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干式变压器的发展现状及趋势
发布时间:2017/6/16

干式变压器的发展现状及趋势

贺以燕 (沈阳变压器研究所 110167)

1 干式变压器发展历程简述

1885 年 , 匈牙利拉提、德利、齐佩诺夫斯基 三位工程师发明了变压器及感应电机 , 并研制出第 一台工业实用性变压器距今已有一个多世纪了。当 时和以后的一段时期内 , 所生产的变压器无例外的 均为干式变压器。到 20 世纪初发现了变压器油 , 它具有高绝缘强度 , 高导热能力 , 用于变压器是再 好不过的绝缘和冷却介质。随着工业化的进程 , 用 电量急骤增加 , 电力系统及变压器的电压级次逐渐 增高 , 对油变发展更为有利 , 而干变则处于相对不 利的条件。因受限于绝缘使电压上不去 , 受限于散 热使容量上不去 , 造成它的发展几乎停滞不前。

二战以后 , 世界经济呈现前所未有迅猛增长 , 城市面积、人口、高层建筑、地铁骤增 , 而在室内 及重要中心场所 , 油变防火性能差 , 容易引起火 灾 , 因而需要一种抗燃性能好的变压器。为此目的 选择了二种代用品 , 一种是氯化联苯 ( PCB) 不燃 油代替变压器油 (性能与油相当 , 但完全不燃) , 做了数万台变压器 , 后发现该油有毒。70 年代美、 日等国明令禁止使用 , 迫使该种变压器绝迹 ; 另一 种环氧树脂 , 用于制造干式变压器 , 自 1964 年德 国 AEG公司研制出第一台 400kVA/ 20kV 环氧浇 注干式变压器起 , 干式变压器进入一个大发展的阶 段 , 与此同时 , 美国也发现了 Nomex 绝缘纸 , 可 作 H 级干式变压器 (与传统油变结构相同) , 这样 干变 就 有 二 大 类 , 一 类 为 环 氧 型 , 另 一 类 为 Nomex 纸型 , 遍布世界各地。

2 干式变压器的发展现状

截至 2000 年末 , 我国装机容量达到 3 16 亿 kW , 发电量 13000 亿 kW·h , 为世界第二位 , 变 压器总产量 1 5 亿 kVA 。 目前干式变压器制造技术已成熟 , 国内外许多 工厂能大批量生产。国内外生产量最大的干式变压 器生产厂年产量已分别超过 3000MVA (国内) 和2000MVA (国外) 。它适应高污秽、高温、潮湿的 环境 , 具有阻燃、耐燃、无公害、免维护等一系列 的优点 , 因而用 量 很 大。如 西 门 子 公 司 生 产 的 Geafol 干式变压器就有 6 万多台在世界各地配电系 统运行。目前 , 干 式 变 压 器 最 高 电 压 等 级 已 达 35kV , 最大容量为 16MVA 。 干式变压器在八五、九五期间有了很大的增 长 , 如表 1 所示。 表 1 干变逐年增加的年产量 (万 kVA)

1 产品结构

目前国家生产的干变有四类 : ①浸渍 (空气) 式。 ②Nomex 纸型。③环氧型 ,又分为浇注与绕包型两 类。④SF6 。除 SF6 变执行油变标准 ( GB/ T6451 — 1999) 外 ,其他均执行 GB/ T10228 —1997 。

2 .1.1 浸渍式及 Nomex 纸型

该种变压器生产历史最长 , 制造工艺也比较简 单 , 导线用玻璃丝包 , 垫块用相应的绝缘材料热压 成型 , 随浸渍漆的不同 , 绝缘分 B 、F、H、C 级 , 主、从绝缘的空道全部以空气为绝缘介质。由于此 种变压器受外界环境影响比较大 , 体积也比较大 , 比不上树脂 , 在国内外产量趋于减少 , 年产仅数万 kVA 。但有的用户仍然采用 , 主要是散热条件好 , 最热点温度比平均温升高出不多 , 温度比较均匀 , 过负荷能力强 , 热寿命长。

