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配电变压器的材料及其构造

发表时间:2019/3/21 13:05:32  浏览次数:352  
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一、硅钢片

在变压器中,对硅钢性能的要求主要是:

①铁损低,这是硅钢片质量的最重要指标。各国都根据铁损值划分牌号,铁损愈低,牌号愈高。

②较强磁场下磁感应强度(磁感)高,这使电机和变压器的铁心体积与重量减小,节约硅钢片、铜线和绝缘材料等。

③表面光滑、平整和厚度均匀,可以提高铁心的填充系数。

④冲片性好,易于加工。

⑤表面绝缘膜的附着性和焊接性良好,能防蚀和改善冲片性。

⑥基本无磁时效。

硅钢片的分类及牌号定义


二、非晶合金铁心

非晶合金材料是20世纪70年代问世的一种新型合金材料,它采用国际先进的超急冷技术将液态金属以106℃/S冷却速度直接冷却形成厚度0.02~0.03mm的固体薄带,在它还没来得及结晶时就已经固化。该合金材料与玻璃类似呈不规则原子排列,没有金属表征的晶体结构,它的基础元素为铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、硅(Si)、硼(B)、碳(C)等。其材料具有以下优点:

a)非晶合金材料不存在晶体结构,是一种各向同性的软磁材料;磁化功率小,具有良好的温度稳定性。由于非晶合金为无取向材料,故可以采用直接缝,使制造铁心的工艺比较简单;树上鸟教育电气设计视频教程

b)不存在阻碍磁畴移动的结构缺陷,磁滞损耗要比硅钢片小;

c)带材的厚度极薄,只有0.02~0.03㎜,是硅钢片的1/10左右。

d)电阻率高,约为取向硅钢片的3倍;非晶合金材料的涡流损耗大大降低,因此单位损耗约为取向硅钢片的20%~30%;

e)退火温度低,约为取向硅钢片的1/2;非晶合金铁心空载性能优越,采用非晶合金铁心制造的变压器其空载损耗较常规变压器下降70~80%,空载电流下降50%以上,节能效果突出,目前电网公司在国家节能减排降低网络线损的目的下,国家电网和南方电网从2012年开始均大力提高了非晶合金变压器的采购比例,目前基本上非晶合金配变采购占比已达50%以上。

非晶合金变压器也存在以下几个缺点:

1)饱和磁密低,非晶合金铁心的饱和磁密

图1非晶合金变压器

通常在1.56T左右,较常规硅钢片1.9T的饱和磁密相差20%左右,故其变压器设计磁密也同样需要下降20%,非晶合金油变的设计磁密通常在1.35T以下,非晶合金干变的设计磁密通常在1.2T以下。

2)非晶合计铁心带材受应力影响敏感,其铁心带材受到应力后,空载性能容易劣化,故在结构上要特别注意,铁心应采用悬挂方式落在支撑框架和线圈上,整体仅承受自身重力,同时,装配过程中需特别注意,铁心不能受力,要减少敲打等方式。

3)磁致伸缩较常规硅钢片大10%左右,故其噪声较难控制,这也是限制非晶合金变压器广泛推广的主要原因之一,目前,南网和国网招标中均对非晶合金变压器的噪声提出了较高要求,分为敏感区和非敏感区,并有针对性的提出了声级要求,这就要求更进一步降低铁心设计磁密。

4)非晶合金带材较薄,厚度只有0.03mm,故无法向常规硅钢片那样做成叠片形式,只能制作成卷铁心形式,故其铁心结构常规变压器厂家无法自行加工,通常需整体外购,对应于卷铁心带材的矩形截面,非晶合金变压器的线圈通常也做成矩形结构;

5)国产化程度不够,目前主要还是进口日立金属的非晶合金带材为主,正在逐步实现国产化,国内已有安泰科技和青岛云路等具备非晶合金宽带(213mm、170mm和142mm),且其性能较进口带材在稳定性上还存在一定差距。

6)最大带长限制,前期非晶合金带材最大外周带长由于退火炉尺寸的限制,其长度也受到了较大限制,不过目前已基本解决,可制作最大外周带长10m的非晶合金铁心框,可用于制造3150kVA及以下非晶合金干变和10000kVA及以下非晶合金油变。

