深度解析干式變壓器在中國的發展
文章來源:北京創聯匯通電氣 ????? 發布時間： 2019-02-12 10:19:22
導讀：自從法拉第發現電磁感應現象后，一個世紀前最早出現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，技術上受到了極大的限制。變壓器油的出現給變壓器技
自從法拉第發現電磁感應現象后，一個世紀前較早出現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，技術上受到了極大的限制。變壓器油的出現給變壓器技術發展立下了不可磨滅的功績。這種廉價的、絕緣和導熱性能良好的油介質使變壓器應用范圍變得非常寬廣。與此同時，變壓器也出現一些事故，燃燒、爆炸。嚴重威脅著人們的生命財產安全。這一切把原因都歸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。上個世紀五、六十年代在中出現了B級絕緣的外叫做《OVDT》的敞開、通風冷卻干式變壓器。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。沒有得到大家的認可。其實在當時，外已經出現環氧樹脂和NOMEX®紙。這樣，在歐洲就開發了環氧樹脂澆注干式變壓器，而美就開發了用NOMEX®紙作絕緣的《OVDT》敞開式、通風冷卻干式變壓器。接著法采用美杜邦公司經過UL認證的NOMEX®絕緣規范開發出SECURAMID®《VDT》包封、通風冷卻干式變壓器（SECURAMID®是由美杜邦公司在全球注冊的商標。）。
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（環氧樹脂澆注包封式）、SCR（非環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越性在于應用領域很廣泛，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過，其中北京二變曾經小批量生產）。而且它的結構設計和制造工藝與傳統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備投入就可以去研究開發它了。當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，加上制造工藝不好，產生泄漏后對大氣，對人們帶來的后果不堪設想。因此，很多內專家認為在制造工藝達不到一定水平時不應提倡在中發展這種變壓器。
2、環氧樹脂真空澆注變壓器：
（1）早在70年代上海和北京變壓器廠相繼開發出厚絕緣帶石英粉填料的在真空狀態澆注的環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的新一代產品，盡管由于當時它在材料上，制造工藝上存在一些問題而被后來的純環氧樹脂的薄絕緣技術所替代，但它畢竟為干式變壓器開創了一個好的開端，推動了我干式變壓器技術的發展。
?。?）由于厚絕緣（6mm）難于解決開裂問題，正在人們對環氧樹脂干式變壓器技術產生懷疑時，順德變壓器廠成功地從德引進不帶石英填料的純環氧樹脂薄絕緣（1-3mm）技術，它的出現，使我的干式變壓器的技術得到迅速發展。由于這種技術的產品質量比較穩定（用進口的澆注設備和進口的樹脂），用戶比較滿意。加上當時制造廠有較好的經濟效益，大家紛紛上馬。開始10多家，后來30家，70家，現在有100多家采用這種技術。目前已經占干變市場的90-95%，生產能力每年已經超過3000萬kVA。供已經大于求好多了。這種變壓器大家都已經很熟悉，我們就不多說了。
?。?）在本世紀初上海GE公司采用美技術研究開發出H級絕緣的帶填料的薄絕緣環氧樹脂真空澆注干式變壓器，變壓器的內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部各種絕緣構件之間的絕緣配合、工藝配方和澆注均勻等技術難題。它的出現把環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，目前的技術是不可能的。
3、環氧樹脂纏繞工藝干式變壓器：
（1）上海ABB公司制造的被稱為"雷神"技術的干式變壓器，也是一種有特色的產品。它不要貴昂的澆注設備和繁多的澆注模，產品的派生和生產十分方便。預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。
（2）當然它的難點在于局放，因此,主縱絕緣的場強要按不產生局放進行選擇,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品那樣光滑。這種產品無論在中或外都不多見。
現在用環氧樹脂作主要絕緣的產品,在中已經很普遍,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，以及環保問題，應當引起大家的重視。
4、采用NOMEX®紙絕緣規范類干式變壓器：
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。我們從它的分子結構中可以看到，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構，只能使分子之間的鍵斷裂，因此它的化學性能特別穩定。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，在200℃及以下溫度時，介質損耗始終在0.01；
l它的相對介電常數只有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：
經過高溫高壓處理過的NOMEX®絕緣紙的延伸率幾乎穩定不變，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保持性能穩定。在美它被廣泛的用在C級絕緣的產品上。
?。?）它有優良的防潮性能：
在相對濕度為95%的狀態下，致密的NOMEX®絕緣紙仍可保持90%的完全干燥時的介電強度。水份很難滲透經高溫高壓處理的表面。
（6）NOMEX®絕緣紙較突出的性能就是它的阻燃性特別好，經試驗證明，它在250℃時的限氧指數LOI仍然大于20.8%，因此它不會助燃，能阻燃。
限氧指數（LOI）（%）
?。?）NOMEX®絕緣紙的安全性好。杜邦是世界上歷史悠久（到今年，已經有200年的歷史）的化工公司，他有強烈的安全和環保意識。他的產品--NOMEX®絕緣紙也就是這樣一種產品，它在被燃燒時都不會釋放出有害物質，關于這一點，從云南變壓器廠生產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，得到美UL的認證。
