷容易受潮，且在其受力或受 热不均匀时会开裂。因此，它必须有很高密度和硬度才行，目前还只能靠进口。4、 上述几种 SG 型敞开式干式变压器除电磁计算、线圈形式、外形结构有相似 之处外，其它不同处归纳于表一。 表一表一 比 较 项 目B 级绝缘的 SG 型 玻璃纤维的 SG 型NOMEX®的 SG 型 绝缘等级 BHH 低压线圈匝绝缘玻璃纤维玻璃纤维NOMEX®绝缘材料 高压线圈匝绝缘玻璃纤维玻璃纤维NOMEX®绝缘材料层间绝缘玻璃纤维玻璃纤维或NOMEX®NOMEX®绝缘材料其他绝缘材料酚醛玻璃纤维类陶瓷、二苯醚NOMEX®、二苯醚线圈绝缘工艺常温、常压浸渍真空浸渍真空、压力浸渍在我国市场情况已不生产正在发展正在迅速发展二、 几种干式变压器常用的绝缘材料性能介绍和对比 干式变压器最关键的技 术之一就是绝缘材料的选择，它们的品种也很多，一些常用的绝缘材料、耐热 绝缘等级与温度的关系列表如下表二表二 一些绝缘材料的部分技术参数一些绝缘材料的部分技术参数 材 料 名 称耐热绝缘等级介电常数 体积电阻率（/cm） NOMEX®（T410）C1.5-2.5干燥状态 6×1016无机材料C3.0-5.0 玻璃纤维C5.0-6.0 普通纤维纸A4.5 聚脂类树脂、漆A-F3.1-3.2 聚脂薄膜A3.1干燥状态 1×1010SMC、DMCF4.5-5.5干燥状态 1×1010改性二苯醚板H 干燥状态 1×1010聚胺-酰亚胺板H6干燥状态 1×1010环氧树脂F4.6干燥状态 1×1010空气1 表三表三 材料的耐热绝缘等级与其最高工作温度的关系材料的耐热绝缘等级与其最高工作温度的关系 耐热绝缘等级AEBFHNC 最高工作温度 （）105120130155180200220至于干式变压器在那个部位选用何种绝缘材料，不能仅仅根据几项指标来定， 而应当综合考虑。如改性二苯醚板和聚胺-酰亚胺板虽然有很好的机械强度，却 难以切割加工，而硅玻璃层压板电气性能和阻燃效果都很好，可是会分层开裂。 环氧树脂有很好的包封效果，（有些浸渍漆也是环氧类树脂）为了在浇注时没 有气泡，除抽真空外还要增强环氧树脂的流动性，有一种措施就是加入卤素， 这种环氧树脂在被燃烧时会产生有害物质。 变压器的设计人员在选择各部位的材料时，应考虑它们之间的相 互配合， 为了使电场趋于均匀，须选择介电常数比较接近的材料。干式变压器周围介质 是空气，介电常数 接近于 1，势必要选择介电常数越小的材料越好。玻璃 纤维和陶瓷都是无机材料有很高的绝缘等级（C 级），价格也较低，可它们是 一种脆性材料且介电常数大。其它如 SMC、聚胺-酰亚胺板和环氧树脂等虽然有 很好的电气强度，但由于它们的介电常数大，在电场中承担不着高场强，而电 气强度差的空气却要承担高场强，因而易被电离或击穿。因而这些材料只能用 于非关键部位。 NOMEX®绝缘材料虽然价格较高，但确是一种高品质的 C 级绝 缘材料。它 不仅有卓越的机械和电气性能指标，而更为突出的是这些指标对周围的湿度和 温度不敏感。它在高温、低温以及在较大湿度、严重盐雾污秽的情况下仍有优 良的性能，这依赖于它有稳定的分子结构和化学性能。它有很好的电气强度， 又有很低的介电常数。它有很好的机械强度，不脆又易于机械加工。并有很多 的品种规格，便于选择。以常用的牌号 T-410，厚度为 0.25mm 的 NOMEX®纸为例，按美国材料标准 ASTM 相关要求和检测方法分别对它在不同的湿度、温度下的电气性能和机械性 能进行检测，其结果列于表四、表五、表六和表七中。 