基于非晶合金变压器的优秀节能效果,再加上国家节能减排以及一系列政策的促进,非晶合金变压器市场占有率越来越大,并且,考虑到非晶合金带材(目前为26.5元/kg)价格是常规硅钢片(30Q120或30Q130)的两倍左右,与铜差距相对较小,再考虑到电网产品的质量和招标要求,故,非晶合金变压器通常采用铜导体。与常规硅钢片相比,非晶合金变压器成本主要差距如下:

1)由于采用卷铁心结构,故变压器铁心型式宜采用三相五柱结构,这样可以减少单框铁心重量,减低装配难度,三相五柱结构和三相三柱结构从成本上各有优劣,目前大部分厂家采用三相五柱结构。采购回来的单框铁心和组装如图2所示:

图2采购的非晶合金带材单框原材料

图3三相五柱非晶合金铁心组装示意图

2)由于心柱截面为矩形,故为了保持绝缘距离上的一致,高低压线圈也对应的制造成矩形结构。

3)由于铁心设计磁密较常规硅钢片变压器低约25%,且其铁心叠片系数大约在0.87左右,较常规硅钢片的0.97要低许多,故其设计截面积需要较常规硅钢片变压器要大25%以上,对应的其高低压线圈周长也要随之增加,同时,还需要考虑高低压线圈线匝长度的增加,若要保证线圈的负载损耗不发生变化,其导线截面积则需要对应的有所增加,故,非晶合金变压器的铜用量较常规变压器要多约20%。

3.1铜材和铝材的特性对比

铜和铝均是导电性能较好的金属材料,是制作变压器线圈的常用导体,其在物理性能上的差异如下表所示:

表1铜铝物理性能对比

3.2铜铝导线在变压器绕组中的性能对比

铜铝变压器的差异也是由材料的差异决定的,具体表现在以下几个方面:

1)铜导体的电阻率仅仅是铝导体的60%左右,为了达到相同的损耗和温升要求,所需使用的铝导体截面积要较铜导体大60%以上,所以相同容量和相同参数情况下,铝导体变压器体积通常要较铜导体变压器大,不过此时变压器的散热面积也有所增加,所以其对油温升较低;

2)铝的密度仅为铜的30%左右,所以铝导体配电变压器要较铜导体配电变压器要轻;

3)铝导体的熔点较铜导体低许多,所以其在短路电流的温升限值为250℃,较铜导体的350℃低,所以其设计电密要较铜导体低,变压器导线截面积要大,故体积也较铜导体变压器大;

4)铝导体硬度较低,故其表面毛刺较易消除,故制成变压器后,其由于毛刺产生的匝间或层间短路的概率减少;

5)由于铝导体的抗拉、抗压强度较低,机械强度差,故铝导体变压器承受短路能力不如铜导体变压器,在进行动稳定计算时,铝导体的应力应小于450kg/cm2,而铜导体的应力限值为1600kg/cm2,承受能力大幅提高;

6)铝导体与铜导体之间的焊接工艺较差,接头焊接质量不易保证,一定程度上影响了铝导体的可靠性。

7)铝导体的比热为铜导体的239%,但是考虑到二者密度和设计电密的差异,实际二者的热时间常数相差并不如比热差值体现的那么大,故对其制成干式变压器的短时过载能力影响并不大。

四、绝缘材料

绝缘材料在变压器中用以将导电部分彼此之间的导电部分对地(零电位)之间的绝缘隔离,用于各种支承件时,还应具有良好的力学性能。另外,绝缘材料还起到其它的作用,如散热冷却、固定、储能、灭弧、改善电位梯度、防潮、防霉和保护导体等作用。

通常情况下,绝缘材料分为三类:

1)气体绝缘材料:常温常压下,一般的干燥气体具有较好的绝缘性能,如空气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫等,其中,空气和六氟化硫在变压器中应用比较广泛;

2)液体绝缘材料:液体绝缘材料通常以油状存在,又称绝缘油。如矿物质油、植物油、合成酯等;

