深度解析干式變壓器在中國的發(fā)展
文章來源:北京創(chuàng)聯(lián)匯通電氣 ????? 發(fā)布時間： 2019-02-12 10:19:22
導(dǎo)讀：自從法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后，一個世紀(jì)前最早出現(xiàn)的變壓器就是干式變壓器。由于這種變壓器容量不能做大，電壓無法做高，技術(shù)上受到了極大的限制。變壓器油的出現(xiàn)給變壓器技
自從法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后，一個世紀(jì)前較早出現(xiàn)的變壓器就是干式變壓器。由于這種變壓器容量不能做大，電壓無法做高，技術(shù)上受到了極大的限制。變壓器油的出現(xiàn)給變壓器技術(shù)發(fā)展立下了不可磨滅的功績。這種廉價的、絕緣和導(dǎo)熱性能良好的油介質(zhì)使變壓器應(yīng)用范圍變得非常寬廣。與此同時，變壓器也出現(xiàn)一些事故，燃燒、爆炸。嚴(yán)重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。這一切把原因都?xì)w罪于會燃燒的變壓器油身上。特別是用電量迅猛增長后配電中心越來越靠近人們活動中心，此時安全是較好位的，而這種配電變壓器容量不用大，電壓不會高，采用干式變壓器是再好不過的。上個世紀(jì)五、六十年代在中出現(xiàn)了B級絕緣的外叫做《OVDT》的敞開、通風(fēng)冷卻干式變壓器。這種干式變壓器由于絕緣材料價格高，性能差，制造工藝簡單，使得變壓器可靠性低，故障率高。沒有得到大家的認(rèn)可。其實在當(dāng)時，外已經(jīng)出現(xiàn)環(huán)氧樹脂和NOMEX®紙。這樣，在歐洲就開發(fā)了環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器，而美就開發(fā)了用NOMEX®紙作絕緣的《OVDT》敞開式、通風(fēng)冷卻干式變壓器。接著法采用美杜邦公司經(jīng)過UL認(rèn)證的NOMEX®絕緣規(guī)范開發(fā)出SECURAMID®《VDT》包封、通風(fēng)冷卻干式變壓器（SECURAMID®是由美杜邦公司在全球注冊的商標(biāo)。）。
二、干式變壓器的分類：
干式變壓器分類有很多種方法，如按型號分，有SC（環(huán)氧樹脂澆注包封式）、SCR（非環(huán)氧樹脂澆注固體絕緣包封式）、SG（敞開式）。也可按絕緣等級分，有B級，F(xiàn)級，H級和C級，外有些家在H和C級之間還有一個N級。
1、SF6氣體絕緣干式變壓器：
SF6變壓器在日本應(yīng)用比較廣泛，而在我則很少。它與其他干式變壓器相比較較突出的優(yōu)越性在于應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，這種變壓器容量可以做到三相300MVA，電壓可以做到單相500kV（都是由日本制造），同樣它也可以制造10kV級配電變壓器（早在1988年我的廣州高壓電器廠、北京二變、常州變壓器廠都開發(fā)過，其中北京二變曾經(jīng)小批量生產(chǎn)）。而且它的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝與傳統(tǒng)的油浸變壓器有很多雷同之處。變壓器制造廠不用很多的設(shè)備投入就可以去研究開發(fā)它了。當(dāng)然它的缺陷也是很明顯的，SF6氣體在金屬過熱時會被分解出一種SF4的極毒物質(zhì)，加上制造工藝不好，產(chǎn)生泄漏后對大氣，對人們帶來的后果不堪設(shè)想。因此，很多內(nèi)專家認(rèn)為在制造工藝達(dá)不到一定水平時不應(yīng)提倡在中發(fā)展這種變壓器。
2、環(huán)氧樹脂真空澆注變壓器：
