世紀(jì)的變壓器技術(shù)

1、世紀(jì)的變壓器技術(shù)內(nèi)容提要：一項(xiàng)使用耐高溫材料的變壓器工業(yè)新技術(shù)為用戶帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保及安全方面的各種好處，主要表現(xiàn)在重量輕、體積小、用油量少、可燃性低、安全性高、提高容量同時(shí)降低損耗。這項(xiàng)技術(shù)由美國(guó)和歐洲于 20 世紀(jì) 80 年代聯(lián)合開(kāi)發(fā)出， 并在發(fā)展中國(guó)家得到普遍使用，目前包括韓國(guó)、中國(guó)（包括臺(tái)灣地區(qū)）、阿根廷、巴拉圭、南非和澳大利亞等國(guó)也在廣泛使用該技術(shù)。新的 IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)表，為制造商和用戶提供了這些變壓器的生產(chǎn)和使用指南?？蛻舭娏ο到y(tǒng)以及工業(yè)和鐵路方面的用戶。使用這些新型變壓器將會(huì)使電力工業(yè)在下一世紀(jì)發(fā)生改變。 這種耐高溫材料主要由 NOMEX? 芳香聚

2、酰胺絕緣紙和紙板組成，它們與普通油一起用于輸電和配電變壓器，可以很經(jīng)濟(jì)地提高運(yùn)行容量和可靠性。它們還可與難燃或耐高溫油一起使用，可大幅度減少變壓器體積和重量，同時(shí)更加安全并且有利于環(huán)保。背景在 20 世紀(jì) 60 年代末到 70 年代初，美國(guó)西屋電氣公司和通用電氣公司， 共同開(kāi)發(fā)出使用 NOMEX?芳香聚酰胺絕緣紙， 改進(jìn)油浸變線圈結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。這些變壓器的維護(hù)記錄表明，由于替換了變壓器線圈熱點(diǎn)部分的纖維素紙，這部分的氣體釋放量降低了。即使這部分線圈的平均溫升沒(méi)有超過(guò) 65 K，它在會(huì)加速纖維素絕緣的熱分解的峰值負(fù)載時(shí)，其出水、一氧化碳和二氧化碳的釋放量也都得到了改善。在 20 世紀(jì) 80 年

3、代，開(kāi)發(fā)的厚芳香聚酰胺紙板結(jié)構(gòu)，可以取代線圈熱點(diǎn)部分的所有纖維素材料， 使制造商和用戶得以利用 NOMEX?耐熱性能的優(yōu)勢(shì)， 將變壓器的耐熱能力從線圈平均溫度上限的 95 K 提高到 115 K 。芳香聚酰胺聚合物幾乎不產(chǎn)生氣體，因此即使在較高的峰值負(fù)載下，這部分的氣體分解濃度也很低。圖 1 中數(shù)據(jù)顯示的是上述參數(shù)與 IEEE 和 CIGRE標(biāo)準(zhǔn)向用戶發(fā)出的上限之間的比較。 在已有的相同體積時(shí)設(shè)計(jì)容上升了 25%50%。圖 1 用 NOMEX?絕緣的變壓器的分解氣體分析比較另外，將芳香聚酰胺材料與Midel? 、 R-Temp?和硅樹(shù)脂等更耐高溫的油一起使用，通過(guò)全部使用優(yōu)質(zhì)耐高溫的固體和液體

4、，可使變壓器的體積和重量減少 30%。另一個(gè)好處是，這些設(shè)備一般都比采用常規(guī)礦物油制造的設(shè)備更加安全和更有利于環(huán)保。這一點(diǎn)對(duì)于牽引變、設(shè)置在繁華市區(qū)的柱上和路旁配電設(shè)備的和人口稠密地區(qū)需要使用的其他設(shè)備特別有益。技術(shù)改進(jìn)減少了維護(hù)工作量通用電氣公司進(jìn)行的有關(guān)熱老化方面的研究 , 已在送交美國(guó)東北部 ESEERCO電力公司集團(tuán)的技術(shù)報(bào)告中予以概括說(shuō)明。此外，由杜邦公司在杜邦工程集團(tuán)的合作下進(jìn)行的研究最近證實(shí)， 在電力變壓器的線圈熱點(diǎn)區(qū)域采用 NOMEX?紙和紙板，同時(shí)在其他的絕緣區(qū)域采用纖維素絕緣材料，這種 混合 絕緣系統(tǒng)可減少氣體產(chǎn)生，并大幅度延長(zhǎng)預(yù)期使用壽命。這些系統(tǒng)還可以消除由于線圈熱點(diǎn)的

