干式变压器在中国的发展

一、 前言：
　　自从法拉第发现电磁感应现象后，一个世纪前最早出现的变压器就是干式变压器。由于这种变压器容量不能做大，电压无法做高，技术上受到了极大的限制。变压器油的出现给变压器技术发展立下了不可磨灭的功绩。这种廉价的、绝缘和导热性能良好的油介质使变压器应用范围变得非常宽广。与此同时，变压器也出现一些事故，燃烧、爆炸。严重威胁着人们的生命财产安全。这一切把原因都归罪于会燃烧的变压器油身上。特别是用电量迅猛增长后配电中心越来越靠近人们活动中心，此时安全是位的，而这种配电变压器容量不用大，电压不会高，采用干式变压器是再好不过的。上个世纪五、六十年代在中国出现了B级绝缘的国外叫做《OVDT》的敞开、通风冷却干式变压器。这种干式变压器由于绝缘材料价格高，性能差，制造工艺简单，使得变压器可靠性低，故障率高。没有得到大家的认可。其实在当时，国外已经出现环氧树脂和NOMEX®纸。这样，在欧洲就开发了环氧树脂浇注干式变压器，而美国就开发了用NOMEX®纸作绝缘的《OVDT》敞开式、通风冷却干式变压器。接着法国采用美国杜邦公司经过UL的NOMEX®绝缘规范开发出SECURAMID®《VDT》包封、通风冷却干式变压器（SECURAMID®是由美国杜邦公司在注册的商标，云南变压器厂把它译音为"赛格迈"--笔者注）。
二、 干式变压器的分类：
　　干式变压器分类有很多种方法，如按型号分，有SC（环氧树脂浇注包封式）、SCR（非环氧树脂浇注固体绝缘包封式）、SG（敞开式）。也可按绝缘等级分，有B级，F级，H级和C级，国外有些国家在H和C级之间还有一个N级。它们的温度限制见表1。 
　　　　　　　　　　表1 各绝缘耐热等级的温度限制值 绝缘的温度等级 A级 E级 B级 F级 H级 N级 C级 
允许温度（℃） 105 120 130 155 180 200 220 
绕组温升限值（K） 60 75 80 100 125 135 150 
性能参考温度（℃） 80 95 100 120 145 155 170 
　　我们在这里按变压器所选用的绝缘材料来分类，分类见表2
　　　　　　　　　　表2 干式变压器分类
分类 SF6气体 环氧树脂 NOMEX® 其他类 
真空浇注工艺 缠绕工艺 敞开式
OVDT
浸渍工艺 包封式
VDT
涂层工艺 
厚绝缘
有填料 薄绝缘 
无填料 有填料 
　下面我们把这些变压器分别作些简单的介绍。 
1、 SF6气体绝缘干式变压器：
　　SF6变压器在日本应用比较广泛，而在我国则很少。它与其他干式变压器相比较最突出的优越性在于应用领域很广泛，这种变压器容量可以做到三相300MVA，电压可以做到单相500kV（都是由日本制造），同样它也可以制造10kV级配电变压器（早在1988年我国的广州高压电器厂、北京二变、常州变压器厂都开发过，其中北京二变曾经小批量生产）。而且它的结构设计和制造工艺与传统的油浸变压器有很多雷同之处。变压器制造厂不用很多的设备投入就可以去研究开发它了。当然它的缺陷也是很明显的，SF6气体在金属过热时会被分解出一种SF4的极毒物质，加上制造工艺不好，产生泄漏后对大气，对人们带来的后果不堪设想。因此，很多国内认为在制造工艺达不到一定水平时不应提倡在中国发展这种变压器。
2、 环氧树脂真空浇注变压器：
　　（1） 早在70年代上海和北京变压器厂相继开发出厚绝缘带石英粉填料的在真空状态浇注的环氧树脂包封干式变压器，从此干式变压器在我国正式成为批量供应的新一代产品，尽管由于当时它在材料上，制造工艺上存在一些问题而被后来的纯环氧树脂的薄绝缘技术所替代，但它毕竟为干式变压器开创了一个好的开端，推动了我国干式变压器技术的发展。 
　　（2） 由于厚绝缘（6mm）难于解决开裂问题，正在人们对环氧树脂干式变压器技术产生怀疑时，顺德变压器厂成功地从德国引进不带石英填料的纯环氧树脂薄绝缘（1-3mm）技术，它的出现，使我国的干式变压器的技术得到迅速发展。由于这种技术的产品质量比较稳定（用进口的浇注设备和进口的树脂），用户比较满意。加上当时制造厂有较好的经济效益，大家纷纷上马。开始10多家，后来30家，70家，现在有100多家采用这种技术。目前已经占干变市场的90-95%，生产能力每年已经超过3000万kVA。供已经大于求好多了。这种变压器大家都已经很熟悉，我们就不多说了。 
