《树脂浇注干式变压器和电抗器》.doc

序 言 看着厚厚的文稿，沉甸甸的，心中特别欣慰。因为这是全 体顺特人聪明才智和辛勤血汗的结晶，是公司科研创新的又一 硕果，不仅全面、深入地总结了顺特电气在环氧树脂浇注干式 变压器和电抗器方面的主要科研成果，而且在顺特电气与用 户、行业、社会各界之间搭建起良好的沟通平台和桥梁。 顺特电气从 年生产出国内第一台环氧树脂浇注干式变 压器以来，以满足用户需求为出发点，立足科技，不断创新， 并逐渐形成了“优质、高效、重才、创新”的企业精神。 到目前为止，顺特电气先后推出六代干式变压器，并在国内率先研制出 脉波和 脉波地铁牵引整流变压器、 级核电站用变压器等填补国内空白的先进产品。年，完成“九五”国家重大技术装备科研项目“长江三峡工程左岸发电机组环氧浇注干式励磁变压器的研究”，成功地开发出目前世界上容量最大、技术难度最高的干式励磁变压器，为三峡电站励磁变压器设备国产化以及三峡工程建设作出了应有贡献。 年，顺特电气开发研制出具有自主知识产权的干式铁心电抗器，并在国内首创了空心电抗器的干式绕制方法。 年，制造出单相 干式铁心并联电抗器，该电抗器为国内同类产品中容量最大的，填补了国内空白。 年初，顺特电气的干式变压器率先在意大利 实验室一次性通过了最新 标准规定的包括 试验的全部试验项目。试验的顺利通过，为顺特电气干的发展又书写了辉煌的一笔！ 经过十多年的努力，顺特电气在树脂浇注干式变压器和电抗器方面已经具备了丰富的设计、制造和运行经验， 年环氧树脂浇注干式变压器产量达到 万 ，干式电抗器产量达到 万 编写树脂浇注干式变压器和电抗器，一是总结经验，以便更好地指导干式变压器和电抗器的设计、制造和运行工作。二是希望通过这本书来回馈广大用户和社会，以便在用户、同行及社会各界关心和支持下，为中国电力建设事业作出新的更大的贡献！ 是为序。 顺特电气有限公司董事长 年 月1EASC B 9SC B 10BCDEF 第一节干式变压器的发展简史 变压器发明于 年，当时的变压器都是干式变压器（有时简称 ）“干变”， 这时的干变难于实现高电压与大 限于当时绝缘材料的水平， 容量。从 世纪末期起，人们发现采用变压器油可以大大提高变压器 的绝缘和冷却性能，于是油浸变压器就逐步取代了干式变压器。二战 后，世界经济得以恢复与重建，尤其是在欧洲与美国更有了迅猛的发 展，一些大城市以极高的速度向着现代化迈进。随着城市供电负荷的 不断增长，住宅的密集化以及高层建筑、地下建筑的增多，人们迫切 需要一种既深入负荷中心，又能防火、防爆且环保性能优越的变压器， 于是干变又重新被重视和采用。 早期的干变都是浸渍式的，由于所用绝缘材料价格昂贵，加之防 潮性能很差，因而它的绝缘水平较油变要低得多，故障率也较高，价 格也较贵，从而影响它的广泛使用。应当认为是形势的发展迫使人们去研究更新型的干式变压器。从 年德国 公司研制出第一台 的环氧浇注式干变起，干式变压器的发展就进入了一个新的阶段。在以后的第二年，德国公司又研制出了第一代 级绝缘的环氧浇注式干变，以后环氧浇注干变不断有新的发展，生产出许多新的类型的产品，迄今在世界上环氧浇注式干变已成为干式变压器的主流型式。尤其是到了 世纪 年代末期，由于考虑对环境的影响，在法律上禁止了聚氯联苯 这种液体绝缘介质的使用，从而给发展环氧浇注干变提供了契机。在 年代后期，美国也不断发展并改进了采用 纸作为绝缘材料的浸渍式 级干变。迄今为止，世界 的干式变压器主要是这两大类型。