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1、一篇关于干式变压器的文章 石肃一、目前国内、外树脂绝缘干式变压器产品的类型及其特点1.包绕式线圈结构的树脂绝缘干式变压器（缠绕玻璃纤维丝加强的树脂包封线圈）国内的主要生产厂家是上海ABB，技术来源于德国ABB。（1）特点a. F级绝缘，高压线圈用铜线绕制，低压多为箔式线圈b. 线圈抗开裂性能好c. 不需要浇注模具和真空浇注设备（2）难点a. 由于不是真空浇注，难以清除尽线圈内部的空气气泡，故线圈中的局部放电量难以抑制。b. 不使用注模固然简单、方便，但制作出的线圈外表面很难平整，多有凹凸，线圈表面容易积尘、积水。当变压器在污秽或潮湿的环境下运行时容易产生电痕性老化，也就是说它的耐电痕性差。2.
2、线圈以玻璃纤维为填料的树脂浇注干式变压器国内的主要生产厂家是顺德、金乡、金盘、福州、北变等，技术源于德国、葡萄牙等国，目前在国内的产量最大。（1）特点a. F级绝缘，高压线圈用铜导线绕制，低压线圈有用铜导线绕制的，也有用铜箔或铝箔绕制。b. 线圈抗开裂性能好。c. 真空浇注，立式。浇注的树脂中无填料。（2）难点a. 浇注模具结构复杂、数量大、造价高。b. 绕制线圈的环境条件恶劣。3.线圈以石英砂为填料的树脂浇注干式变压器过内的主要生产厂家为许继、志友、北变等。德国SIEMENS公司是生产这种变压器的先驱，我厂是由日本富士电机公司引进的技术和设备。应该说，这种技术在干式变压器的技术中是采用最早、
3、最为成熟的。（1）特点a. B级或F级绝缘，高、低压线圈均用铝箔或铜箔绕制。b. 高压线圈真空浇注，卧式。低压线圈多为树脂封端而不浇注，也有浇注的，但往往不是在真空状态下进行，浇注的树脂中带有填料。c. 注模结构简单、造价低。d. 使用铝箔制作的变压器成本低、造价便宜。（2）难点a. 对箔材的质量要求高，劣质的箔材极易造成层间、段间等处的短路。国内的高压线圈用铜箔材质不过关，目前必须使用进口的原材料。b. 如果不是采用复合填料，浇注线圈易于开裂。二、几个问题的讨论在使用单位与我们进行技术洽谈时，经常就一些诸如：树脂绝缘干式变压器线圈的结构形式、使用的原材料及相关的技术性能等问题向我们提出质疑。
4、下面把这些问题向大家做一介绍并重点谈一谈我们的看法，不一定正确。仅供参考。1.导电材料方面（1）铜材和铝材在人们的心目中，铜材肯定比铝材好，无论在导电率，还是在机械强度等方面，铜都比铝强，对此是没有争议的，但这并不等于说用铝材制作出的变压器就一定不如铜材制作的变压器。 在电磁设计时，对于铜导体，电流密度的选取一般为2-3A/mm2，而铝导体的电流密度一般为0.6-1.6A/mm2，这就可以使得铝制变压器在负载损耗、温升等性能指标上满足有关标准的要求，同时，也可以使其绕组的发热时间常数不低于铜制变压器。时间常数越大，在某一恒定负载下绕组达到最终稳定温升所花费的时间就越长，这就可以降低变压器负载发
5、生变动时绕组温升变化的速度，自然也就提高了变压器承受短时过负载的能力。绕组的发热时间常数与导体的比热c、密度、导体的导电率、导体的电流密度J及绕组温升限值有关：时间常数=cw/3600j2比热c J/kg密度 kg/mm3导电率 120m/mm2铜导体3858.910-641铝导体9204.110-625可以看出，除了比热外，铜的密度和导电率都比铝的大，但是这并不能说铜绕组的热时间常数比铝绕组的大，因为时间常数还与电流密度J的平方成反比。我们可以计算比较一下：对于F级绝缘的变压器绕组，它的w=100K，取铜导体的电流密度Jcu=2.5A/mm2，铝导体的电流密度Jal=1.6A/mm2，可以推