　　（3） 在本世纪初上海GE公司采用美国技术研究开发出H级绝缘的带填料的薄绝缘环氧树脂真空浇注干式变压器，变压器的内部的部分绝缘材料采用NOMEX®绝缘纸。他成功的解决了变压器内部各种绝缘构件之间的绝缘配合、工艺配方和浇注均匀等技术难题。它的出现把环氧树脂包封的干式变压器绝缘耐热等级从B级、F级 提高到H级，但是要提高到C级，目前的技术是不可能的。
3、 环氧树脂缠绕工艺干式变压器：
　　（1） 上海ABB公司制造的被称为"雷神"技术的干式变压器，也是一种有特色的产品。它不要贵昂的浇注设备和繁多的浇注模，产品的派生和生产十分方便。预浸的玻璃纤维紧密的包绕和高温固化后，使变压器的机械强度特别好。 
　　（2） 当然它的难点在于局放，因此, 主纵绝缘的场强要按不产生局放进行选择, 这样变压器的体积可能会大一点。相对制造成本也不低。另外, 线圈的外观没有用模子浇注的产品那样光滑。这种产品无论在中国或国外都不多见。
现在用环氧树脂作主要绝缘的产品, 在中国已经很普遍, 也被很多用户所接受。但是，最近很多指出干式变压器的最终降解处理，以及环保问题，应当引起大家的重视。
4、 采用NOMEX®纸绝缘规范类干式变压器：
4．1我们了解了NOMEX®纸的性能，就可以清楚地知道这种变压器的特点。 
　　（1） NOMEX®绝缘纸是由一种芳香聚酰胺聚合物的纤维组成。 


　　　　　　　　　图 一 NOMEX® 简化的分子结构

　　这种纤维织成布就是一种耐酸、耐碱、防火的消防服或宇航服。我们从它的分子结构中可以看到，它没有弱的C-H键，即使在外部高温作用下也破坏不了它的分子结构，只能使分子之间的键断裂，因此它的化学性能特别稳定。它不会受到昆虫、真菌和霉菌的侵害。并且与油、浸渍漆、氟碳化合物等有很好的相容性。
　　（2） NOMEX®绝缘纸的电气性能非常突出，可以归纳为下面几点：
　　l 在250℃的高温下仍具有很高的表面电阻率（1013 Ω/cm²）和体积电阻率（1011 Ω/cm³）；
　　l 在很宽的频率范围内，在200℃及以下温度时，介质损耗始终在0.01；
　　l 它的相对介电常数只有1.5-2.5，比很多常用的绝缘材料都低；
　　l 它的工频击穿电压达35kV/mm，并且沿面放电起始电压很高。
　　（3） NOMEX®绝缘纸有良好的机械性能：
　　经过高温高压处理过的NOMEX®绝缘纸的延伸率几乎稳定不变，它有很高的抗撕裂强度，有很好的耐磨性和韧性。，它不但有良好的高温机械性能，而且还有良好的低温机械性能。
　　（4） NOMEX®绝缘纸的耐温等级，为C级，长期可稳定的在220℃温度下安全工作。在350℃时可以承受短时运行，在250℃时不会软化、熔融和助燃。即使在750℃时不会释放出有毒或腐蚀性的气体，在很低的温度下也不会脆化。因此它在很广的的温度范围内保持性能稳定。在美国它被广泛的用在C级绝缘的产品上。
　　（5） 它有优良的防潮性能：
　 　在相对湿度为95%的状态下，致密的NOMEX®绝缘纸仍可保持90%的完全干燥时的介电强度。水份很难渗透经高温高压处理的表面。
　 （6） NOMEX®绝缘纸最突出的性能就是它的阻燃性特别好，经试验证明，它在250℃时的限氧指数LOI仍然大于20.8%，因此它不会助燃，能阻燃。 
　　限氧指数（LOI）（%）


图 二 三种不同的绝缘材料限氧指数与温度的关系

　　（7） NOMEX®绝缘纸的安全性好。杜邦是世界上历史悠久（到今年，已经有200年的历史）的化工公司，他有强烈的安全和环保意识。他的产品--NOMEX®绝缘纸也就是这样一种产品，它在被燃烧时都不会释放出有害物质，关于这一点，从云南变压器厂生产的干式变压器在意大利CESI独立实验室的F1耐火能力试验中可以得到验证。
　　（8） 从NOMEX®绝缘纸的老化试验中可以看到，在250℃的高温10万小时作用下，它的介电强度、抗拉强度以及及延伸率仍然保持了很好的状态，得到美国UL的。
　　4．2杜邦®ReliatraN®技术《OVDT》敞开式干式变压器：
