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敞开式干式变压器绝缘材料和工艺选择

摘要：
简单叙述敞开式干式变压器发展过程，介绍新H级绝缘敞开式干式变压器技术特点。并对不一样敞开式干式变压器所选择绝缘材料和浸渍工艺等作深入对比说明。

关键词：敞开式 干式变压器 绝缘材料

一、 概述：

伴随城市电网供电要求不停提升和变压器技术进步，干式变压器在中国使用已经很普遍。在这短短二、三十年中，干式变压器技术得到了快速发展，除了大家比较熟悉环氧树脂型干式变压器外最近出现了部分不用环氧树脂真空浇注或缠绕工艺SG型敞开式干式变压器和采取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SCR型包封式干式变压器。这些变压器出现能够让供电用户有更多选择。 全部敞开式干式电力变压器产品型号全部称SG型，它们有相同电磁计算、线圈形式和外形结构，但在绝缘材料选择、结构设计、制造工艺方面却有不一样之处。

二、SG型敞开式干式变压器在中国发展

1、 二十世纪六十年代以前干式变压器关键是B级绝缘敞 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。其它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（干燥温度不超出130℃）。此种干式变压器即使比油浸式变压器在防燃性能上有了很大进步，但它防潮、防污秽性能令人担忧。现在已经不再生产。尽管如此，它成功电、磁、热计算和结构设计却给以后发展起来新H级绝缘敞开式变压器奠定了很好基础。

2、 美国部分变压器厂（如在佛吉尼亚州FPT企业）研 制出一个采取美国杜邦企业NOMEX®芳香聚酰胺作关键绝缘干式变压器。FPT企业产品有两种型号：FB型为180℃（H级）绝缘系统。FH型为220℃（C级）绝缘系统，线圈温升分别为115K（中国为125K）和150K。它低压线圈为箔式或多根并绕层式，匝绝缘和层间绝缘全部采取NOMEX®。高压线圈为饼式，导线也用NOMEX®纸包扎，线饼之间不用常规撑条加垫块结构，而采取梳状撑条，这么使得饼间最高电压降低了二分之一，也大大提升了高压线圈轴向抗短路能力，却增加了线圈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。也有采取NOMEX®绝缘板作垫块加撑条结构。高低压之间绝缘筒用0.76mm厚NOMEX®纸板做成。它浸渍工艺采取数次VPI真空、压力浸渍，高温干燥（干燥温度达180-190℃）。在FPT企业，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认证 中国有变压器制造厂采取NOMEX®绝缘材料和美国杜邦企业相关制造规范（HV-1或HV-2）和Reliatran?雷力通TM变压器技术标准等要求制造H级绝缘SG型干式变压器和美国FPT企业FB型变压器有相同之处，只是中国产品线圈VPI浸渍工艺不一样于FPT企业，它不对整个变压器器身进行浸渍，而仅对线圈进行浸渍。整个器身浸渍包封整体性好，可是不仅不美观，还要在处理前必需做完产品相关检测。浸渍漆也轻易被污秽，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，其它还有类似于中国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。以后，另一家工厂用玻璃纤维及DMD来替换NOMEX®绝缘材料，降低了材料成本。它线圈结构和早期B级绝缘产品相同，低压采取多根并绕或箔式，高压为饼式。匝绝缘用玻璃纤维，垫块用陶瓷。其它绝缘件采取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。它线圈处理工艺为VI真空浸渍，在浸渍过程中不加压力。它技术关键不仅是浸渍漆（树脂）和浸渍工艺合理选择，更关键是陶瓷片制作。一般陶瓷是一个脆性材料，不上釉陶瓷轻易受潮，且在其受力或受热不均匀时会开裂。所以，它必需有很高密度和硬度才行，现在还只能靠进口。

4、 上述多个SG型敞开式干式变压器除电磁计算、线圈形式、外形结构有相同之处外，其它不一样处归纳于表一。
表一
比 较 项 目
B级绝缘SG型
玻璃纤维SG型
NOMEX®SG型
绝缘等级
B
H
H
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
其它绝缘材料
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
在中国市场情况
已不生产
正在发展
正在快速发展

