干式变压器制造商的优势

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干式变压器制造商的优势

　　变压器的设计师需要满足许多技术和经济要求，这些要求可能因绝缘材料的限制而受到很大的影响。设计师通过采用耐高温的绝缘材料，可以在变压器的电、机械、热和环境性能方面获得更大的灵敏性和自由度。
　　在考虑这种可扩展灵活性的同时还应考虑许多因素以确保设计能够保证在评估温度下的可靠性。一般来说，采用基于芳族聚酰胺材料的高温绝缘系统可以使设计师通过减少通常的冷却空间来制造更紧凑的变压器。在除去这个空间的同时设计师还应考虑对变压器的电和热性能的影响。例如，因为干式变压器要依赖用于冷却的空气间隙，所以必须注意避免对变压器施加过大应力以防止局部放电，局部放电会过早老化绝缘材料和导致早期故障。设计师还应计算正确的间隙距离以避免沿表面及其周围的爬电现象，防止以这种方式产生击穿。这些问题可能比简单的热点温度要求更受限制。
　　不仅要了解在实验室中的室温下获得的测试值，而且还应了解高温条件下绝缘材料的性能，许多材料可能在实验室中呈现出合格性能，但在变压器的热点温度下工作时性能却会降低。
　　图1的资料显示了Nomex牌芳族聚酰胺纸在加速老化温度条件下的老化数据和热老化的阿化尼乌斯曲线。这种信息对预测材料在设备中的预定运行条件下的能力是必需的，例如，这个数据预测了220℃的热寿命指数（外延可达100,000个小时）。此外，在过去35年中，这种材料一直使用在干式变压器（热点温度为180℃至220℃）中并获得了实际寿命特性。为此，这些材料一般用作其它材料确定其热指数时所做的热老化试验的参考材料。

图 1. Nomex®芳族聚酰胺纸的老化曲线

除热寿命性能外，还有许多其它材料特性（这些特性会受到系统温度的影响），在设备的运行温度下工作时必须对这些特性进行考虑。图2和图3的数据显示了材料的介电常数（电容率）和随温度变化的介质损耗角（损耗角正切）的对应关系。注意，材料A在大约150℃的温度上就开始迅速变化，因此不得用于热点温度超过这个点的设备中。另一方面，材料B在高达220℃的温度上仍呈现出良好的稳定性能。这一特性对设计和工作应力会产生重要影响。材料A的介质损耗角会导致变压器的电介质温度超过150℃。

此外，变压器中应力分布的设计与介电常数呈反比例。这种方案中的比较基准是空气，空气的介电常数定义为1.0。固体材料越接近1.0，空气冷却间隙和固体绝缘材料之间分布的应力就越均匀。因此，这个介电常数会影响变压器的尺寸和紧凑性。介电常数较低的材料允许更多地减少空气空间，因而可获得更小的变压器。在这种方案中，材料B展现了Nomex®芳族聚酰胺纸的优越性能。

图 2 和 3. 介质损耗角和随温度变化的介电常数

 在这个新世纪中要考虑的另一个主要因素是变压器的可燃性指数。这是不考虑设计变压器所用的技术的情形。这需要具有不仅在室温下可以阻燃而且在变压器的运行温度下甚至在最热点区域上也具有这种相同能力的绝缘材料。正如图4中所概括的那样，高温芳族聚酰胺材料不支持250℃至300℃以下温度上的燃烧。这份资料显示了厚度为0.13毫米的410型Nomex®芳族聚酰胺纸随温度变化的极限氧指数（LOI）。这种制品即使在220℃的工作温度下，也具有自熄性。之所以需要这些制品是因为，即使加热到着火点，它们也仅仅产生少量的透明、毒性较低的燃烧气体。

图 4.: 各种材料的限氧指数 (LOI)