Nomex 纸是美国杜邦公司的专利产品 , 属于 垄断性生产 , 它有优良的电气机械、化学性能。

90 年代末 , 云南变压器厂引进法国 Transfix 公司的制造技术生产了一种名叫 Securamid H 及绝 缘的干式变压器 , 其低压为一般的箔式绕组 , 高压 为层式结构 , 匝绝缘及主绝缘用美国杜邦公司生产 的 Nomex 纸 , 绕组两端有 Nomex 纸端封 , 防潮防 火能力极强 , 可在明火 750 ℃下防燃 , 绕组卷制后不用模子浇注 , 不用浇注设备 , 只用普通绕线机绕 制即 可。该 种 变 压 器 技 术 经 济 性 能 好 , 只 有 Nomex 纸价格很高 , 约 500 元/ kg , 树脂仅 100 元 / kg , 因而 , 产品价格与树脂的大体相当 , 该厂已 能生产 SCR30 —1600/ 10 系列。

对容量再大一点的配电干式变压器 , 可与浸渍 式干 式 变 压 器 一 样 , 做 成 饼 式 , 只 是 导 线 包 Nomex 纸 , 垫块等用 B 、F、H 级绝缘材料即可 , 容量可达 6300kVA , 从技术上讲应该是没有问题 的 , 但国内尚未正式生产。

2.1.2 树脂型 环氧树脂其电气机械性能比较优越 , 可参见表 2。

表 2 用于干式变压器的环氧树脂的材料性能

树脂型可分为如下几种类型。

(1) 树脂浇注 树脂浇注有树脂与树脂加填料 浇注两种 , 这两种结构大同小异 , 其低压绕组有箔 式与线绕式两种也大同小异 , 前者绕在玻璃骨架上 为分段式 (8~12 段) , 后者用扁或圆线绕成分段 圆筒式然后装入浇注模 , 用树脂或加石英粉树脂浇 注绕组如图 1 、2 所示。

早期产品有开裂现象 , 后在绕组内外加玻璃纤 维 , 再用纯树脂浇注或者加石英粉。用铝箔加石英 粉的另一好处是石英粉占 60 % , 树脂及颜料只占 40 % , 所以整体树脂少 , 而石英粉价格只有树脂的 3 % , 两种材料相比 , 加石英粉的变压器 M0 虽然 略大一些 , 但体积外形尺寸大体相同 , 而价格要低 10 %~15 %。

纯树脂的干式变压器内外绝缘厚度一般为 3mm (称为薄绝缘) , 目前已减少到 1 5~2mm , 但性能良好。

加石英粉的干式变压器内外绝缘过去一般为6mm (称为厚绝缘) , 目前已减少到 3mm , 再加上 内外有玻璃纤维 , 所以也不会存在开裂的问题。 这两种材料的产品技术性能与外形尺寸相同 , 国内从生产量看 , 树脂型较多 , 加石英粉的较少 , 前 者 能 做 到 20000kVA/ 35kV , 后 者 能 做 到 2500kVA/ 10kV , 前者更适用于高电压等级的产品 , 后者则在 2500kVA 以下更加适用。

(2) 树脂绕包型 低压绕组结构与前种结构一 样。高压绕组在绕线机上绕包 , 内模为环氧玻璃布 筒。绕 包 时 , 边 绕 导 线 , 边 绕 玻 璃 纤 维 ( 占 80 %) , 经过一树脂槽将浸好树脂的纤维复绕在已 绕好的导线上面。待整个绕组绕完后 , 进烘箱加热 固化 , 使其成为一整体。在常规环境下使用树脂 , 难免会包裹空气 , 故电场强度要取小一些 , 体积会 增大。这种结构的优点是不需要浇注模 (见图 3) 。

用此结构绕一个高压绕组需 8h , 与绕制浇注式高 压绕组的分段圆筒式结构所需时间大体相当 , 而绕 一个高压箔式绕组仅需 2h 。由于树脂绕包变压器 工时较多 , 目前国内该型产品成本为树脂加填料产 品的 1.25 倍 , 即为油浸式产品的 3.5 倍左右。

(3) 树脂真空压力浸渍型 低压绕组结构与上 述结构一样。高压绕组在绕线机上绕好并预压和预 干燥后 , 放入浇注罐抽真空处理。在真空下注入树 脂 , 使其渗入导体中 , 整个绕组被树脂包裹 , 然后 解除真空并施压 , 使树脂更好地渗入绕组之中 , 而 后将绕组送入炉中处理。

