丁濟(jì)民

合肥博微田村電氣有限公司 安徽 合肥 230000

引言

干式變壓器與油浸式變壓器最大的差異在于絕緣和冷卻方式，油浸式變壓器依托于絕緣油來保障其內(nèi)部絕緣能力，同時(shí)其設(shè)備內(nèi)部的散熱也以循環(huán)絕緣油的方式進(jìn)行。干式變壓器則采用絕緣材料來保障匝間絕緣能力，同時(shí)干式變壓器中沒有油紙和油液，其采用風(fēng)冷式散熱模式，根據(jù)裝機(jī)容量的不同，其風(fēng)冷形式也各不相同[1]。從當(dāng)前電力技術(shù)及發(fā)展需求角度來看，干式變壓器和油浸式變壓器適合應(yīng)用的場景不同，干式變壓器在一些有較高防火防爆需求的場景中有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢。由于干式變壓器其整體運(yùn)行狀態(tài)受到絕緣材料的直接影響，因此在對干式變壓器進(jìn)行研究的過程中，需要重點(diǎn)分析其絕緣材料的老化故障問題，在明確干式變壓器結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，針對其絕緣特性進(jìn)行分析并研究干式變壓器中絕緣材料老化因素是干式變壓器技術(shù)發(fā)展和設(shè)備應(yīng)用的重要一環(huán)。

1 干式變壓器分類及優(yōu)勢

1.1 干式變壓器分類

干式變壓器可根據(jù)不同分類方向分為多種類型，例如可根據(jù)絕緣材料類型分為環(huán)氧樹脂絕緣型干式變壓器和非環(huán)氧樹脂絕緣材料型干式變壓器。也可以按照絕緣等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，目前按照絕緣等級(jí)分級(jí)可將干式變壓器分為B級(jí)、F級(jí)、H級(jí)以及C級(jí)，按照絕緣等級(jí)分級(jí)對于不同絕緣需求下相關(guān)應(yīng)用場景的干式變壓器選擇具有決定性意義。干式變壓器也可按其封閉形式進(jìn)行分類，按照這一分類標(biāo)準(zhǔn)，可將其分為全封閉式干式變壓器、非封閉型干式變壓器以及封閉式干式變壓器三種。全封閉型其內(nèi)部設(shè)備完全處于密封外殼之內(nèi)，內(nèi)部設(shè)備不與外部氣體環(huán)境接觸，其冷卻方式為內(nèi)部循環(huán)氣冷。非封閉式設(shè)備無密封外殼，內(nèi)部設(shè)備可與外部氣體環(huán)境直接接觸，其冷卻方式包括自然氣冷和風(fēng)機(jī)強(qiáng)制氣冷。封閉式設(shè)備有非密封外部殼體，內(nèi)部設(shè)備仍然可與外部氣體環(huán)境直接接觸，這種干式變壓器主要采用外部空氣循環(huán)的方式進(jìn)行冷卻。

1.2 干式變壓器優(yōu)勢

由于油浸式變壓器所使用的絕緣油為礦物質(zhì)油，其主要成分包括各類烷烴、環(huán)烴以及不飽和烴等，作為原油提煉產(chǎn)物，其化學(xué)成分較為復(fù)雜且具有可燃性，因此其發(fā)生化學(xué)污染和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)相對較大，干式變壓器與其相比防火性能優(yōu)異且無有毒有害化學(xué)物質(zhì)[2]。另外絕緣油對于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境要求相對較高，由于潮濕或較高的運(yùn)行溫度都會(huì)對絕緣油產(chǎn)生相應(yīng)的劣化影響，因此在設(shè)備適應(yīng)性上干式變壓器表現(xiàn)更好。從安裝角度來看，干式變壓器整體設(shè)備質(zhì)量和設(shè)備體積相對更小，設(shè)備所占空間小，安裝所需空間也相對較小，安裝操作更加簡便。除此之外當(dāng)前電力系統(tǒng)中所應(yīng)用的干式變壓器絕大多數(shù)擁有完善的溫度監(jiān)測及保護(hù)系統(tǒng)，其設(shè)備安全性能相對更高。

2 干式變壓器結(jié)構(gòu)分析

2.1 鐵芯

鐵芯是干式變壓器磁路結(jié)構(gòu)的主體部分。對于變壓器而言，鐵芯相關(guān)參數(shù)直接決定了變壓器傳輸功率，不同鐵芯材料以及鐵芯橫截面積都能夠直接影響設(shè)備的傳輸功率。目前絕大多數(shù)干式變壓器鐵芯所采用的材料為硅鋼片，企業(yè)加工制造選用冷軋晶粒工藝。硅鋼片加工完畢后采用直接縫或全斜接縫的模式來保障正確的磁通路方向[3]。變壓器鐵芯所采用的硅鋼片有兩種常見類型，一種是厚度較薄的取向硅鋼片，另一種則為厚度較厚的無取向硅鋼片。根據(jù)變壓器磁通需求的不同，硅鋼片的組裝方式也有一定差異，如需較大的磁通，則硅鋼片組裝方式選擇交疊法，此種方式需要將加工好的硅鋼片交替分布于兩側(cè)，這樣能夠減小硅鋼片的間隙進(jìn)而起到增大磁通的效果。干式變壓器最常使用的為EI型硅鋼片，此類硅鋼片組成的鐵芯包括76片型、86片型、96片型、105片型等，其基本長寬參數(shù)如下：76片型參數(shù)為63.3×76，86片型參數(shù)為71.6×86.0，96片型參數(shù)為80.0×96.0，105片型參數(shù)為87.5×105.0。 EI硅鋼片長寬參數(shù)與鐵芯整體片數(shù)成正比。