表四：湿度对表四：湿度对 NOMEX®NOMEX®纸电气性能的影响纸电气性能的影响相对湿度（%）干燥时5098 介电强度 （kV/mm）33.532.130.7介电常数 （1kHz）2.32.63.1介质损耗系数 （60Hz）0.0060.0060.011体积电阻率 （.cm）6×10162×10162×1014表五：温度对表五：温度对 NOMEX®NOMEX®纸电气性能的影响纸电气性能的影响温 度常 温100150200250 介电强度 AC （kV/mm）323231.530.7 28.5介电强度 BIL （kV/mm）6363626056介电常数 （60Hz）2.72.752.853.03.2介质损耗系数 （60Hz）0.0060.0050.0070.0110.023表六：湿度对表六：湿度对 NOMEX®NOMEX®纸机械性能的影响（沿轧纸方向）纸机械性能的影响（沿轧纸方向） 湿 度（%）020406080100 抗拉延伸率%1921.82425 24.822.5 抗拉强度 （N/cm）285280270257 237 215表七：温度对表七：温度对 NOMEX®NOMEX®纸机械性能的影响（沿轧纸方向）纸机械性能的影响（沿轧纸方向） 温 度常 温100150200 250 抗拉延伸率 （%）191920.523 25抗拉强度（N / cm）285252234214170我们在上表中看到湿度与温度对 NOMEX®纸的电气性能影响较小。随着湿度 与温度的增加，纸的延伸率却得到改善。 NOMEX®纸在 300时的限氧指数还大于 20.8%，有很好的阻燃性，即使在被 燃烧时，在烟雾中检测不到有害物质，安全性好。用它制造的干式变压器可以像油浸式变压器那样修理，寿命结束后能降解回收，环保性好。 需要说明的是，在上述材料中，只有 NOMEX®材料可以查阅到按美国材料标 准 ASTM 要求检测的，包括 UL 在内的世界很多认证机构认可的技术参数。其它 一些国内生产的材料还无法找到它们应用于干式变压器上的一些重要参数。如 被燃烧后，是否有有害物质以及它们适应环境能力如何等。四、四、 有关有关 SGSG 型干式变压器的绝缘处理型干式变压器的绝缘处理 油浸式变压器的水分主要集中在绝缘件中，把器身和油分别干燥后，将器 身浸入油中，用油把它保护起来。即使器身或油再次受潮后，还可以将它们重 新进行干燥处理。环氧树脂真空浇注式变压器用真空度、环氧树脂的流动性、 模具以及固化等工艺来保证，排除气泡将线圈严密包封。SG 型干式变压器的绝 缘处理与上述产品不同。大致可分四个阶段： 1、线圈绕制、整理完后进行烘焙干燥，这是一个很重要的阶段， 因为所有的 干式变压器线圈不可能再进行第二次干燥。通常采用烘房常压干燥，根据不同 的规格应有严格的工艺操作程序。可以采用高温（180-190）、时间短或中温 （140）、时间稍长的干燥方法。前者适用于采用 NOMEX®材料的 SG 型变压器， 这样可以缩短处理时间，提高工效。 2、使变压器适当降温后，把它置入浸渍罐中，在真空的状态下注入浸渍漆，并 保持一段时间，此时浸渍漆将渗透到线圈的缝隙中。 3、解除真空，改为压力，在 0.5Mpa 高的压力下，浸渍漆将被压入到每一个细 小的缝隙中。这样的浸渍效果要比仅仅用真空浸渍的方法好得多。笔者曾经在 美国 EPOXYLITE 公司见到用这种方法处理后被解剖的线圈内部浸渍树脂致密的 情况，确实使人放心。 4、经以上处理后的线圈，滴干，并高温干燥。经多次重复浸渍后的线圈表面形 成一层有一定电气、机械强度并保持性能稳定的薄膜。 5、VPI 真空、压力浸渍工艺流程示意见图一五、五、 结束语结束语 1、两种 SG 型敞开式干式变压器从外表看很相似，设计与制造上也有雷同之处， 其区别在于绝缘