注 : ①如低压用预浸渍材料。②如低压亦为绕包工艺 , 但有的也可 不用绕包。③仅为辐向气道。④不完全光滑。

由于绕包变压器价格贵 , 所以在中等容量范围 内 , 其竞争力要比树脂型的低。但对 10MVA 及以 上较大容量变压器 , 因绝缘更薄 , 故散热好。ABB 公司开发的“雷神”(Resibloc) 即为此类产品 , 江 西第二变压器厂也有设备可以生产此类产品。

对较大容量的各种树脂变压器在底部加装轴流 风机 , 在应急负载情况下 , 使其输出容量最大可提 高 50 % (过负载) 。

这种工艺结构见图 4 。其优点是无需浇注模 , 绕制与前几种一样 , 只是需真空压力浸渍。这是近 年国外发展的一种新技术 , 是与国外真空压力浸渍 套管 (代替胶纸、油纸套管) 同时开发的产品。

此型结构产品 , 各绝缘等级的变压器重量比为 GB∶GF∶GH∶GC = 100∶89∶84∶77

负载损耗比为 PKB∶PKF∶PKH∶PKC = 100∶106∶113∶120

表 3 列出几种树脂干式变压器的特点。

表 3 几种树脂干式变压器的特点比较

表 4 列出了树脂干式变压器典型容量的技术经 济指标。

2.1.3 110kV 级树脂浇注电力变压器

山东金曼克电气集团于 1999 年开发出 SCZ9 —5MVA/ 110kV 树脂浇注电力变压器单相样机 DCZ9 —10500/ 110 , 通过中国变压器质量监督检测 中心所做的例行、温升、冲击、声级及短路试验 , 同年 11 月通过国家机械工业局、国家电力公司鉴 定 , 这在树脂浇注变压器国内外历史上是第一次 , 为电网提供一种新型防灾电力变压器奠定了物质基础。该电力变压器组于 2000 年 9 月装于山东兖州 电力局运行至今情况良好。110kV SCZ —X315kW , 负 载 ( 120 ℃) 120kW , 工频耐压 200kV , 冲击耐压 400kV , 噪声 65dB 。

环氧化树脂干式变压器 , 由于其防火性能好 , 不污染环境 , 已被用户所采用 , 尽管价格为油浸式 变压器的 2~25 倍 , 但总的产量仍有增无减。相 信 110kV 级干式变压器在用户取得实践经验的基 础上 , 会逐步被用户接受。

2.2.1 干式变压器取代油浸变压器

油浸式配电变压器的显著性能和低成本是其他 变压器难以取代的。在户外以及防火要求一般的场 所 , 目前及今后较长一段时间内 , 将仍以油浸变压 器为主。但对防火要求高的场所则采用干式或采用 难燃液、不燃液的变压器。

2.2.2 铝、铜箔比较

由于铝箔的线膨胀系数与树脂加石英粉的线膨 胀系数比较接近 , 所以国外树脂加石英粉的浇注变 压器 , 其导线多用铝箔 , 价格也比较便宜。而铜箔 与树脂加玻璃纤维的线膨胀系数更接近 , 因此用这 两种导体材料问题均不大。但铜箔变压器价格要比 铝箔的贵 20 %~30 % , 因此国外优先用铝箔制造 变压器。

2.2.3 加石英粉与不加石英粉变压器

这两种结构性能标准一样 , 安装尺寸也一样 ,只是不加石英粉的变压器价格比加石英粉的高 10 %~15 % , 只有用户在大量使用中才能得出谁更 优的结论。

2.2.4 过负载能力

干式变压器较油浸式变压器过负载能力高 , 主 要是干式变压器选用的电流密度较低 , 热容量大 , 绕组时间常数大 (油浸式变压器 t = 10min , 干式 变压器 t = 40min) 。油浸式变压器铜线电流密度设 计数 取 3A/ mm2 , 干 式 变 压 器 在 设 计 上 铝 线 取 1 0A/ mm2 , 铜线取 1 6A/ mm2 , 在设计上要验证 短路 2s 时 , 温升不超过对铜 B 级与 F、C 级而铝 则为 200 ℃的要求 , 铜却要保证为 250 ℃~350 ℃。 一般均能按 IEC905 负载导则使用 (该导则规定 : 最热点温度为平均温度的 1 25 倍。以 B 级绝缘为 例 , 最热点温度比平均温度高 25 ℃, 寿命则按 10 ℃法则计 , 即每增加 10 ℃, 寿命减半) 。