据最新统计，目前干式变压器在世界变压器市场中所占比例，如表 和表 所示 表 在世界变压器市场中各种变压器在容量 上所占比例 注 其他类 包括不燃油 、硅油、 气体绝缘变压器等 表 年北美、欧洲和中国各种变压器在容量 上所占比例 第二节 干式变压器的类型和特点 一、类型划分 目前世界上的干式变压器主要有浸渍式与环氧树脂式（包括浇注式与绕包式）两大类型，现分述如下。 浸 （一） 渍式干变 浸渍式干变的结构与油浸变压器的结构非常相似，就像一个没有油箱的油浸变压器的器身。可以认为，早期的浸渍式干变结构，就是由油变演化而来的。它的低压绕组一般采用箔式绕组或圆筒式（层式）绕组，高压绕组一般为饼式绕组。由于空气的冷却能力要比变压器油差得多，为了保证适当数量的冷却空气吹入绕组，这种变压器要求轴向冷却空道宽度最小为 辐向冷却空道宽度最小为 浸渍式干变的制造工艺比较简单，通常用导线绕制完成的绕组浸渍以耐高温的绝缘漆，并进行加热干燥处理。根据需要可选用不同耐热等级的绝缘材料，分别制成 级、级、 级 和 级（早期为 级），早期这种干变的绝缘材料及其处理工艺都不能满足制造高性能干变的要求，使得这种类型的干变极易受潮，从而大大降低了运行可靠性，同时绝缘水平也较低。另外投运前还需要预先加热干燥，也使运行复杂化。所以，环氧树脂浇注干变正是为了克服这些缺点才应运而生、得以大量发展的。 从 世纪 年代起，因为聚芳酰胺类绝缘材料的出现（其典型产品为 ， 纸 ）用 它 来制造浸渍式干变可以提高其防潮性能，另外对线圈还可采用无溶剂树脂漆进行真空压力浸渍（通称 ， 工艺）也可进一步提高绝缘系统的可靠性。此后， 美等国相继出现了新一代 在欧、 的浸渍式干变，这种干变有时又称为非包封式干变或开敞通风式（ ）干变。 关于浸渍式干变与环氧浇注式干变的比较，详见本章第三节。 （二）环氧树脂类干式变压器 环氧树脂类干变指主要用环氧树脂做为绝缘材料的干式变压器，它又可分为浇注式与 包绕式两类。在现有产品中，绝大多数都是环氧浇注式。 环氧树脂浇注式干变 概 ） 述 环氧树脂是一种早就广泛应用的化工原料，它不仅是一种难燃、阻燃的材料，且具有 优越的电气性能，后来逐渐为电工制造业所采用。自从 年德国制造出首台环氧浇注 式干变后，这项技术在欧洲发展得很快，并不断推出各种新的专利制造技术，这些技术也 不断推向世界。由于我国的干变制造技术主要是从德国等欧洲国家引进的，所以迄今全国 生产的干式变压器中，绝大多数都是环氧浇注式。用于制造干式变的环氧树脂的材料性能 如表 所示。这里应当强调的是：由于环氧树脂比起空气和变压器油来具有很高的绝 缘强度，加之浇注成型后又具有机械强度高以及优越的防潮、防尘性能，所以特别适合于 制造干式变压器。早期的环氧浇注式干变为 级绝缘，目前国内产品大多数均为 级绝 缘，也有少数为 级绝缘的 。目前 ，从全面的技术经济性来看，世界上公认的环氧浇注 式干变的最高电压为 （个别产品曾达 ，最大容量为 ，基准冲击水平（ ）不超过 环氧浇注式干变的特点 绝缘强度高：浇注用环氧树脂具有 的绝缘击穿场强，且与电压等级 相同的油浸变具有大致相同的雷电冲击强度。 抗短路能力强：由于树脂的材料特性，加之绕组是整体浇注，经加热固化成型后 成为一个刚体，所以机械强度很高，经突发短路试验证明，浇注式变压器因短路而损坏的 极少。 防灾性能突出：环氧树脂难燃、阻燃并能自行熄灭，不致引发爆炸等二次灾害。 