?。?）早在70年代上海和北京變壓器廠相繼開發(fā)出厚絕緣帶石英粉填料的在真空狀態(tài)澆注的環(huán)氧樹脂包封干式變壓器，從此干式變壓器在我正式成為批量供應(yīng)的新一代產(chǎn)品，盡管由于當(dāng)時它在材料上，制造工藝上存在一些問題而被后來的純環(huán)氧樹脂的薄絕緣技術(shù)所替代，但它畢竟為干式變壓器開創(chuàng)了一個好的開端，推動了我干式變壓器技術(shù)的發(fā)展。
?。?）由于厚絕緣（6mm）難于解決開裂問題，正在人們對環(huán)氧樹脂干式變壓器技術(shù)產(chǎn)生懷疑時，順德變壓器廠成功地從德引進(jìn)不帶石英填料的純環(huán)氧樹脂薄絕緣（1-3mm）技術(shù)，它的出現(xiàn)，使我的干式變壓器的技術(shù)得到迅速發(fā)展。由于這種技術(shù)的產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定（用進(jìn)口的澆注設(shè)備和進(jìn)口的樹脂），用戶比較滿意。加上當(dāng)時制造廠有較好的經(jīng)濟效益，大家紛紛上馬。開始10多家，后來30家，70家，現(xiàn)在有100多家采用這種技術(shù)。目前已經(jīng)占干變市場的90-95%，生產(chǎn)能力每年已經(jīng)超過3000萬kVA。供已經(jīng)大于求好多了。這種變壓器大家都已經(jīng)很熟悉，我們就不多說了。
?。?）在本世紀(jì)初上海GE公司采用美技術(shù)研究開發(fā)出H級絕緣的帶填料的薄絕緣環(huán)氧樹脂真空澆注干式變壓器，變壓器的內(nèi)部的部分絕緣材料采用NOMEX®絕緣紙。他成功的解決了變壓器內(nèi)部各種絕緣構(gòu)件之間的絕緣配合、工藝配方和澆注均勻等技術(shù)難題。它的出現(xiàn)把環(huán)氧樹脂包封的干式變壓器絕緣耐熱等級從B級、F級提高到H級，但是要提高到C級，目前的技術(shù)是不可能的。
3、環(huán)氧樹脂纏繞工藝干式變壓器：
?。?）上海ABB公司制造的被稱為"雷神"技術(shù)的干式變壓器，也是一種有特色的產(chǎn)品。它不要貴昂的澆注設(shè)備和繁多的澆注模，產(chǎn)品的派生和生產(chǎn)十分方便。預(yù)浸的玻璃纖維緊密的包繞和高溫固化后，使變壓器的機械強度特別好。
?。?）當(dāng)然它的難點在于局放，因此,主縱絕緣的場強要按不產(chǎn)生局放進(jìn)行選擇,這樣變壓器的體積可能會大一點。相對制造成本也不低。另外,線圈的外觀沒有用模子澆注的產(chǎn)品那樣光滑。這種產(chǎn)品無論在中或外都不多見。
現(xiàn)在用環(huán)氧樹脂作主要絕緣的產(chǎn)品,在中已經(jīng)很普遍,也被很多用戶所接受。但是，較近很多專家指出干式變壓器的較終降解處理，以及環(huán)保問題，應(yīng)當(dāng)引起大家的重視。
4、采用NOMEX®紙絕緣規(guī)范類干式變壓器：
4．1我們了解了NOMEX®紙的性能，就可以清楚地知道這種變壓器的特點。
?。?）NOMEX®絕緣紙是由一種芳香聚酰胺聚合物的纖維組成。
這種纖維織成布就是一種耐酸、耐堿、防火的消防服或宇航服。我們從它的分子結(jié)構(gòu)中可以看到，它沒有弱的C-H鍵，即使在外部高溫作用下也破壞不了它的分子結(jié)構(gòu)，只能使分子之間的鍵斷裂，因此它的化學(xué)性能特別穩(wěn)定。它不會受到昆蟲、真菌和霉菌的侵害。并且與油、浸漬漆、氟碳化合物等有很好的相容性。
?。?）NOMEX®絕緣紙的電氣性能非常突出，可以歸納為下面幾點：
l在250℃的高溫下仍具有很高的表面電阻率（1013Ω/cm2）和體積電阻率（1011Ω/cm3）；
l在很寬的頻率范圍內(nèi)，在200℃及以下溫度時，介質(zhì)損耗始終在0.01；
l它的相對介電常數(shù)只有1.5-2.5，比很多常用的絕緣材料都低；
l它的工頻擊穿電壓達(dá)35kV/mm，并且沿面放電起始電壓很高。
（3）NOMEX®絕緣紙有良好的機械性能：
經(jīng)過高溫高壓處理過的NOMEX®絕緣紙的延伸率幾乎穩(wěn)定不變，它有很高的抗撕裂強度，有很好的耐磨性和韌性。，它不但有良好的高溫機械性能，而且還有良好的低溫機械性能。