4．2杜邦®ReliatraN®技術《OVDT》敞開式干式變壓器：
由江蘇揚中中電設備制造公司采用美杜邦公司的ReliatraN®技術變壓器規范，開發出《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預熱：先把線圈整理好，試驗合格，然后把它放入烘房，經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別，其實是兩種完全不同的產品。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氧類，現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體和絕緣件徹底包封起來。經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《VDT》包封式干式變壓器：
由杜邦®ReliatranN®技術變壓器特許制造廠--昆明賽格邁特種變壓器電氣有限責任公司（云南變壓器電氣股份公司的子公司）從法引進的原稱為SECURAMID®（賽格邁）技術的一種干式變壓器，這種技術參照取得UL認可的采用NOMEX®芳香聚酰胺紙的高壓干式變壓器HV-1絕緣規范。這絕緣規范包括兩部分，即絕緣結構和絕緣系統，SECURAMID®（賽格邁）技術規范與NOMEX®芳香聚酰胺紙的HV-1絕緣規范之間有相同的絕緣結構，絕緣系統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?，F在屬于杜邦®Reliatran®變壓器的技術范疇。這種變壓器的設計很有特色，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。在結構設計上也很考究，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?紙與導體之間經高溫聚合，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準HD464所規定的F1耐火能力、E2適應環境能力和C2承受熱沖擊能力較高標準的三項特殊試驗。這三項特殊試驗已經列入2000年版本的IEC60076.11際標準中，不久的將來也會列入我的干式變壓器標準中。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口的，高質量的產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®技術變壓器除了有其自身的特點外，還有一些共同的特點：
?。?）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，通風不良且空間小，采用這種變壓器有很大優越性。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。這在以空氣為介質的干式變壓器中，是極其重要的，NOMEX®紙的介電常數通常在1.5～2.5之間，與空氣的介電常數1很接近。在結構設計中，又采用了介電常數較低的其它絕緣材料，使整個變壓器的電場分布比較均勻，即使繞組內部含有微量的氣泡，都不會對產品造成危害。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(LOI)高：
物質的限氧指數與材料本身特性和它所處的溫度有關。同一種材料，它的溫度越高，限氧指數越小，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、設備和環境造成危害。
?。?）環保性好，噪聲低，線圈可回收處理：
Reliatran®技術干式變壓器無論在制造、運行和使用壽命結束后都不會對環境造成危害。特別是可以降解處理，當產品報廢后，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上很難把變壓器容量做大，電壓做高?，F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有的油浸變壓器相比；
（2）整個線圈就是用現成的交聯電纜做，交聯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構件往往承擔變壓器機械力的困惑，而事實上絕緣結構件恰恰是機械強度較差的，是較大的薄弱關節；
（3）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節變壓器的分接電壓。
三、可以發展的新品種：
1、應當制定C級絕緣干式變壓器性能標準，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®紙已經在我電工行業中廣泛使用。人們有一種擔心，變壓器溫度高了，會否影響到其他設備？筆者認為，使用這種新的電工設備就不能按傳統的方法。現在大家都習慣把溫度計探頭放在線圈上，當溫度超過某一值時就啟動變壓器上的風機，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，因此變壓器的標準配置是不帶風機的。此時我們可以在變壓器房內裝上溫度控制器（不僅僅在變壓器線圈上），而啟動的是墻上的風機。這不是更合理嗎。由此可以想到，發展C級產品是可行的。
2、可以發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，在經濟上是劃算的。但是，筆者認為發展這種變壓器不能僅僅從經濟上看、要從節約能源，減少對環境的破壞等來考慮。筆者另外一篇《非晶合金干式變壓器發展前景》作專門的討論，這里就不多說了。
四、結束語
任何一種產品總有它的特點，我們去研究它，能從中得到一些啟發。以上受篇幅的限制討論的很浮淺，有機會我們可以繼續討論，歡迎批評指正。還有一點，上述這些產品都會進行改進，本文不可能是較后的結論。并且在參考上述技術時，敬請注意不要去侵犯知識產權，本文也不是現有任何專業的使用許可證，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機。這不是更合理嗎。由此可以想到，發展C級產品是可行的。
2、可以發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，在經濟上是劃算的。但是，筆者認為發展這種變壓器不能僅僅從經濟上看、要從節約能源，減少對環境的破壞等來考慮。筆者另外一篇《非晶合金干式變壓器發展前景》作專門的討論，這里就不多說了。
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