一篇关于干式变压器的文章

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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.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、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。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。

① 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τ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δ、导体的导电率γ、导体的电流密度J及绕组温升限值有关：

时间常数τ=c×δ×γ×Δθw/3600×j2 铜导体铝导体比热c J/kg℃ 385 920 密度δ kg/mm 8.9×10 4.1×10 -6-63导电率γ 120m/Ωmm 41 25 2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τ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Δθw=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，可以推算出铜导体的时间常数τcu=0.61h，而铝导体的时间常数τal=0.68h，两者的时间常数基本上是一样的。

②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。

③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

①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。

②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。

αL=C/K

式中 α—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

αL的数值越小越好，αL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αL值较之导线绕制的线圈小，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αL=1.27，而绕线式线圈的αL=1.64。

③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。

④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%。

⑤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，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1.25×106kg/cm2，铝的弹性模数为0.7×106kg/cm2，而固化后的环氧树脂混合料的弹性模数只有0.45×106kg/cm2。所以，依靠树脂层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。

①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，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。

②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。

①填料的添加可防止树脂的开裂。在环氧树脂中添加填料后，不仅可以提高树脂混合料的弹性模数，增强其机械强度，而且还可以使固化后的树脂的热膨胀系数与注填其中的铜、铝导电材料的热膨胀系数相近，将热应力抑制到最小程度。材料铜热膨胀系数 1/℃ 17×10-6 铝环氧树脂石英砂玻璃纤维 23×10-6 60×10-6 10×10-6 5×10-6 环氧树脂与铜、铝的热膨胀系数值相差很大，若单独将环氧树脂与铜、铝浇注于一起，是很容易产生开裂的。若是以石英砂或玻璃纤维作为填料加在树脂中，则该混合料与铜、铝的热膨胀系数的差值可以大大地缩小。可以用下面的公式简单地计算出添加填料后树脂混合料的热膨胀系数值：

lgβc=Vm×lgβm+Vf×lgβf

式中 βc—树脂混合料的体积膨胀系数 βm—树脂的体积热膨胀系数 βf—填料的体积热膨胀系数 Vm—混合料中树脂的体积占有率 Vf—混合料中填料的体积占有率

一般填料的体积占有率在60%左右，这样我们就可以推算出不同填料时的树脂混合料热膨胀系数：

以石英砂为填料时 βc =21×10-6 1/℃ 以玻璃纤维为填料时 βc =14×10-6 1/℃

可以看出：对于铝导体，使用以石英砂为填料的环氧树脂混合料；对于铝导体，使用以玻璃纤维为填料的环氧树脂混合料，都可以有效减小因材料的热膨胀系数不同，在线圈内部温度发生变化时而产生的热应力，有利于防止线圈树脂层的开裂。另外，填料的添加还可以降低树脂固化收缩率，避免在线圈热固化过程中产生的树脂开裂，也可以提高树脂的抗蠕变及抗疲劳的性能。

一般来说，使用玻璃纤维做填料，由于纤维与树脂粘接得好，比

用石英砂做填料在抗裂性能上要好一些。特别值得注意的是，当石英砂做填料时，对线圈固化各阶段加热温度、加热时间等工艺上的要求是非常的严格，否则树脂层就可能有开裂现象产生。最近几年我国引进的以石英砂做填料的干式变压器技术都在线圈的内、外径侧加有目孔较大的玻璃纤维编织网，这实际采用的是复合填料的办法。由于，采用复合填料的环氧树脂混合料较之仅以石英砂为填料的环氧树脂混合料的韧性值大得多，所以具有优良的抗开裂性能。

另外，使用经过有机硅烷偶联剂处理过的所谓“活性硅微粉”，可以使树脂和石英砂之间用化学键联结起来，使原来的简单的物理混合改变成为彼此间发生了交链反应，呈现出填料的活性，从而增加了树脂与填料交界面间的结合力，提高了环氧树脂绝缘材料的机械强度和抗开裂性能。

②填料的添加也使得环氧树脂绝缘材料的介电性能发生了很大的改变。

a. 介电常数ε 材料环氧树脂石英砂玻璃纤维介电常数ε 3.3-3.6 约为4.5 约为6.3 在环氧树脂中加入填料后，树脂混合料的介电常数是由树脂、填料各自的介电常数及填料的填充量所决定的。可以按下式计算出树脂混合料的介电常数近似值：