?。?）NOMEX®絕緣紙的耐溫等級較高，為C級，長期可穩(wěn)定的在220℃溫度下安全工作。在350℃時可以承受短時運行，在250℃時不會軟化、熔融和助燃。即使在750℃時不會釋放出有毒或腐蝕性的氣體，在很低的溫度下也不會脆化。因此它在很廣的的溫度范圍內(nèi)保持性能穩(wěn)定。在美它被廣泛的用在C級絕緣的產(chǎn)品上。
?。?）它有優(yōu)良的防潮性能：
在相對濕度為95%的狀態(tài)下，致密的NOMEX®絕緣紙仍可保持90%的完全干燥時的介電強度。水份很難滲透經(jīng)高溫高壓處理的表面。
?。?）NOMEX®絕緣紙較突出的性能就是它的阻燃性特別好，經(jīng)試驗證明，它在250℃時的限氧指數(shù)LOI仍然大于20.8%，因此它不會助燃，能阻燃。
限氧指數(shù)（LOI）（%）
（7）NOMEX®絕緣紙的安全性好。杜邦是世界上歷史悠久（到今年，已經(jīng)有200年的歷史）的化工公司，他有強烈的安全和環(huán)保意識。他的產(chǎn)品--NOMEX®絕緣紙也就是這樣一種產(chǎn)品，它在被燃燒時都不會釋放出有害物質(zhì)，關(guān)于這一點，從云南變壓器廠生產(chǎn)的干式變壓器在意大利CESI先立實驗室的F1耐火能力試驗中可以得到驗證。
?。?）從NOMEX®絕緣紙的老化試驗中可以看到，在250℃的高溫10萬小時作用下，它的介電強度、抗拉強度以及及延伸率仍然保持了很好的狀態(tài)，得到美UL的認(rèn)證。
4．2杜邦®ReliatraN®技術(shù)《OVDT》敞開式干式變壓器：
由江蘇揚中中電設(shè)備制造公司采用美杜邦公司的ReliatraN®技術(shù)變壓器規(guī)范，開發(fā)出《OVDT》敞開式干式變壓器，在2000年通過了SG10型10kV級30-2500kVA的兩部鑒定，正式推向市場。并成為杜邦®ReliatraN®技術(shù)變壓器的特許制造廠。
這種變壓器的低壓為箔式或多根并繞的螺旋式線圈，高壓為餅式線圈。匝間、層間、餅間墊塊以
及撐條都采用高密度的NOMEX®紙。線圈經(jīng)過多次真空、壓力（VPI）浸漬處理。工藝方法又可以分為兩種。一種是僅僅處理線圈，浸漬罐尺寸可以小一點，變壓器的外觀比較整潔。另一種方法是待變壓器裝配好，試驗合格后，整個變壓器進(jìn)行浸漬，此時變壓器全部被浸漬漆所包封，包封的效果更佳。在這里我們介紹前一種方法。這個工藝過程大致是這樣的：
l預(yù)熱：先把線圈整理好，試驗合格，然后把它放入烘房，經(jīng)過一定的溫度和時間的烘焙，把線圈取出，表面溫度降到100℃；
l真空：將線圈放入VPI浸漬罐，抽真空到<5mm汞柱，維持一段時間；
l浸漬：開啟VPI浸漬罐的釋放閥，放入浸漬漆；至線圈頂部50mm以上；
l真空：再抽真空，維持一段時間；
l加壓：解除真空后，加6個巴壓力，維持較長一段時間；
l滴干：解除壓力后，把線圈取出，把漆盡量滴干；
l烘干：把線圈放入烘房，烘干；
l冷卻：把線圈取出，冷卻待裝。
這類變壓器外表看來和以前B級絕緣敞開式干式變壓器沒有多少區(qū)別，其實是兩種完全不同的產(chǎn)品。它的絕緣材料用的是高性能的NOMEX®絕緣紙，而B級絕緣的絕緣材料采用的是玻璃纖維和環(huán)氧類，現(xiàn)在的制造工藝是真空壓力浸漬，而B級絕緣是常溫常壓下浸漬。另外，VPI浸漬用絕緣漆是不燃的樹脂。通過真空，特別是6個巴的高壓，把H級或C級的絕緣漆滲透到每一個縫隙，并把它填滿，加熱固化后使得線圈的導(dǎo)體和絕緣件徹底包封起來。經(jīng)過這種工藝處理后的線圈就有很強的防潮、防污穢能力。所以筆者認(rèn)為，對于敞開式干式變壓器采用真空壓力（VPI）浸漬比僅僅只有真空（VI）浸漬效果要好，關(guān)于這一點我們也從美EPOXYLITE®公司得到證實。
由于這種敞開式《OVDT》變壓器的線圈比包封式《VDT》有更多的散熱面，加上負(fù)載損耗的限制，變壓器的運行溫度有很大的裕度。這樣，用戶可以得到兩個好處：①運行可靠性高；②超銘牌運行能力強，所以這種變壓器在的不帶風(fēng)機的情況下仍然可以過載1.2倍而安全運行。
4．3、杜邦®ReliatraN®技術(shù)《VDT》包封式干式變壓器：