5、纖維素分解而釋放的呋喃化合物。圖 2 顯示的是用杜邦公司專門(mén)開(kāi)發(fā)的，對(duì)特殊設(shè)計(jì)的絕緣材料組進(jìn)行老化試驗(yàn)取得的結(jié)果。該項(xiàng)試驗(yàn)由 Doble 公司完成。這個(gè)試驗(yàn)組的設(shè)計(jì)是模擬一臺(tái) 25 MVA變壓器的材料比率， 包括線圈熱點(diǎn)部分和其他部分的絕緣材料、 銅材和鐵心片。 混合系統(tǒng)包用于線圈導(dǎo)線和墊塊的 NOMEX?以及其它部位的纖維素板。混合材料單元和全 NOMEX?單元都在導(dǎo)體溫度 240和最高油溫130時(shí)才老化。而常規(guī)的纖維素單元在導(dǎo)體溫度 160和最高油溫 110時(shí)就老化。圖 2 呋喃產(chǎn)生（ 2 糠醛 ppb）系統(tǒng)常規(guī)混合全 NOMEX?老化溫度（）160240240性能參考溫度（）809510

6、0老化小時(shí)50012706150013900550001719930012這些成果使我們維護(hù)工作必須從重點(diǎn)測(cè)量變壓器油轉(zhuǎn)變?yōu)楦欁儔浩鞯睦匣褪褂脡勖?。我們可以通過(guò)測(cè)量油氣體來(lái)監(jiān)視變壓器放電和運(yùn)行故障等事故，但它無(wú)法表示事故中線圈絕緣的長(zhǎng)期老化的情況。隨著 NOMEX?的采用，線圈絕緣壽命大幅度延長(zhǎng)， 耐熱限制已轉(zhuǎn)到了油方面。 因此，只監(jiān)視油特性就成了最可靠的跟蹤點(diǎn)。在杜邦研究室進(jìn)行的老化數(shù)據(jù)研究顯示，監(jiān)測(cè)如中和數(shù)值和功率因數(shù)等特性就可以完成類似跟蹤。這不僅使測(cè)試更為可靠，而且使跟蹤變得更加簡(jiǎn)單和方便，不再需要固體絕緣物的取樣。此外，還可以延長(zhǎng)監(jiān)視檢測(cè)的時(shí)間間隔。由于這些類型的變壓器占變壓器總

7、數(shù)較少，用戶尚未采用這些方法。但隨著這項(xiàng)技術(shù)的更加普及，日常維護(hù)和監(jiān)視工作量將大大減少，可以節(jié)省用戶的開(kāi)支和資源。圖 3 顯示從杜邦試驗(yàn)組獲取的礦物油， 其功率因數(shù)老化結(jié)果。 試驗(yàn)表明， 這個(gè)混合系統(tǒng)在 130油溫時(shí)比纖維素控制系統(tǒng)在 115時(shí)老化速度慢。圖 4 顯示了油的中和數(shù)值的數(shù)據(jù)也類似。盡管使用 NOMEX?系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有所改進(jìn)，但它們?nèi)蕴峁┝死鋮s油質(zhì)量的跟蹤指標(biāo)， 并對(duì)變壓器用戶提出某些早期警告。 來(lái)自纖維素產(chǎn)品的酸演變是中和數(shù)值增加的主要原因。 該混合系統(tǒng)包括大片纖維素在用于加速老化時(shí)間的高溫（ 130）油中的，其試驗(yàn)結(jié)果低于預(yù)期的實(shí)際變壓器的頂層油溫限制從 65 K 升至 70 K

8、 的值。世紀(jì)的變壓器技術(shù)圖 3 5000 小時(shí)老化后，老化單元中礦物油的功率因數(shù)圖 4 5000 小時(shí)老化后，老化單元中礦物油的中和數(shù)值增加使用在線連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置將大量減少檢測(cè)工作量，隨著需要監(jiān)視的重要特性數(shù)量的減少以及取消固體材料的現(xiàn)場(chǎng)取樣，在線技術(shù)會(huì)變得更加可靠。此外，油污染物含量的減少，也將大幅度降低用于清潔和更換油的維護(hù)成本。一個(gè)根本性的改進(jìn)是， NOMEX?芳香聚酰胺墊塊抗壓縮性能有了極大提高。 研究表明，這些材料的厚度在高達(dá) 150溫度下不會(huì)減少。相比之下，高密度纖維素墊塊在135下會(huì)發(fā)生老化， 每年厚度減少 4%。在 150下，纖維素材料厚度減少得會(huì)更多，這種情況會(huì)在普通變壓器峰值過(guò)負(fù)荷 25%時(shí)出現(xiàn)。這種厚度減少可能造成短路阻抗降低和線圈強(qiáng)度降低。 糾正這一情況的常規(guī)作法是必須加固線圈。 有了采用 NOMEX? 材料的新型混合絕緣系統(tǒng)，就無(wú)