杜邦雷力通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：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、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。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。表一烦比运较呼项糖目紫B级西绝缘唱的S饮G型轰玻璃西纤维锡的S仍G型撕NO勤ME毅X麻®但的S拾G型艰绝缘将等级槽毫B熄H廊H简低压锯线圈激匝绝转缘震玻璃命纤维姐玻璃掏纤维她NO币ME拒X投®匠绝缘趋材料危高压到线圈倾匝绝倍缘篇玻璃值纤维姨玻璃丧纤维严NO识ME忠X把®洞绝缘拔材料树层间姑绝缘男玻璃朱纤维旷玻璃馋纤维良或N尾OM昨EX届®纱NO莲ME常X导®仗绝缘泳材料锻其他姿绝缘升材料行酚醛范玻璃势纤维烫类嘴陶瓷孕、二每苯醚夫NO宵ME叔X朗®掌、二店苯醚于线圈柄绝缘涨工艺殖常温薄、常澡压浸鸡渍滥真空顽浸渍绳真空头、压悲力浸披渍器在我席国市越场情首况秋已不川生产经正在睁发展用正在谨迅速疲发展二、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二一些绝缘材料的部分技术参数甚材厌料粮名证称脂耐热食绝缘甲等级股介电桥常数畏εο扑体积坡电阻狂率（雀Ω着/c终m）竿NO双ME宣X耀®屠（T易41馅0）哥C润1.傍5-隐2.弄5群干燥眉状态女6哥×踢10搞16叨无机义材料寒C戚3.饲0-贴5.或0责

侧玻璃疫纤维用C掩5.堂0-腐6.太0限

锦普通北纤维醒纸缝A杜4.姥5闸

掘聚脂者类树时脂、语漆俱A醒-F汤3.学1-蛛3.颂2遇

坚聚脂估薄膜花A鉴3.狐1秒干燥吉状态宫1报×词10罗10嘴SM圣C、猾DM交C参F旁4.匠5-独5.壁5血干燥犯状态补1掠×棋10些10检改性悉二苯悬醚板腿H都

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炸1烟

表三材料的耐热绝缘等级与其最高工作温度的关系或耐热筑绝缘祝等级职A恳E测B芦F闹H妖N笑C冈最高县工作河温度仔（无℃瓦）有10谁5剑12欲0灿13邮0初15刻5潜18菜0妥20签0保22沈0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NOMEX®纸电气性能的影响长相对遗湿度手（%献）还干燥毫时盘50锐98诸介电避强度里（k稻V/残mm溜）录33狡.5吸32贪.1估30掘.7炒介电元常数隙（1养kH气z）性2.低3躁2.爪6烤3.雀1扭介质颤损耗密系数锈（6辽0H黎z）丈0.陶00勾6杜0.蓬00纺6才0.袄01但1竟体积桥电阻岔率（棍Ω康.c局m）枪6柿×巨10荷16削2座×欺10安16防2稀×继10猾14表五：温度对NOMEX®纸电气性能的影响霸温傍度壮常压温阴10奖0撇℃堆15映0苗℃穷20齐0趣℃刻25界0哥℃所介电撇强度母AC

脖（k伸V/继mm稻）叮32转32黑31宜.5宝30按.7交28观.5腔介电扬强度龄BI祖L

挠（k切V/月mm皱）妥63可63帐62你60塑56君介电哭常数

反（6冷0H兄z）狮2.医7话2.团75申2.央85倘3.嫁0痛3.丹2待介质狂损耗榴系数

惕（6崇0H科z）伸0.再00驴6总0.敲00同5翼0.鼓00滑7烦0.赖01浪1扔0.躁02咳3表六：湿度对NOMEX®纸机械性能的影响（沿轧纸方向）屿湿戏度（供%）亦0萄20瓦40扯60僻80测10橡0词抗拉惩延伸管率%苦19拐21盈.8板24糠25煮24饱.8棉22帆.5牢抗拉通强度略（N制/c标m）姐28姑5何28攻0火27夸0老25婶7晌23勉7莫21旋5表七：温度对NOMEX®纸机械性能的影响（沿轧纸方向）处温省度驱常行温略10丈0秩℃经15养0浓℃悄20总0杯℃遭25把0仙℃临抗拉森延伸液率（根%）子19粒19洋20惑.5鹿23岛25偶抗拉分强度麦（N津/塔c辈m）泳28紧5陵25嗽2胃23壁4岸21窗4夹17三0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、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、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、层间绝缘等可以用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