由杜邦®ReliatranN®技術(shù)變壓器特許制造廠--昆明賽格邁特種變壓器電氣有限責(zé)任公司（云南變壓器電氣股份公司的子公司）從法引進(jìn)的原稱為SECURAMID®（賽格邁）技術(shù)的一種干式變壓器，這種技術(shù)參照取得UL認(rèn)可的采用NOMEX®芳香聚酰胺紙的高壓干式變壓器HV-1絕緣規(guī)范。這絕緣規(guī)范包括兩部分，即絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣系統(tǒng)，SECURAMID®（賽格邁）技術(shù)規(guī)范與NOMEX®芳香聚酰胺紙的HV-1絕緣規(guī)范之間有相同的絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣系統(tǒng)的不同點是前者較高工作電壓Um為11.5kV；沖擊電壓BIL為75kV，而后者Um為15kV；BIL為95kV。現(xiàn)在屬于杜邦®Reliatran®變壓器的技術(shù)范疇。這種變壓器的設(shè)計很有特色，它的電、磁、熱、力計算中的熱和力計算與一般的方法不一樣，因而精度較高。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也很考究，它的低壓采用NOMEX?絕緣紙作全部絕緣的箔式線圈，高壓也采用NOMEX®絕緣紙作絕緣的分段層式線圈。整個線圈都用高性能的NOMEX®紙和H級阻燃、防潮和防污穢的絕緣樹脂包封起來。帶涂層的NOMEX?紙與導(dǎo)體之間經(jīng)高溫聚合，形成一個堅固的整體。由于NOMEX®紙有很低的介電常數(shù)及很高的介電強度和防潮、防污穢能力，這種變壓器的性能十分突出。目前在內(nèi)所有的干式變壓器中也只有它在意大利CESI歐洲先立實驗室中同時通過了符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)HD464所規(guī)定的F1耐火能力、E2適應(yīng)環(huán)境能力和C2承受熱沖擊能力較高標(biāo)準(zhǔn)的三項特殊試驗。這三項特殊試驗已經(jīng)列入2000年版本的IEC60076.11際標(biāo)準(zhǔn)中，不久的將來也會列入我的干式變壓器標(biāo)準(zhǔn)中。這三項特殊試驗對于干式變壓器而言是很有意義的。由于這種變壓器的原材料基本上都是進(jìn)口的，高質(zhì)量的產(chǎn)品使得售價可能會比普通變壓器略略高一點，但絕對是物有所值的。
4．4、這兩種杜邦®ReliatraN®技術(shù)變壓器除了有其自身的特點外，還有一些共同的特點：
（1）可靠性高，耐溫等級高，耐熱裕度大：
NOMEX®紙屬C級絕緣，長期可在220℃的高溫下安全運行。變壓器按H級絕緣設(shè)計，較高運行溫度為180℃，選擇使用NOMEX®紙有很大的耐熱裕度。特別在地下室，通風(fēng)不良且空間小，采用這種變壓器有很大優(yōu)越性。NOMEX®紙有較高的電氣強度，就是在250℃的高溫下仍然有很高的表面和體積電阻。更重要的是它有較小的介電常數(shù)。這在以空氣為介質(zhì)的干式變壓器中，是極其重要的，NOMEX®紙的介電常數(shù)通常在1.5～2.5之間，與空氣的介電常數(shù)1很接近。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，又采用了介電常數(shù)較低的其它絕緣材料，使整個變壓器的電場分布比較均勻，即使繞組內(nèi)部含有微量的氣泡，都不會對產(chǎn)品造成危害。因此，變壓器的局放較小。同時，在相同的絕緣尺寸下有較高的耐電強度。
?。?）安全性好，NOMEX®紙的限氧指數(shù)(LOI)高：
物質(zhì)的限氧指數(shù)與材料本身特性和它所處的溫度有關(guān)。同一種材料，它的溫度越高，限氧指數(shù)越小，也就是說容易被燃燒，通常說此時它被燃燒后不能自熄。因此，凡是限氧指數(shù)大于20.8%（大氣中的氧分壓值）的絕緣材料都不會自燃和助燃。NOMEX®紙在220℃時的限氧指數(shù)為22%-25%。在300℃時也大于21%。因此它在300℃以下溫度時不會助燃能阻燃，即使被明火點著后也能自熄。（見圖二）當(dāng)然不會爆炸。NOMEX®紙不含任何毒素，即使被燃燒后，不會釋放出有害氣體，燃燒的煙霧溫度不高，透明度高。因此，在變壓器著火后，溫度低于300℃時會自熄，溫度高時燃燒中無毒，且煙霧溫度不高，濃度低。另外，它無論在制造、運輸、存儲和運行過程中都不會給人員、設(shè)備和環(huán)境造成危害。