表3中的资料概括了Nomex®芳族聚酰胺纸在可燃烧性方面的一些全球证书。由于缺乏国际认可的标准化程序，几家机构已制定了自己的测试方式来主观评估各种材料的燃烧特性及其遇到火灾时的安全等级。在美国，UL可燃烧性试验是以材料的耐火性能为基础的（UL标准94）。在欧洲，有几个国家如法国和意大利已制定了他们自己的标准，例如NF F 16, 101 和 102。根据这些标准来对材料的燃烧特性进行分类（M分类），和对累积气体的不透明性和毒性进行分级（F分级）。芳族聚酰胺材料被归为M1和F1级，这是有机制品的最佳可能等级，并归为UL等级下的V-0，即不支持燃烧，不流动或滴液，且具有消除火源后的无复燃性的材料。

表 3. 由不同证书颁发机构确定的Nomex® 纸的可燃性指数

　　　　UL (美国) 　　　　　　　　　　　94 V-0
　　　　NF F 16-101 (法国)　　　　　　　　 M1
　　　　CSE RF 2/75A (意大利) 　　　　　　1级
　　　　NF F 16-101 & 16-102 (法国) 　　　 F1

　　除了这些卓越的性能外，芳族聚酰胺制品还具有很高的耐化学品和溶剂腐蚀能力，并与所有其它用于制作变压器绝缘系统的成分相容。芳族聚酰胺制品还可增加耐受来自空气污染的化学侵蚀能力。湿气吸收始终是与干式变压器有关的一个问题。芳族聚酰胺材料会吸收湿气，但与其它材料例如纤维素不同，它们不会受到这种吸收的不良影响。事实上，这些材料的化学性质得到了改善，并且电气性能保持在很高的耐受等级以上。如表4所示那样，这些材料可以吸收多达90%的湿气同时又保持极佳的电气强度，并且介电常数和损耗因子也很低，当它们干燥后，仍然比大多数其它材料优越。

表 4. 湿度对芳族聚酰胺纸 (0.25 mm)的介电性能的影响

　　　　湿度等级 　　　　　　　　0% 　　　　　50% 　　　　　90%
　　　　介电强度， kV/mm 　　　　38　　　　　 35　　　　　　34
　　　　60 Hz时的介电常数　　　 2.5　　　　　 2.7　　　　　 3.2
　　　　60 Hz时介质损耗角 　　　0.006　　　　 0.006 　　　　0.011

　　但是，在生产干式变压器的过程中，常规做法是将绝缘线圈覆以清漆或树脂。这样可以防止吸收水份，使线圈更可靠地耐机械冲击，并可减少变压器的噪声。此外，今天的技术已允许通过真空浸渍（VI）和真空/压力浸渍（VPI）将清漆浸入线圈中，因而，可保证极佳的渗透并消除局部放电引起的所有问题。
　　通过IEEE标准C57.12.56 (美国) 和 CENELEC HD-464（欧洲）进行的标准化试验已证实，包封式的敞开式线圈在95%湿度中暴露几天后可以通过大多数冲击波、过电压和局部放电的临界测试。

在技术和市场方面的全球进展

　　全球各地对耐高温绝缘系统的兴趣正与日俱增。敞开式线圈变压器比浇注线圈变压器具有显著的优势，因为在设计或耐热等级方面没有任何限制。利用耐高温材料可以设计各种实用高效的小型低成本变压器。还不受各种形状和尺寸的模具的限制, 可以设计在性能特性的选择方面具有极大灵活性的变压器。这样就允许设计师提供符合设备用户提出的任何特性要求的最佳方法。
　　在美国，有千千万万的最终用户具有各不相同的市场需求，这种技术是最流行并具有成本效益的选用方案。采用芳族聚酰胺材料的180和220级系统是自1980年以来唯一获得UL认证的系统，该系统一直是政府机构和工业用户与商业用户的首选产品和指定方案。此外，自1960年末以来，该系统就一直得到市场的验证。UL认证程序已为用户提供了一个可保证优质、可靠性和性能的可靠的第三方设备证书。
　　在欧洲，敞开式干式变压器是EDF（法国）根据其严格的鉴定体系审批的第一批干式变压器品种，现在这种变压器已成为许多其它法国用户极为满意的首选产品并逐渐得到普及。这种变压器正在为树脂浇注式变压器现在正占有最高欧洲市场份额的其它欧洲国家提供一种优质、可靠的选择。由于用户需要具有较高的可靠性、较低的成本、更好的环境保护措施和改善安全性，因此敞开式干式变压器正在提供最佳解决方案。为了满足这些需求，制造商们现在正在转向采用更新的浇注树脂技术，这种技术采用了耐高温材料以获得H级性能。因此，全球发展趋势明显对具有H级以上绝缘系统的变压器有利。在亚洲，这一趋势也逐渐变得明显起来。韩国、中国、印度和东南亚国家的一些新兴制造商正在开发H级技术以为市场提供更好的选择方案。制造商们还发现，这种技术可以提供与市场上的生产厂家的任何B级和F级树脂浇注变压器（人们正逐渐认识到了低温技术的固有缺陷）不同的优质产品。