环境性能优越：环氧树脂是化学上极其稳定的一种材料，防潮、防尘，即使在大 气污秽等恶劣环境下也能可靠地运行，甚至可在 湿度下正常运行，停运后无需干燥 预热即可再次投运。可以在恶劣的环境条件下运行，是环氧浇注式干变较之浸渍式干变的 突出优点之一。 维护工作量很小：由于有了完善的温控、温显系统，目前环氧浇注式干变的日常 运行维护工作量很小，从而可以大大减轻运行人员的负担，并降低运行费用。 运行损耗低，运行效率高。 噪声低 体积小、重量轻，安装调试方便 不需单独的变压器室，不需吊芯检修，节约占地面积，相应节省土建投资。 环氧浇注式干变的类型及其相互比较 环氧浇注式干变又称为注型式干变，这种产品的特点就是必须依靠模具并采用专用浇注设备，在真空状态下使绕组浇注并固化成型。目前国产环氧树脂干变也大多是这类产品。它又有下列类型： 厚绝缘。早期的环氧浇注式干变都是采用厚绝缘的浇注式绕组，在环氧树脂内加有石英粉作为填料，树脂层厚度一般为 ，也有厚达 的。耐热等级多为 级绝缘。高压绕组一般用玻璃丝包铝扁线绕制成分段圆筒式绕组，采用绝缘薄膜作为层间绝缘，绕组的两端用玻璃布板（条）作为绝缘端圈，绕好的分段圆筒式绕组在浸漆处理后装入模具，然后在真空状态下进行环氧树脂浇注。由于环氧树脂的热膨胀系数与导线的热膨胀系数不相同，所以当变压器运行后由于发热极易导致环氧浇注层的开裂，并形成小的空气隙，以致引发局部放电，这将严重威胁变压器的运行可靠性，加之由于局部放电所引起的电腐蚀还将大大缩短变压器的使用寿命。因此，如何防止开裂一直是早年困扰着这类干变的一项重要课题。 人们发现铜材的热膨胀系数为 ，铝材的热膨胀系数为 ，而以石英粉为填料的环氧树脂层的热膨胀系数则为 。由于铝的热膨胀系数与树脂较为接近，所以后期的厚绝缘干变一般都采用铝绕组，以减少热应力。但是，运行实践证明，即使采用这样的措施，也并不能完全防止开裂的产生。因而随着技术的进步，厚绝缘 就逐步为薄绝缘所代替。 薄绝缘。为了解决上述树脂层的开裂 问题，国外的一些厂家先后推出了 级薄绝缘 的环氧树脂浇注式干变。目前我国的产品也基 本上都是薄绝缘结构，其结构特点为：高、低 压绕组导体都被玻璃纤维增强的薄层树脂所包 封，当树脂内不加填料时绝缘层的厚度为 。由于采用了玻璃纤维增强，因而大大 加强了树脂包封层的机械强度，这种既韧又薄 的树脂包封层富有弹性可随绕组一起膨胀和收 缩，因而不再担心会发生开裂。另外，由于包 封绝缘层的厚度很薄，既达到了包封的效果， 又减少了包封层的温差，因而对改善浇注绕组 的热传导是非常有益的。另外，薄绝缘结构还 可以在绕组内设置轴向气道，这样就可以增加 散热面，从而给制造大容量干式变压器提供了 有利的条件。图 为我公司生产的薄绝缘 图 薄绝缘不带填料的环氧浇 环氧浇注式干变的外形。 注式干变的外形 薄绝缘树脂浇注变压器也可以做成是带填料的结构，一般用石英粉作填料，这时绝缘层的厚度将增加为 （见图由于填料的价格大大低于树脂的价格，加填料后可使变压器的制造成本降低，并对改善树脂的导热性能有利，而且，加填料后，变压器的外观也更加光洁。但是加填料必须在严格的工艺与先进的工装下来进行。否则，如果搅拌不均匀或者在浇注过程中发生石英粉沉积现象，就可能使树脂的各部分膨胀系数不相同 ，这样的绕组在温度变化时就可能发生开裂，并使变压器的抗短路强度降低。为了增强这种结构的绕组的机械强度，一般在绕组浇注层内埋设有增强玻璃纤维网格布板。 浇注式变压器的绕组型式。