?。?）環(huán)保性好，噪聲低，線圈可回收處理：
Reliatran®技術(shù)干式變壓器無論在制造、運行和使用壽命結(jié)束后都不會對環(huán)境造成危害。特別是可以降解處理，當(dāng)產(chǎn)品報廢后，紙可以無毒焚化處理，而銅和鐵可以回收。
5、其他類：
以上除了SF6氣體變壓器外，其他形式的干式變壓器在技術(shù)上很難把變壓器容量做大，電壓做高?，F(xiàn)在由ABB公司研制成功一種叫"電纜變壓器"的。它較大的特點有：
（1）從原理上講，它的較大容量和較高電壓可以與現(xiàn)有的油浸變壓器相比；
?。?）整個線圈就是用現(xiàn)成的交聯(lián)電纜做，交聯(lián)電纜的電壓等級就是變壓器的電壓等級。繞組的骨架可以用鋼鐵制作。因此它擺脫了絕緣結(jié)構(gòu)件往往承擔(dān)變壓器機械力的困惑，而事實上絕緣結(jié)構(gòu)件恰恰是機械強度較差的，是較大的薄弱關(guān)節(jié)；
?。?）它可以放在戶外；
?。?）制造工藝簡單；
?。?）它不能像普通變壓器那樣用線圈抽頭來調(diào)節(jié)變壓器的分接電壓。
三、可以發(fā)展的新品種：
1、應(yīng)當(dāng)制定C級絕緣干式變壓器性能標(biāo)準(zhǔn)，向際水平靠攏。因為它可以較充分利用人類的有限資源。目前NOMEX®紙已經(jīng)在我電工行業(yè)中廣泛使用。人們有一種擔(dān)心，變壓器溫度高了，會否影響到其他設(shè)備？筆者認(rèn)為，使用這種新的電工設(shè)備就不能按傳統(tǒng)的方法?，F(xiàn)在大家都習(xí)慣把溫度計探頭放在線圈上，當(dāng)溫度超過某一值時就啟動變壓器上的風(fēng)機，這樣的確降低了變壓器的溫度，可提高了變壓器房的溫度。由于Reliatran?技術(shù)干式變壓器是H級絕緣的，且有較強的超銘牌運行能力，因此變壓器的標(biāo)準(zhǔn)配置是不帶風(fēng)機的。此時我們可以在變壓器房內(nèi)裝上溫度控制器（不僅僅在變壓器線圈上），而啟動的是墻上的風(fēng)機。這不是更合理嗎。由此可以想到，發(fā)展C級產(chǎn)品是可行的。
2、可以發(fā)展非晶合金做鐵芯的干式變壓器，它有很低的空載損耗。只要把它的售價能控制在1.5倍普通變壓器的價格以內(nèi)，在經(jīng)濟上是劃算的。但是，筆者認(rèn)為發(fā)展這種變壓器不能僅僅從經(jīng)濟上看、要從節(jié)約能源，減少對環(huán)境的破壞等來考慮。筆者另外一篇《非晶合金干式變壓器發(fā)展前景》作專門的討論，這里就不多說了。
四、結(jié)束語
任何一種產(chǎn)品總有它的特點，我們?nèi)パ芯克?，能從中得到一些啟發(fā)。以上受篇幅的限制討論的很浮淺，有機會我們可以繼續(xù)討論，歡迎批評指正。還有一點，上述這些產(chǎn)品都會進(jìn)行改進(jìn)，本文不可能是較后的結(jié)論。并且在參考上述技術(shù)時，敬請注意不要去侵犯知識產(chǎn)權(quán)，本文也不是現(xiàn)有任何專業(yè)的使用許可證，也無意侵犯它們。
器（不僅僅在變壓器線圈上），而啟動的是墻上的風(fēng)機。這不是更合理嗎。由此可以想到，發(fā)展C級產(chǎn)品是可行的。
2、可以發(fā)展非晶合金做鐵芯的干式變壓器，它有很低的空載損耗。只要把它的售價能控制在1.5倍普通變壓器的價格以內(nèi)，在經(jīng)濟上是劃算的。但是，筆者認(rèn)為發(fā)展這種變壓器不能僅僅從經(jīng)濟上看、要從節(jié)約能源，減少對環(huán)境的破壞等來考慮。筆者另外一篇《非晶合金干式變壓器發(fā)展前景》作專門的討論，這里就不多說了。
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