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
導讀:自從法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象后,一個世紀前最早出現(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)電磁感應現(xiàn)象后,一個世紀前較早出現(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,技術上受到了極大的限制。變壓器油的出現(xiàn)給變壓器技術發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(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(guī)范開發(fā)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(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(fā)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(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備投入就可以去研究開發(fā)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(fā)展這種變壓器。
2、環(huán)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(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(huán)氧樹脂的薄絕緣技術所替代,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的發(fā)展。
(2)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(huán)氧樹脂薄絕緣(1-3mm)技術,它的出現(xiàn),使我的干式變壓器的技術得到迅速發(fā)展。由于這種技術的產品質量比較穩(wěn)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(xiàn)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。
(3)在本世紀初上海GE公司采用美技術研究開發(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(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,目前的技術是不可能的。
3、環(huán)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(xiàn)在用環(huán)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(huán)保問題,應當引起大家的重視。
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。
(1)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(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。
(2)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(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。
(4)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保持性能穩(wěn)定。在美它被廣泛的用在C級絕緣的產品上。
(5)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)(%)
(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。
(8)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(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(qū)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(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(guī)范。這絕緣規(guī)范包括兩部分,即絕緣結構和絕緣系統(tǒng),SECURAMID®(賽格邁)技術規(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構,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(guī)定的F1耐火能力、E2適應環(huán)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:
(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(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。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。
(2)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(huán)境造成危害。
(3)環(huán)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(huán)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。現(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;
(2)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(jié);
(3)它可以放在戶外;
(4)制造工藝簡單;
(5)它不能像普通變壓器那樣用線圈抽頭來調節(jié)變壓器的分接電壓。
三、可以發(fā)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(yè)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(tǒng)的方法。現(xiàn)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(fā)展C級產品是可行的。
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,在經濟上是劃算的。但是,筆者認為發(fā)展這種變壓器不能僅僅從經濟上看、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(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(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機。這不是更合理嗎。由此可以想到,發(fā)展C級產品是可行的。
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,在經濟上是劃算的。但是,筆者認為發(fā)展這種變壓器不能僅僅從經濟上看、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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