　　由江苏扬中中电设备制造公司采用美国杜邦公司的ReliatraN®技术变压器规范，开发出《OVDT》敞开式干式变压器，在2000年通过了SG10型10kV级30-2500kVA的两部鉴定，正式推向市场。并成为杜邦®ReliatraN®技术变压器的特许制造厂。
这种变压器的低压为箔式或多根并绕的螺旋式线圈，高压为饼式线圈。匝间、层间、饼间垫块以及撑条都采用高密度的NOMEX®纸。线圈经过多次真空、压力（VPI）浸渍处理。工艺方法又可以分为两种。一种是仅仅处理线圈，浸渍罐尺寸可以小一点，变压器的外观比较整洁。另一种方法是待变压器装配好，试验合格后，整个变压器进行浸渍，此时变压器全部被浸渍漆所包封，包封的效果更佳。在这里我们介绍前一种方法。这个工艺过程大致是这样的： 
　　l 预热：先把线圈整理好，试验合格，然后把它放入烘房，经过一定的温度和时间的烘焙，把线圈取出，表面温度降到100℃；
　　l 真空：将线圈放入VPI浸渍罐，抽真空到 < 5mm汞柱，维持一段时间；
　　l 浸渍：开启VPI浸渍罐的释放阀，放入浸渍漆；至线圈顶部50mm以上；
　　l 真空：再抽真空，维持一段时间；
　　l 加压：解除真空后，加6个巴压力，维持较长一段时间；
　　l 滴干：解除压力后，把线圈取出，把漆尽量滴干；
　　l 烘干：把线圈放入烘房，烘干；
　　l 冷却：把线圈取出，冷却待装。
　　这类变压器外表看来和以前B级绝缘敞开式干式变压器没有多少区别，其实是两种完全不同的产品。它的绝缘材料用的是高性能的NOMEX®绝缘纸，而B级绝缘的绝缘材料采用的是玻璃纤维和环氧类，现在的制造工艺是真空压力浸渍，而B级绝缘是常温常压下浸渍。另外，VPI浸渍用绝缘漆是不燃的树脂。通过真空，特别是6个巴的高压，把H级或C级的绝缘漆渗透到每一个缝隙，并把它填满，加热固化后使得线圈的导体和绝缘件彻底包封起来。经过这种工艺处理后的线圈就有很强的防潮、防污秽能力。所以笔者认为，对于敞开式干式变压器采用真空压力（VPI）浸渍比仅仅只有真空（VI）浸渍效果要好，关于这一点我们也从美国EPOXYLITE®公司得到证实。
由于这种敞开式《OVDT》变压器的线圈比包封式《VDT》有更多的散热面，加上负载损耗的限制，变压器的运行温度有很大的裕度。这样，用户可以得到两个好处：①运行可靠性高；②超铭牌运行能力强，所以这种变压器在的不带风机的情况下仍然可以过载1.2倍而安全运行。
　　4．3、杜邦®ReliatraN®技术《VDT》包封式干式变压器：
　　由杜邦®ReliatranN®技术变压器特许制造厂--昆明赛格迈特种变压器电气有限责任公司（云南变压器电气股份公司的子公司）从法国引进的原称为SECURAMID®（赛格迈）技术的一种干式变压器，这种技术参照取得UL认可的采用NOMEX®芳香聚酰胺纸的高压干式变压器HV-1绝缘规范。这绝缘规范包括两部分，即绝缘结构和绝缘系统，SECURAMID®（赛格迈）技术规范与NOMEX®芳香聚酰胺纸的HV-1绝缘规范之间有相同的绝缘结构，绝缘系统的不同点是前者工作电压Um为11.5kV；冲击电压BIL为75kV，而后者Um为15kV；BIL为95kV。现在属于杜邦®Reliatran®变压器的技术范畴。这种变压器的设计很有特色，它的电、磁、热、力计算中的热和力计算与一般的方法不一样，因而较高。在结构设计上也很考究，它的低压采用NOMEX?绝缘纸作全部绝缘的箔式线圈，高压也采用NOMEX®绝缘纸作绝缘的分段层式线圈。整个线圈都用高性能的NOMEX®纸和H级阻燃、防潮和防污秽的绝缘树脂包封起来。带涂层的NOMEX?纸与导体之间经高温聚合，形成一个坚固的整体。由于NOMEX®纸有很低的介电常数及很高的介电强度和防潮、防污秽能力，这种变压器的性能十分突出。目前在国内所有的干式变压器中也只有它在意大利CESI欧洲独立实验室中同时通过了符合欧洲标准HD464所规定的F1耐火能力、E2适应环境能力和C2承受热冲击能力标准的三项特殊试验。这三项特殊试验已经列入2000年版本的IEC60076.11国际标准中，不久的将来也会列入我国的干式变压器标准中。这三项特殊试验对于干式变压器而言是很有意义的。由于这种变压器的原材料基本上都是进口的，高质量的产品使得售价可能会比普通变压器略略高一点，但是物有所值的。
