干式变压器原理

1干式变压器原理及运行维护第一节干式变压器的发展简史变压器发明于1886年，当时的变压器都是干式变压器(有时简称“干变”)，限于当时绝缘材料的水平，这时的干变难于实现高电压与大容量。从19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，-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符合中心，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1964年德国AEG公司研制出第一台400kVA、20kV的环氧浇注式干变起，干式2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TU公司又研制出了第一代B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20世纪70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(PCBS)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1970年代后期，美国也不断发展并改进了采用NOMEX纸作为绝缘材料的浸渍式H级干变。迄今为止，世界上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1-1和表1-2所示。表1-1在世界变压器市场中各种变压器在容量上所占比例年份油浸变（%）干式变（%）其他类型（%）1998771672010（预计）67258表1-21998年北美、欧洲和中国各种变压器在容量上所占比例国别油浸变（%）环氧浇注干变（%）浸渍式干变（%）其他类型（%）北美欧洲中国7775934124145583第二节干式变压器的类型和特点3一、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。(一)浸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-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-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6mm。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B级、E级F级和H级(早期为B、E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4而生、得以大量发展的。从20世纪80年代起，因为聚芳酰胶类绝缘材料的出现(其典型产品为NOMEX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VPI工艺)，也可进一步提高绝缘系统的可靠性。此后，在欧、美等国相继出现了新一代的浸渍式干变，这种干变有时又称为非包封式干变或开敞通风式(OVDF)干变。(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。1.环氧树脂浇注干变(1)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1964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5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。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B级绝缘，目前国内产品大多数均为F级绝缘，也有少数为H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35kV(个别产品曾达66/77kV)，最大容量为20MVA，基准冲击水平(BIL)不超过250kVo(2)环氧挠注式干变的特点。1)绝缘强度高:浇注用环氧树脂具有18～22kV/mm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。2)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。3)防灾性能突出:环氧树脂难燃、阻燃并能自行6熄灭，不致引发爆炸等二次灾害。4)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100%温度下正常运行，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。5)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。6)运行损耗低，运行效率高。7)噪声低。8）体积小、重量轻，安装调试方便。9）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。（3）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：71)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6mm，也有厚达15mm的。耐热等级多为B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6×1O-6/℃，铝材的热膨胀系数为24×1O-6/℃，而以石英粉为填料的环氧树脂层的热膨胀系数则为40×1O-6/℃。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。82)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F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1.5～2mm。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1-1为薄绝缘环氧浇注式干变的外形。9图1-1薄绝缘不带填料的环氧浇注干变的外型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2.5～4mm(见图1-2)。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恪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。3)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：①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，大容量浇注变均采用这种结构。②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式绕组(见图1-1)。当低压采用箔式绕组时，目前一般在层间设置DMD预浸纸作为层间绝缘，10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1-2带填料的环氧浇注干变的外形11图1-3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③高、低压均为箔式（见图1-3）。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波式结构的优点。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2500kVA，最大也不超过4000kVA。2．绕包式(缠绕式)环氧树脂干变这种结构的典型代表是ABB公司在20世纪70年代中期所开发出的“雷神”式变压器(RESI-BLOC)(见12图1-4)。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，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-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。13图1-4绕包式（缠绕式）环氧树脂干变外形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l-5为浸渍式敞开通风式(OVDT)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。（1）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。（2）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(见面1-6)，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NOMEX纸、VPI工艺的浸渍式14OVDT型干变，其BIL(基准冲击水平)值最高仅能达到150kV，即相应只能制造35kV级的干变，相反，国际公认的环氧浇注干变的