εc=Vm×εm+Vf×εf

式中 εc—树脂混合料的介电常数 εm—环氧树脂的介电常数 εf—填料的介电常数

Vm—混合料中树脂的体积占有率 Vf—混合料中填料的体积占有率

若填料在混合料中的体积占有率为60%，则可以算出：以石英砂为填料时 εc=4.02-4.14 以玻璃纤维为填料时 εc=5.22-5.34

可以看出，填料的添加提高了树脂混合料的介电常数，这与我们的愿望是相反的。介电常数大，易使介质中的电场分布不均匀，且介质中的能量损耗增加。我们则是希望为了缓和介质中局部的电场集中，提高树脂绝缘中的局部放电电压值和线圈浇注表面的闪络电压值，介电常数尽可能地小。但是从线圈的整体质量来考虑，也只好如此了。不过，从计算的结果来看，在这方面以石英砂做填料比以玻璃纤维为填料的效果要好一些。

b. 电寿命

电场强度E与绝缘材料的电寿命t呈线性关系： t=A×E-n

式中 t—绝缘材料的电寿命 A—常数

n—V-t曲线的斜率

从实验的结果得知，树脂中加不加填料对n值的影响不大，一般n=12-16。电场强度E只是与电极的形状相关，电极的形状不同，E值的大小也不一样。那么填料的加入对于绝缘材料的电寿命有什么作用呢？对于浇注成型的线圈，我们可以把它看成是一个密闭的电极结构。实验表明，在树脂中添加填料特别是添加石英砂之后，它的电寿命要比无填料的环氧树脂延长2-3倍，这是因为石英砂填料的壁垒效应减缓了因局部放电而引起的绝缘裂化的速度，推迟了引发点树枝形放电所必须的凹坑、沟槽的形成时间，也就延长了它的电寿命。这里

还要指出的是，填料在熟知中分布的均匀程度，对于绝缘中可能产生的局部放电量的大小会有很大的影响，越均匀越好。在这方面石英砂填料是优于玻璃纤维填料的。

③热传导率材料环氧树脂石英砂玻璃纤维热传导率 W/m.℃ 0.2 1.4 1.0 填料的添加可以提高环氧树脂的热传导率，改善线圈的散热效果，绝缘材料热传导率的大小将影响变压器线圈的散热性能。热传导率大，线圈内部产生的热量就可以通畅、迅速地传导到线圈的表面，再通过对流、辐射散发出去。即使是在出现过载或其它情况下，也可迅速地使线圈内部的温度均匀分布，避免局部过热，而使绝缘受到损坏，也可以减小线圈内部所产生的热应力。

三、我厂为北京地铁“复-八”线提供的牵引用树脂绝缘干式整流变压器设计及结构的简介

1.按照与北京地铁签定的《技术条件》在单台整流装置上实现12脉波整流的要求，对于整流变压器我们采用的是双绕组、双分裂的结构。即高压网侧线圈为并联后三角形联结，低压阀侧的两组线圈为轴向分裂，其中一组分裂线圈为三角形联结，另一组分裂线圈是星形联结。

（1）低压阀侧的两个分裂线圈，由于分别是三角形联结和星形联结，所以彼此之间相位相差30°，保证了12脉波的整流要求。两个分裂线圈是分别绕制成的各自独立的线圈，沿轴向上、下放置。对两个分裂线圈的加工精度要求很高，以保证温升、阻抗电压等技术参

数的准确。

（2）分裂变压器的特点

①分裂线圈之间没有电的联系，只有微弱的磁联系。分裂线圈的容量相同。

②两个低压阀侧分裂线圈与高压网侧线圈之间具有相等的阻抗电压（半穿越阻抗）。

③低压阀侧的两个分裂线圈之间的阻抗（分裂阻抗）较大，一个分裂线圈发生故障，对另一个分裂线圈几乎没有影响。

2.按照与北京地铁签定的《技术条件》，牵引整流变压器的负载能力应为：

100%额定输出电流连续； 150%额定输出电流 2h； 300%额定输出电流 1min

所以，该整流变压器是按工作制等级为Ⅵ级，即按重型牵引负载来设计的，根据国家标准GBT3859.3《半导体变流器、变压器和互感器》确定线圈的温升限值为68.5℃。

3.向北京“复-八”线提供的树脂绝缘牵引用干式整流变压器的铁心，不仅是45°全斜接缝，而且还采用的是多级接缝结构。下面简介多级接缝的特点：二级接缝