　　4．4、这两种杜邦®ReliatraN®技术变压器除了有其自身的特点外，还有一些共同的特点：
（1）可靠性高，耐温等级高，耐热裕度大：
　　NOMEX®纸属C级绝缘，长期可在220℃的高温下安全运行。变压器按H级绝缘设计，运行温度为180℃，选择使用NOMEX® 纸有很大的耐热裕度。特别在地下室，通风不良且空间小，采用这种变压器有很大优越性。NOMEX® 纸有较高的电气强度，就是在250℃的高温下仍然有很高的表面和体积电阻。更重要的是它有较小的介电常数。这在以空气为介质的干式变压器中，是极其重要的，NOMEX® 纸的介电常数通常在1.5～2.5之间，与空气的介电常数1很接近。在结构设计中，又采用了介电常数较低的其它绝缘材料，使整个变压器的电场分布比较均匀，即使绕组内部含有微量的气泡，都不会对产品造成危害。因此，变压器的局放较小。同时，在相同的绝缘尺寸下有较高的耐电强度。
（2）安全性好，NOMEX® 纸的限氧指数(LOI)高：
　　物质的限氧指数与材料本身特性和它所处的温度有关。同一种材料，它的温度越高，限氧指数越小，也就是说容易被燃烧，通常说此时它被燃烧后不能自熄。因此，凡是限氧指数大于20.8%（大气中的氧分压值）的绝缘材料都不会自燃和助燃。NOMEX® 纸在220℃时的限氧指数为22% - 25%。在300℃时也大于21%。因此它在300℃以下温度时不会助燃能阻燃，即使被明火点着后也能自熄。（见图二）当然不会爆炸。NOMEX® 纸不含任何毒素，即使被燃烧后，不会释放出有害气体，燃烧的烟雾温度不高，透明度高。因此，在变压器着火后，温度低于300℃时会自熄，温度高时燃烧中无毒，且烟雾温度不高，浓度低。另外，它无论在制造、运输、存储和运行过程中都不会给人员、设备和环境造成危害。
（3）环保性好，噪声低，线圈可回收处理：
　　Reliatran®技术干式变压器无论在制造、运行和使用寿命结束后都不会对环境造成危害。特别是可以降解处理，当产品报废后，纸可以无毒焚化处理，而铜和铁可以回收。
5、 其他类：
　　以上除了SF6气体变压器外，其他形式的干式变压器在技术上很难把变压器容量做大，电压做高。现在由ABB公司研制成功一种叫"电缆变压器"的。它的特点有：
　　（1） 从原理上讲，它的容量和电压可以与现有的油浸变压器相比；
　　（2） 整个线圈就是用现成的交联电缆做，交联电缆的电压等级就是变压器的电压等级。绕组的骨架可以用钢铁制作。因此它摆脱了绝缘结构件往往承担变压器机械力的困惑，而事实上绝缘结构件恰恰是机械强度最差的，是的薄弱关节；
　　（3） 它可以放在户外；
　　（4） 制造工艺简单；
　　（5） 它不能像普通变压器那样用线圈抽头来调节变压器的分接电压。
三、 可以发展的新品种：
　　1、 应当制定C级绝缘干式变压器性能标准，向国际水平靠拢。因为它可以较充分利用人类的有限资源。目前NOMEX®纸已经在我国电工行业中广泛使用。人们有一种担心，变压器温度高了，会否影响到其他设备？笔者认为，使用这种新的电工设备就不能按传统的方法。现在大家都习惯把温度计探头放在线圈上，当温度超过某一值时就启动变压器上的风机，这样的确降低了变压器的温度，可提高了变压器房的温度。由于Reliatran?技术干式变压器是H级绝缘的，且有较强的超铭牌运行能力，因此变压器的标准配置是不带风机的。此时我们可以在变压器房内装上温度控制器（不仅仅在变压器线圈上），而启动的是墙上的风机。这不是更合理吗。由此可以想到，发展C级产品是可行的。
　　2、 可以发展非晶合金做铁芯的干式变压器，它有很低的空载损耗。只要把它的售价能控制在1.5倍普通变压器的价格以内，在经济上是划算的。但是，笔者认为发展这种变压器不能仅仅从经济上看、要从节约能源，减少对环境的破坏等来考虑。笔者另外一篇《非晶合金干式变压器发展前景》作专门的讨论，这里就不多说了。
四、 结束语
　　任何一种产品总有它的特点，我们去研究它，能从中得到一些启发。以上受篇幅的限制讨论的很浮浅，有机会我们可以继续讨论，欢迎批评指正。还有一点，上述这些产品都会进行改进，本文不可能是的结论。并且在参考上述技术时，敬请注意不要去侵犯知识产权，本文也不是现有任何的使用许可证，也无意侵犯它们。