杜邦雷力通敞开式干式变压器的绝缘材料和工艺的选择.doc

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敞开式干式变压器的绝缘材料和工艺的选择

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、 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, 干式变压器在中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。这些变压器的出现能够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、 SG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。当前已经不再生产。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( 中国为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, 可是不但不美观, 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。它的技术关键不但是浸渍漆( 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, 当前还只能靠进口。

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
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
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
正在迅速发展

二、 几种干式变压器常见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, 一些常见的绝缘材料、 耐热绝缘等级与温度的关系列表如下

表二 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

普通纤维纸
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 材料的耐热绝缘等级与其最高工作温度的关系
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εο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。它不但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。
　　 以常见的牌号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NOMEX®纸电气性能的影响

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®纸电气性能的影响
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®纸机械性能的影响( 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®纸机械性能的影响( 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进。
　　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能够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®材料能够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、 有关SG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。一般采用烘房常压干燥, 根据不同的规格应有严格的工艺操作程序。能够采用高温( 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, 这样能够缩短处理时间, 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、 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, 其区别在于绝缘材料的选择上, 一个是以NOMEX®纸为主, 另一个是以玻璃纤维、 陶瓷为主。其次是线圈的绝缘处理工艺不同, 一个是VPI真空、 压力浸渍, 另一个仅是VI真空浸渍。

2、 不同牌号的NOMEX®绝缘材料应用在不同的变压器部位, 材料价格上也有差异, 为了充分发挥它们的作用, 应尽量把它们使用在高温、 高电场处。如匝绝缘、 层间绝缘等能够用T-410, 饼间垫块可采用T-992或T-994等。

3、 这两种SG型干式变压器的共同特点是高压线圈与空气的接 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的限制, 线圈温升会有较大的裕度, 从而使变压器的可靠性有所提高。但线圈受污秽、 受潮的面积也大, 关键要靠材料、 浸渍漆( 树脂) 和浸渍工艺的保证。

4、 SG型敞开式干式变压器的制造设备、 模具投入少, 产品易于 改型, 制造厂的风险小。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, 这些都表明SG型干式变压器在技术上已经上了一个台阶。它优良的性能已经被广大用户所接受。随着绝缘材料和线圈绝缘处理工艺的不断完善, 我们相信SG型敞开式干式变压器将在中国得到迅速发展。

5、 在国家政府有关部门的指导下, 经过变压器制造厂家和电力部门的共同努力, 中国的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, 当前在标准( 特别在损耗和噪声方面) 、 制造设备和工艺方面都已经达到或超过国际上先进水平。而且, 国际已有的品种在中国基本上都有, 不象其它国家基本上只有一、 二个品种, 这样, 一方面能够给用户有更多的选择, 另一方面对于当前准备开发干式变压器的厂家也有了更多的选择。

参考文献: ⑴ 尹克宁《干式变压器的现状及其发展》电力设备 第一卷第二期 ⑵ 尹克宁《H级干式变压器的现状及其发展》电力设备 第一期 ⑶ 崔立君《特种变压器理论与设计》 ⑷ 杜邦公司的《NOMEX®》产品样本 ⑸ 柳溪等《IEC60076-11标准草案中干式变压器的几项特殊试验》变压器 第一期 作者简介: 陈季南( 1937--) 男 高级工程师 长期从事于变压器的设计与制造工作 原云南变压器厂总工程师。