二、 多个干式变压器常见绝缘材料性能介绍和对比 干式变压器最关键技术之一就是绝缘材料选择，它们品种也很多，部分常见绝缘材料、耐热绝缘等级和温度关系列表以下

表二 部分绝缘材料部分技术参数
材 料 名 称
耐热绝缘等级
介电常数εο
体积电阻率（Ω/cm）
NOMEX®（T410）
C
1.5-2.5
干燥状态6×1016
无机材料
C
3.0-5.0

玻璃纤维
C
5.0-6.0

一般纤维纸
A
4.5

聚脂类树脂、漆
A-F
3.1-3.2

聚脂薄膜
A
3.1
干燥状态1×1010
SMC、DMC
F
4.5-5.5
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
H
6
干燥状态1×1010
环氧树脂
F
4.6
干燥状态1×1010
空气

1

表三 材料耐热绝缘等级和其最高工作温度关系
耐热绝缘等级
A
E
B
F
H
N
C
最高工作温度（℃）
105
120
130
155
180
200
220

至于干式变压器在那个部位选择何种绝缘材料，不能仅仅依据几项指标来定，而应该综合考虑。如改性二苯醚板和聚胺-酰亚胺板即使有很好机械强度，却难以切割加工，而硅玻璃层压板电气性能和阻燃效果全部很好，可是会分层开裂。环氧树脂有很好包封效果，（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流动性，有一个方法就是加入卤素，这种环氧树脂在被燃烧时会产生有害物质。
　　 变压器设计人员在选择各部位材料时，应考虑它们之间相 互配合，为了使电场趋于均匀，须选择介电常数比较靠近材料。干式变压器周围介质是空气，介电常数εο靠近于1，势必需选择介电常数越小材料越好。玻璃纤维和陶瓷全部是无机材料有很高绝缘等级（C级），价格也较低，可它们是一个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即使有很好电气强度，但因为它们介电常数大，在电场中负担不着高场强，而电气强度差空气却要负担高场强，所以易被电离或击穿。所以这些材料只能用于非关键部位。
　　 NOMEX®绝缘材料即使价格较高，但确是一个高品质C级绝 缘材料。它不仅有卓越机械和电气性能指标，而更为突出是这些指标对周围湿度和温度不敏感。它在高温、低温和在较大湿度、严重盐雾污秽情况下仍有优良性能，这依靠于它有稳定分子结构和化学性能。它有很好电气强度，又有很低介电常数。它有很好机械强度，不脆又易于机械加工。并有很多品种规格，便于选择。
　　 以常见牌号T-410，厚度为0.25mmNOMEX®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一样湿度、温度下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NOMEX®纸电气性能影响

相对湿度（%）
干燥时
50
98
介电强度（kV/mm）
33.5
32.1
30.7
介电常数（1kHz）
2.3
2.6
3.1
介质损耗系数（60Hz）
0.006
0.006
0.011
体积电阻率（Ω.cm）
6×1016
2×1016
2×1014

表五：温度对NOMEX®纸电气性能影响
温 度
常 温
100℃
150℃
200℃
250℃
介电强度AC
（kV/mm）
32
32
31.5
30.7
28.5
介电强度BIL
（kV/mm）
63
63
62
60
56
介电常数
（60Hz）
2.7
2.75
2.85
3.0
3.2
介质损耗系数
（60Hz）
0.006
0.005
0.007
0.011
0.023

表六：湿度对NOMEX®纸机械性能影响（沿轧纸方向）
湿 度（%）
0
20
40
60
80
100
抗拉延伸率%
19
21.8
24
25
24.8
22.5
抗拉强度（N/cm）
285
280
270
257
237
215

表七：温度对NOMEX®纸机械性能影响（沿轧纸方向）
温 度
常 温
100℃
150℃
200℃
250℃
抗拉延伸率（%）
19
19
20.5
23
25
抗拉强度（N / cm）
285
252
234
214
170

　　我们在上表中看到湿度和温度对NOMEX®纸电气性能影响较小。伴随湿度和温度增加，纸延伸率却得到改善。
　　NOMEX®纸在300℃时限氧指数还大于20.8%，有很好阻燃性，即使在被燃烧时，在烟雾中检测不到有害物质，安全性好。用它制造干式变压器能够像油浸式变压器那样修理，寿命结束后能降解回收，环境保护性好。
　　需要说明是，在上述材料中，只有NOMEX®材料能够查阅到按美国材料标准ASTM要求检测，包含UL在内世界很多认证机构认可技术参数。其它部分中国生产材料还无法找到它们应用于干式变压器上部分关键参数。如被燃烧后，是否有有害物质和它们适应环境能力怎样等。