浇注式变压器的绕组结构主要有下列三种类型： 高、低压绕组均采用导线绕制的层式绕组，目前一般采用铜导线，低压一般为多层圆筒式、高压则为分段圆筒式，大容量浇注干变均采用这种结构。 高压为铜导线绕制的分段圆筒式绕组，低压采用铜箔或铝箔绕制的箔式绕组（见图 。当低压采用箔式绕组时，目前一般在层间设置 预浸纸作为层间绝缘，在箔绕机上绕好后只要加热固化成形即可，这样低压绕组就无需模具与浇注了。箔式绕组除了工艺性好，可提高生产效率之外，还可以降低横向漏磁从而使轴向电动力减小，相应提高了抗短路强度，降低了附加损耗。这种结构目前在干式配电变压器中采用较多。 图 高低压绕组均为箔式的带填料 的 薄绝 缘环 氧浇 注干 变外 形 铁心； 箔式低压绕组； 箔式 高压绕组； 低压引出端子； 高压 图 带?盍系幕费踅阶?引出端子； 弹性垫块； 一夹件和小 干变的外形 车； 带填料的树脂绝缘 高、低压均为箔式（见图 。高压做成箔式结构的分段圆筒式，而低压则为一般的箔式结构，这主要是为了更充分发挥箔式结构的优点。这种结构对高压箔式而言，无论对材料、制造工艺等都有较高的要求，否则将降低变压器工作的可靠性。当采用箔式绕组时输出容量因受铜（铝）箔材料的尺寸所限制，目前一般不超过 ，最大也不超过 绕包式（缠绕式）环氧树脂干变 这种结构的典型代表是 公司在 世纪 年代中期所开发出的“雷神”式变 压器（ （见图 这 。 种变 压器低压一般为箔式绕组，高压绕组则在 绕线机上绕包，内模为环氧玻璃布筒。绕 包时边绕导线，边绕玻璃纤维，再经过一 树脂槽将浸好树脂的纤维缠绕在已绕好的 导线上面。待整个绕组绕完后，再进烘箱 加热固化，使之成为一个整体。绕包式结 构的最大优点是无需专门的模具与专用浇 注设备。但是由于树脂是常规条件下加入， 图 绕包式（缠绕式）环氧树脂干变外形 而不是真空浇注的，难免在它的内部混有空气。这就容易引起局部放电从而降低其运行可靠性，所以为了可靠起见，往往把设计场强取得低一些，这又将使变压器的体积增大。另外，这种绕包式变压器所费的工时也较多。综上所述可知，它的成本将高于一般的浇注式变压器，同时运行可靠性也要差一些，因此这种缠绕式结构在国内仅少数厂家生产，在世界上的应用也远远没有浇注式多。 第三节环氧浇注式干变与浸渍式干变的比较 如前所述，迄今在世界的干式变压器中，主要是环氧浇注式与浸渍式两大类型图 为浸渍式敞开通风式（ ）干变外形，下面就这两种类型干式变压器的性能做一综合比较。 从耐受短路的能力看，无疑环氧浇注式是最好的。由于它的绕组是在模具内进行整体浇注，经加热固化成型，从而形成一个机械强度很高的圆柱体，因而在结构上具有很高的幅向与轴向机械强度，无论从运行实践或突发短路试验结果都证实了这点。 从耐受冲击过电压的特性以及绝缘特性看，也以环氧浇注式较好。由于浸渍类干式变压器主要采用饼式线圈，而作为饼间绝缘介质的空气其绝缘强度又大大低于环氧树脂，所以相对来说，浸渍式干变的尺寸较大（见图 ，因而相应的饼间电容较小，所以在冲击过电压作用下的过电压分布特性较差。根据美国的经验，即使采用 纸、 工艺的浸渍式 型干变，其 值最高仅能达到 （基准冲击水平） 即 ， 相应只能制造 级的干变，相反，国际公认的环氧浇注干变的 值可达 即 ， 可以制造 级的干变。 图 浸渍式 型干变与环氧浇注 图 浸渍式敞开通风式（ 式干变绕组的外形尺寸比较 干式变压器外形 浸渍式 型干 变； 环氧浇注式干变 从散热情况来看，由于环氧浇注式干变采用层式绕组，在沿其轴向可设置多个散热风道，故可以制造大容量干变，相反，如前所述，浸渍式干