6、算出铜导体的时间常数cu=0.61h，而铝导体的时间常数al=0.68h，两者的时间常数基本上是一样的。铝导体的机械及耐热性能确实劣于铜导体，这一点在铝导体变压器的电磁设计时就已经注意到了，为了保证变压器能够承受得住全电压短路的冲击，有足够的动、热稳定性能，无论是铜导体的变压器还是铝导体的变压器，计算中都要严格地遵照标准的规定：热稳定：全电压短路后2秒内，线圈平均温升限值为： 铜导体线圈 B级绝缘 350 F级绝缘 350铝导体线圈 B级绝缘 200 F级绝缘 200动稳定：在全电压短路冲击中，线圈导体承受到的总的应力应小于以下数值： 铜导体 1600kg/cm2 铝导体 450kg/cm2以
7、上这些规定是经过理论和实践检验过的，所以只要在设计中严格地执行标准的这些规定，铝导体变压器和铜导体变压器同样是安全、可靠的，不会出现任何问题。铜导体的电阻率比铝导体的小，仅是铝的61%，但是它的比重却是铝的3.3倍。我们可以估算出，相同容量、相同负载损耗的两种不同导体的变压器，铜导体变压器的用铜量是铝导体变压器用铝量的2倍以上。而目前的价格，铜导体是铝导体的1.5倍左右。所以铜导体变压器的材料成本要高得多。（2）箔材与线材高、低压线圈都采用导线绕制，两个线圈的电抗高度往往会相差得很多，特别是容量较大的变压器。这主要是由于低压线圈电流大，绕制时需要很多根导线并联。高、低压线圈电抗高度不同，自然两
8、者间安匝分布就不会均匀，变压器运行时会有很大的横向漏磁。这不仅会影响阻抗电压等技术参数，更主要的是在全电压短路时，线圈将会受到很大的机械力的冲击，变压器的动稳定性能差。而箔式线圈，特别是高、低压均为箔式线圈时，这个问题很容易得到解决。高压采用多段的箔式线圈，由于线圈的纵向串联电容大，使变压器承受雷电冲击的性能增强。L=式中 空间系数 L线圈的轴向高度 C线圈总的对地电容 K线圈总的纵向串联电容L的数值越小越好，L的数值越小，雷电冲击波的起始分布就越接近最终分布，冲击电压的振荡过程就越弱，电位梯度的分布就越趋于均匀，线圈对地的最大电压值就越小。箔式线圈由于匝间电容大，其L值较之导线绕制的线圈小，
9、所以在雷电冲击波的作用下，线圈各点的电位分布均匀，具有良好的耐雷电冲击性能。我们曾经对1000kVA的箔式、绕线两种不同结构的变压器作过计算、比较，结果是箔式线圈的L=1.27，而绕线式线圈的L=1.64。箔式线圈的层间电压即是匝间电压，从场的角度来看绝缘处理起来要简单得多。绕线线圈的最高层间电压等于两层总匝数与匝伏电压的乘积，比箔式线圈的层间电压要高得多。线圈，特别是低压线圈采用箔式结构，由于箔材很薄，可以有效地降低运行时的附加负载损耗值。附加损耗是与导体沿径向厚度的4次方成正比。我厂生产的SC8系列树脂绝缘干式变压器，低压采用的就是箔式线圈结构，变压器的附加损耗比原来绕线式结构降低40%。
10、箔式线圈，特别是低压箔式线圈结构散热效果好。即使是在全电压短路的情况下，也可以较快地将短路产生的大量热量传导开来，使线圈内部的温度分布比较均匀，减小局部温度过高的热点对绝缘的侵害。对于低压线圈采用箔式结构，在变压器的生产厂家中很有些人持有异议。他们认为：a. 低压线圈采用箔式结构由于起头、完头母线的引出会影响线圈的圆度，变压器短路时，在受径向力的作用下线圈易于变形、引出母线处的绝缘易于开裂。b. 低压箔式线圈不真空浇注，没有树脂层保护，线圈容易受潮。c. 低压箔式线圈不真空浇注，没有牢固、结实的树脂层，在变压器短路时，承受机械力冲击的能力必然就差，所以变压器的动稳定性能差。在a.中所谈到的问题