四、 相关SG型干式变压器绝缘处理

　　油浸式变压器水分关键集中在绝缘件中，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，还能够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、环氧树脂流动性、模具和固化等工艺来确保，排除气泡将线圈严密包封。SG型干式变压器绝缘处理和上述产品不一样。大致可分四个阶段：
1、线圈绕制、整理完后进行烘焙干燥，这是一个很关键阶段， 因为全部干式变压器线圈不可能再进行第二次干燥。通常采取烘房常压干燥，依据不一样规格应有严格工艺操作程序。能够采取高温（180-190℃）、时间短或中温（140℃）、时间稍长干燥方法。前者适适用于采取NOMEX®材料SG型变压器，这么能够缩短处理时间，提升工效。
2、使变压器合适降温后，把它置入浸渍罐中，在真空状态下注入浸渍漆，并保持一段时间，此时浸渍漆将渗透到线圈缝隙中。
3、解除真空，改为压力，在0.5Mpa高压力下，浸渍漆将被压入到每一个细小缝隙中。这么浸渍效果要比仅仅用真空浸渍方法好得多。笔者曾经在美国EPOXYLITE企业见到用这种方法处理后被解剖线圈内部浸渍树脂致密情况，确实使人放心。
4、经以上处理后线圈，滴干，并高温干燥。经数次反复浸渍后线圈表面形成一层有一定电气、机械强度并保持性能稳定薄膜。
5、VPI真空、压力浸渍工艺步骤示意见图一

五、 结束语

1、两种SG型敞开式干式变压器从外表看很相同，设计和制造上也有雷同之处，其区分在于绝缘材料选择上，一个是以NOMEX®纸为主，另一个是以玻璃纤维、陶瓷为主。其次是线圈绝缘处理工艺不一样，一个是VPI真空、压力浸渍，另一个仅是VI真空浸渍。

2、 不一样牌号NOMEX®绝缘材料应用在不一样变压器部位，材料价格上也有差异，为了充足发挥它们作用，应尽可能把它们使用在高温、高电场处。如匝绝缘、层间绝缘等能够用T-410，饼间垫块可采取T-992或T-994等。

3、 这两种SG型干式变压器共同特点是高压线圈和空气接 触面积大，好处是散热通风好，超铭牌运行能力强，有时也因为负载损耗限制，线圈温升会有较大裕度，从而使变压器可靠性有所提升。但线圈受污秽、受潮面积也大，关键要靠材料、浸渍漆（树脂）和浸渍工艺确保。

4、 SG型敞开式干式变压器制造设备、模具投入少，产品易于 改型，制造厂风险小。它从B级绝缘发展到H级。绝缘材料从玻璃纤维到NOMEX®绝缘材料，线圈绝缘处理从常温、常压浸渍到真空、压力浸渍，这些全部表明SG型干式变压器在技术上已经上了一个台阶。它优良性能已经被广大用户所接收。伴随绝缘材料和线圈绝缘处理工艺不停完善，我们相信SG型敞开式干式变压器将在中国得到快速发展。

5、 在国家政府相关部门指导下，经过变压器制造厂家和电力部门共同努力，中国干式变压器技术从引进、消化吸收、二次开发直到能够自主开发，现在在标准（尤其在损耗和噪声方面）、制造设备和工艺方面全部已经达成或超出国际上优异水平。而且，国际已经有品种在中国基础上全部有，不象其它国家基础上只有一、二个品种，这么，首先能够给用户有更多选择，其次对于现在准备开发干式变压器厂家也有了更多选择。

参考文件： ⑴ 尹克宁《干式变压器现实状况及其发展》电力设备第一卷第二期 ⑵ 尹克宁《H级干式变压器现实状况及其发展》电力设备第一期 ⑶ 崔立君《特种变压器理论和设计》 ⑷ 杜邦企业《NOMEX®》产品样本 ⑸ 柳溪等《IEC60076-11标准草案中干式变压器几项特殊试验》变压器第一期 作者介绍： 陈季南（1937--）男 高级工程师 长久从事于变压器设计和制造工作 原云南变压器厂总工程师。