耐热等级的影响

　　变压器的耐热等级表示绕组在最高负荷条件（热点）下工作并应具有至少符合这一等级的绝缘材料时可以承受的最高温度。计算允许最高温度的公式如下：

最高温度 = 平均绕组温升(K) + 最大环境温度 + 热点允许温度

　　这意味着必须将绝缘系统的额定温度设定为绕组的最高温度，而不仅仅是绕组的平均温度，下表示出了基于IEC标准726的干式变压器的温度比较结果。

表5. 最热点温度计算结果

　　　　耐热等级 　　　平均绕组 　　　　　最大 　　　　　热点 　　　　　最高
　　　　　　　　　　　　温升 (K) 　　　环境温度 (℃) 　　温差 　　　　温度 (℃)

　　　　B级 　　　　　　　80 　　　　　　　40　　　　　　 10　　　　　　 130
　　　　F级 　　　　　　　100　　　　　　　40 　　　　　　15　　　　　　 155
　　　　H级　　　　　　　 125　　　　　　　40　　　　　　 20　　　　　　 185
　　　　C级　　　　　　　 150　　　　　　　40 　　　　　　30 　　　　　　220

　　正如所规定的那样，绝缘材料必须能够承受绕组内的最热点温度。美国的一些研究1表明，最热点温差可能比标准中规定的温差高，视线圈设计和形状而定。温差可能高达10至20K。这可能导致降低变压器的耐热等级或提高绕组中绝缘材料的等级。因此，与降低变压器的实际耐热等级相比，采用耐高温材料是最经济的解决方案。

采用这些耐高温芳族聚酰胺材料还具有许多其它优点。

1）对效率的影响
　　a.较小的线圈意味着磁芯尺寸较小，这可降低空载损耗
　　b.导体较少和温度较高会导致负载损耗增加
　　c.常用损耗评估方程一般在空载损耗上放更大的值，通常20年内估算的损耗比在3::1 至 6::1之间， 　　　这对小型变压器较为有利。

2）对尺寸和重量的影响

　　a.较高的绕组温度允许线圈较小，磁芯较小，节省成本、空间和重量
　　b.H级线圈一般比F级线圈小15%，比B级线圈小30%；R级线圈可以进一步减小约10%

3）热保护

　　a.F级变压器一般采用B级和F级绝缘材料，因而几乎不提供超负荷保护
　　b.H级变压器一般具有R级绝缘（220 ℃芳族聚酰胺材料），这种材料可以承受比H级更高的温度，因而　　　可提供较高超负荷保护。

　　因此，更高温度设计方式更充分地采用了原材料，并使损耗降至最低程度，从而降低了总运行成本，这是全球各地正逐渐形成的一种趋势。

结论

　　本文旨在引起用户和制造商对采用耐高温绝缘材料的注意，以及这种材料可为干式变压器提供的机会。本文还归纳了用这种材料生产的变压器可为用户提供的优点，尤其是强调了固有超负荷承受能力提供的可能性。这可使用户购买不仅成本低廉而且还具有比预期使用寿命长的使用时间的额定容量降低的变压器。在21世纪的世界中，这种技术可使制造商满足社会对改善安全性、环境保护方面日益增长的需求。此外，还提高了配电网内的短路和脉冲冲击能力。耐高温敞开式干式变压器技术并不是新技术，但它最适于满足市场日益增长的需求和发展趋势，并可以通过经济可靠的方式实现。

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