2.2 繞組

干式變壓器繞組包括高壓線圈和低壓線圈，不同線圈套于鐵芯之上共同組成相應(yīng)的電磁感應(yīng)裝置。干式變壓器中的高壓線圈和低壓線圈可作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。設(shè)備中10~36kV的高壓繞組其結(jié)構(gòu)包括多層圓筒結(jié)構(gòu)以及分層結(jié)構(gòu)，而低壓線圈則包括分層結(jié)構(gòu)和箔式結(jié)構(gòu)。從繞組類型上來看，由于當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的干式變壓器為絕緣樹脂干式變壓器，因此其繞組間絕緣材質(zhì)也為環(huán)氧樹脂。從類型上來看當(dāng)前絕大多數(shù)環(huán)氧樹脂干式變壓器繞組間絕緣形式為玻璃纖維環(huán)氧樹脂澆注。這種繞組形式的干式變壓器絕緣等級(jí)為F和H級(jí)。從線圈絕緣隔離情況來看，此類線圈內(nèi)外部均有相應(yīng)的樹脂及玻璃纖維網(wǎng)格，絕緣性能好而且能夠在很大程度上避免模具澆筑時(shí)的樹脂開裂[4]。繞組有不同的線圈交互形式，主要包括同心式繞組、并聯(lián)式繞組、雙柱式繞組等，具體繞組形式需結(jié)合實(shí)際容量以及設(shè)備參數(shù)需求決定。

3 干式變壓器絕緣分析

關(guān)于干式變壓器絕緣的分析主要應(yīng)從材料的絕緣等級(jí)、擊穿場強(qiáng)、介質(zhì)損耗及力學(xué)性能這幾點(diǎn)入手。目前，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的干式變壓器絕緣等級(jí)一般為F級(jí)或H級(jí)，因此材料最高允許溫度為155℃或180℃，繞組溫升限值為105K或125K，性能參考溫度為120℃或145℃。擊穿場強(qiáng)可以從近年來10kV線路干式配電變壓器燒毀事故上進(jìn)行分析，根據(jù)此類事故研究報(bào)告顯示，半數(shù)以上該類型事故起因?yàn)榻^緣老化，由于絕緣材料老化，因此在工作電場中絕緣材料通過的電流顯著增加，導(dǎo)致其絕緣性能大幅下降進(jìn)而導(dǎo)致電擊穿并引發(fā)火災(zāi)，原材料老化會(huì)增加電擊穿概率，而絕緣層厚度以及運(yùn)行環(huán)境中的電壓頻率等參數(shù)也直接影響著擊穿場強(qiáng)的具體參數(shù)[5]。變壓器在運(yùn)行過程中受環(huán)境參數(shù)、電力參數(shù)等因素影響會(huì)出現(xiàn)絕緣材料損耗的情況，當(dāng)介質(zhì)損耗至一定程度，導(dǎo)致其絕緣性能低于現(xiàn)值則容易引發(fā)絕緣材料熱擊穿。力學(xué)參數(shù)主要是不同溫度或濕度下絕緣材料的伸長率、抗拉強(qiáng)度、韌性等，以某型固體絕緣材料為例，其在20%適度下伸長率為22.1%，抗拉強(qiáng)度為282N/cm，而濕度變化為60%時(shí)，其伸長率為26%，抗拉強(qiáng)度減小至251N/cm[6]。而該材料在100℃時(shí)，其伸長率為19.4%，抗拉強(qiáng)度為249MPa，當(dāng)溫度升高至150℃，時(shí)其伸長率增加至21.1%，抗拉強(qiáng)度下降至232MPa。材料在不同環(huán)境下，力學(xué)性能變化幅度越小，其絕緣性能隨環(huán)境變化越小。

4 干式變壓器絕緣材料老化故障因素分析

4.1 受潮老化

受潮老化是一種干式變壓器絕緣材料老化故障的常見類型。由于相當(dāng)一部分干式變壓器，其內(nèi)部設(shè)備與空氣環(huán)境有直接接觸，因此空氣環(huán)境中的水分子對于絕緣材料有直接的劣化影響。一方面來看絕緣材料長時(shí)間處于較多水汽影響之下會(huì)導(dǎo)致其電導(dǎo)增加，這種情況下絕緣材料的損耗速率同步增加。處于潮濕環(huán)境下的絕緣材料，其表面附著的水氣能夠在很大程度上溶解離子態(tài)物質(zhì)或者導(dǎo)致強(qiáng)極性物質(zhì)解離，此時(shí)絕緣材料自身的電氣性能發(fā)生較大變化，在接受外部電壓的情況下容易形成通路，此時(shí)絕緣材料的擊穿電場和擊穿電壓大幅下降，容易出現(xiàn)絕緣材料被熱擊穿的故障。