2.2.5 抗短路能力

国内树脂浇注变压器已有 200 多台 做过短路试验 , 其抗短路能力良好。以 国内变压器质量监督检验中心强电流试 验室 1994 年到 2000 年试验的干式变压 器为例 , 共试验 200 台 , 一次性合格率 大于 95 % , 油浸式变压器则为 90 %。

2. 1.6 绝缘水平

在 GB6450 —1986 标准中 , 规定了 干式变压器的绝缘水平。在标准制定中 考虑到如下运行特点 , 因而与油浸式变 压器有所不同。在此仅归纳如下 :

(1) 干式变压器与油浸式电力变压 器相比 , 绝缘运行条件有所改善。油浸式变压器的 使用场所较多 , 常安装在户外运行。干式变压器的 供电范围较小 , 只安装在户内运行。

(2) 干式变压器的进线常有电缆段 , 架空线段 也常有建筑物加以保护 , 和油浸式电力变压器相 比 , 它遭受的雷电压幅值较低 , 波头较缓 , 雷击概 率也较小。

(3) 干式变压器常使用金属氧化物避雷器保 护 , 不但限制大气过电压 , 而且也限制了内部过电 压。

(4) 干式变压器所在的电站容量小 , 接线结构 简单 , 避雷器到变压器的距离近 , 电气连接线短 , 故可以选用较小的保护系数 (1 11 —1983 组 Ⅱ规定数据相比 , 约低 15 %。这是由于干式变 压器的进线条件、避雷器连线和保护水平都足以弥 补其降低值。这一点是 GB640 —1986 认可的 , 并 认为这样规定是经济安全和合理的。

2 .2. 7 试验

一般试验与油浸式变压器相同 , 只是每台需测 局部放电 ( PD) 。按 GB6450 —1986 用图 5 试验 , 耦合电容 C = 1000p F , 用感应电源三相先施加 1 5 U n 30s , 然后降到 1 1 U n 3min , 测量 PD , 再 换相 , 最 好 记 录 qPD2 , 一 般 局 部 放 电 量 不 大 于 20pC。温升试验采用 GB6450 —1986 方法 , 最好用 相互负载法 , 如只有一台 , 则采用模拟负载法 (双 方协议执行) 。

3 干式变压器的发展前景

目前国内干式变压器生产厂家约有 100 家 , 生 产能力 30000MVA , 实际需要仅 10000MVA ; 形 成批量生产的有 20~30 家 ; 年产量超过 1000MVA 仅三家 : 顺德、金曼克、许继 , 近 1000MVA 的还 有华 鹏。其 中 顺 德、金 曼 克 年 产 量 在 2000 ~ 3000MVA , 与德国西门子公司年产量相当 , 它们 有近 10 年的生产历史 , 技术水平与产品质量与国 外相当。

(1) 干式变压器特点是浇注变压器 , 在近 10 年来有了很大的发展 , 其技术臻于完善 , 难以出现 质的变化。但它占配电变压器的比例还会提高 , 美 国达到 30 % , 我国有望达到 20 %左右。由于其价 格比油浸式变压器高出一倍 , 会影响它的发展 , 因 此降低成本是关键。

(2) 由于干式变压器 ,特别是树脂型的近几年 有了很大发展。许多地方纷纷建厂 ,其总生产能力数 倍于市场需要。建议有关方面严格控制 ,切不可再投 资建厂 ,避免无谓的浪费人力、财力。这不但影响新 厂的能力发挥 ,也给老厂带来难以承受的冲击。

(3) 目前树脂变压器所用树脂及其他材料大部 分靠进口 , 因而售价较高 , 而国内材料也已用多年 , 有的工厂材质不错 , 价格也比较低 , 应该在制造与 使用部门中倡导大量使用国产材料。这样总体成本 会降下来 , 总产量占配电变压器的比例也会增大。

(4) 今后数年内树脂干式变压器竞争将会更激 烈 , 各工厂在产品发展、技术水平、质量保证上都 会有所提高 , 相信在大家的共同努力下 , 干式变压 器生产技术会达到更高水平。



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