11、，是有道理的。一些厂家的低压箔绕线圈确实在短路试验时出现过问题，但是，这个问题在变压器结构设计时，采取一定的措施，譬如在线圈的径向支撑上合理地放置撑条等方法，是可以有效地解决的。对于b.中提到的问题，应该从低压箔式线圈的结构去分析，我厂生产的箔式线圈虽然不是整体真空浇注，但由于它采用了F级绝缘等级的预浸环氧树脂DMD复合箔做层间及内外径侧表面的绝缘，并在外径侧用强力热收缩带紧紧地包扎起来，线圈的上、下端部用环氧树脂灌封后，再进行热固化处理。所以，这样制作出来的低压箔式线圈是一个紧密结合在一起的整体。水分、灰尘及腐蚀性气体是根本无法侵入到线圈内部。绝无受潮的可能。要回答c.中提到的问题，我们首先
12、应该搞清楚树脂绝缘层的主要作用是什么？应该说，对于树脂绝缘干式变压器线圈内的树脂主要是起电气绝缘的作用。环氧树脂具有良好的电气绝缘性能，比起非包封的干式变压器，树脂绝缘干式变压器可以做得体积小、重量轻，而且由于把高电压的带电导体严密地包封在树脂中，可以有效地防止异物对线圈内部绝缘的破坏。绝对不能说，树脂浇注线圈就是靠着这些这些环氧树脂层来承受全电压短路时所产生的强大的机械力的冲击。在上万公斤机械力的作用下，薄薄的树脂层是不堪一击的。铜的弹性模数为1.25106kg/cm2，铝的弹性模数为0.7106kg/cm2，而固化后的环氧树脂混合料的弹性模数只有0.45106kg/cm2。所以，依靠树脂层
13、来抵抗短路机械力的冲击是不可能的。要使变压器的线圈具有标准规定的动稳定性能，主要靠的是合理、正确的电磁设计和结构设计，主要靠的是线圈中导体的抗机械力冲击的能力。油浸变压器中的线圈并没有用什么材料包封住，内部及四周都是变压器油，但它也必须具有标准规定的动稳定性能。无论是油浸变压器还是干式变压器在设计中都没有把线圈上包封什么材料作为保证其动稳定性能的要素之一。线圈能够承受住短路机械力冲击的极限值是与线圈导体总截面的惯性矩成正比，而线圈导体总截面的惯性矩与导体沿径向层数的三次方成正比。低压箔式线圈是由整张的铜箔（或铝箔）绕制而成的，一匝即是一层，层数多，线圈导体总截面的惯性矩比绕线式的低压线圈要大得
14、多。固化后的低压箔式线圈是一个坚实的刚体，具有很强的承受短路机械力冲击的能力。2.绝缘材料方面（1）绝缘材料的耐热等级因为大部分生产厂家所使用的都是F级的绝缘材料了，所以这里就只简单地说明两个问题。各种绝缘等级的干式变压器，它的正常使用条件是相同的。无论是IEC726，还是GB6450都规定出干式变压器的正常使用环境温度是：最高气温+40，最高日平均气温+30，最高日平均气温+20，最低气温-15（户内式）、-30（户外式）。很清楚，并不是绝缘等级越高的干式变压器，它使用的环境温度就可以越高，作为干式变压器的生产厂家，它肯定要合理地使用不同等级的绝缘材料，技术上要力争使产品达到高水平的性能指标
15、，经济上要充分利用绝缘材料特性，尽量地降低产品的选取，结构的布置等方面尽量使线圈的温升接近F级绝缘材料所允许的限值，充分发挥该种绝缘材料的特点。从超铭牌额定负载的能力来看，高绝缘等级的干式变压器较之低绝缘等级的干式变压器要差一点，这主要是因为随着负载的增加，高绝缘等级干式变压器线圈热点温度增加幅度比低绝缘等级干式变压器的大，在相同的过负载情况下，高绝缘等级干式变压器线圈绝缘的寿命损失也大的缘故。当然，这并不是说就应该使用低绝缘等级的干式变压器，而不用绝缘等级高的干式变压器。使用什么样的干式变压器，要对技术、经济指标等多方面的因素进行综合的考虑，不能够绝对的肯定和否定。（2）填料电气产品在使用环氧树脂作为绝缘填料时，都必须在其中添加适当比例的填料，混合起来使用。填料的主要作用是：增加机械强度，防止树脂层的开裂；延长树脂绝缘材料的电气寿命；提高树脂材料的热传导率等。目前国内、外生产树脂绝缘干式变压器所使用的填料主要是两种：石英砂（硅微粉）和玻璃纤维。填料的添加