4.2 電老化

絕緣材料電老化是一種較為常見的干式變壓器老化故障。電老化主要包括兩種類型，一種為局部放電，而另一種是樹脂絕緣干式變壓器所產(chǎn)生的樹脂放電。局部放電在發(fā)生過程中遵循巴申定律，即Ub=f(pd)。由該式可知，繞組卷材料間隙出現(xiàn)的局部放電現(xiàn)象，其擊穿電壓與間隙距離以及氣體壓力有關(guān)，擊穿電壓與pd之間存在相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)巴申定律可以計(jì)算出擊穿電壓最小值。這種局部放電現(xiàn)象會(huì)對有機(jī)高分子材料產(chǎn)生較大的電氣特性影響。變壓器屬高壓設(shè)備，在此基礎(chǔ)上，局部放電容易產(chǎn)生少量O3和某些氮氧化物，此類物質(zhì)不僅會(huì)導(dǎo)致絕緣材料直接裂解，而且其與空氣中水分子結(jié)合所生成的酸性物質(zhì)也會(huì)對絕緣材料造成腐蝕。此外局部放電也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱效應(yīng)，溫度升高也會(huì)對絕緣材料的整體性能產(chǎn)生影響，長時(shí)間處于較高溫度下的絕緣材料將出現(xiàn)開裂以及化學(xué)性質(zhì)變化等使其絕緣性能降低的問題。

4.3 熱老化

關(guān)于干式變壓器絕緣材料熱老化故障，可以結(jié)合十度法則來進(jìn)行分析。十度法則是國際電工協(xié)會(huì)經(jīng)過長時(shí)間數(shù)據(jù)搜集及實(shí)踐實(shí)驗(yàn)所得出的一項(xiàng)關(guān)于干式變壓器壽命與使用溫度之間的關(guān)系[7]。該法則指出，干式變壓器內(nèi)部溫度每升高10℃，變壓器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長減少0.5倍。從這一點(diǎn)上可以了解干式變壓器內(nèi)部溫度對于絕緣材料性能穩(wěn)定時(shí)間有直接影響。以樹脂絕緣材料為例，當(dāng)其所處環(huán)境溫度升高，材料質(zhì)量隨時(shí)間延長逐漸減少，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)樹脂絕緣材料處于170℃溫度環(huán)境下，暴露時(shí)間為24h時(shí)，其質(zhì)量損失約為0.111%左右，這部分損失掉物質(zhì)對于環(huán)氧樹脂絕緣性和力學(xué)特性均有較大影響，不僅導(dǎo)致絕緣材料電阻下降，同時(shí)也容易導(dǎo)致絕緣材料開裂脫落[8]。

5 溫控系統(tǒng)對絕緣材料老化的影響分析

從本文對干式變壓器老化故障因素的分析結(jié)果上來看，設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行溫度對于設(shè)備整體穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響，不論是電老化還是熱老化都在改變絕緣材料所處溫度的基礎(chǔ)上引發(fā)了絕緣材料老化和性能劣化，因此科學(xué)有效的溫控系統(tǒng)，對于絕緣材料有著較好的保護(hù)作用。當(dāng)前比較常見的干式變壓器溫度控制系統(tǒng)包括溫度顯示系統(tǒng)、熱敏電阻自動(dòng)跳閘系統(tǒng)以及有風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫氣冷的風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。以某型干式變壓器溫度控制系統(tǒng)為例，其溫度顯示系統(tǒng)中采用的PT100型熱敏電阻能夠根據(jù)設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行溫度的變化而調(diào)整自身電阻大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部的溫度顯示。而該型溫度控制系統(tǒng)在預(yù)設(shè)參數(shù)方面規(guī)定，當(dāng)監(jiān)測到繞組溫度達(dá)到120℃時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)風(fēng)扇增加內(nèi)部冷卻氣體流量控制設(shè)備運(yùn)行溫度。而根據(jù)出廠參數(shù)設(shè)定該溫度控制系統(tǒng)將在設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行溫度超過175℃時(shí)發(fā)出高溫報(bào)警信號(hào)并執(zhí)行跳閘動(dòng)作。整套系統(tǒng)從控溫角度最大限度避免了高溫因素對絕緣材料老化速率的影響。

6 結(jié)束語

隨著我國干式變壓器技術(shù)的不斷發(fā)展，最大限度保障干式變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行并提升其設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長成為該類設(shè)備的重點(diǎn)研究內(nèi)容，本文重點(diǎn)分析了干式變壓器的類型、優(yōu)勢以及具體結(jié)構(gòu)內(nèi)容，研究了導(dǎo)致干式變壓器老化故障的各項(xiàng)因素，希望能對該方向上的相應(yīng)技術(shù)發(fā)展起到一定推動(dòng)作用。