3)固态绝缘材料:如绝缘漆、绝缘胶、绝缘纸、绝缘纸板、瓦楞纸板、电工塑料及薄膜、电工层压板(棒、管)、浇注成型的环氧树脂、电瓷、橡胶、云母制品等。

4.1绝缘油

绝缘油其特点是电气强度高、闪电高、凝固点低,在氧、高温、强电场作用下性能温度,无毒、无腐蚀性,粘度小,流动性好等特点。其在变压器、油开关、电容器和电缆等电工产品中广泛使用,起绝缘、冷却、浸渍及填充作用,另外,在油开关中还起灭弧作用,在电容器中还起储能作用。

绝缘油在变压器中同时起绝缘和冷却的双重作用;

绝缘油目前通常分为以下几类:

1)矿物质油:如变压器油、开关油、电容器油、电缆油;

2)合成油:如十二烷基苯、硅油、合成酯等;

3)植物质油;

4.2环氧树脂

环氧树脂是一种高分子化合物。树脂特点是一种固体、半固体或准固体有机材料,分子质量不确定(通常是较高),承受应力时有流动倾向,通常有一个软化或熔化范围,且固体断面常呈现贝壳状,其具有以下基本特征:

1)分子链很长,每条链包含成百甚至上万个原子,彼此以共价键连;

2)长分子链由最小重复单元即链节组成,一个分子中的链节数称为聚合度;

3)大分子的分子间总力往往超过分子内原子间的化学键力,从而使高分子化合物出现一系列特性:例如没有气态聚合物、聚合物溶解过程很慢等,若分子间有交联,则该特点更为特出。

环氧树脂是指含有环氧官能团的低聚物,1891年开始出现环氧树脂,1947后美国、瑞士多个公司相继工业化合成成功双酚A环氧树脂。我国于1956年开始生产。

环氧材料的电气绝缘性能尤其突出,不加填料时,固化物的EB高于16MV/m,pV高于1011Ω˙m,εr为3~4,工频下tanδ约0.002,因此,20%环氧树脂都用于电气电子绝缘,例如环氧浸渍漆作为B级绝缘漆,浸渍中小型电机定子绕组;环氧无溶剂漆用于大电机定子绕组的真空浸渍;层压制品(板、管、棒)用作电机的槽楔和垫块、高压开关操作杆;粘结剂用于高压电瓷套管的粘结;浇注料用于六氟化硫全封闭组合电器(GIS)中的盘形隔离绝缘子、互感器和高压陶瓷电容器等的部件。目前国内生产的环氧树脂或改性环氧树脂的牌号命名暂时仍不很统一。全球不同环氧树脂制造商的命名也各不相同,需要根据商标识别。

环氧树脂只是低聚物,固化后才能使用。固化剂能与环氧树脂反应,使树脂分子从线型结构交联成体型结构。促进剂/催化剂能降低反应活化能的助剂,能促进/调整浇注料凝胶反应历程。固化剂利用其所含的活泼氢与树脂中活泼的环氧基进行开环加成反应实现固化,活泼氢就是固化剂或促进剂中-NH2、-NH-、-C00H、-OH和-SH中的氢。常用的固化剂有胺类和酸酐两类。固化剂中有的需要促进剂/催化剂,有的需要高温条件,有的在低温下即可剧烈反应。固化剂的不同也会导致固化产物性能差异悬殊,对产品最终性能有重大影响。因此,在环氧树脂配方体系中设计和选择固化剂是十分重要的。

环氧绝缘用于干式变压器,是近40年的新发展。变压器线圈设计寿命要求达到30年,耐热等级达到F级,一般材料难以达到要求。

为此,要对对所用材料及其配方体系和工艺必须进行设计、优选、试验和验证,才能获得理想效果的话。在树脂绝缘干式变压器中,环氧树脂体系通过浇注或浸渍成型,再经过热固化形成线圈绝缘(即纵绝缘),在干式变压器整个运行期间,环氧树脂绝缘要同时保证线圈的电气绝缘和机械强度,并通过热传导方式散发线圈内部的热量。

其最大弱点是树脂绝缘缺陷和损伤(一般在制造过程中产生缺陷,在运行过程中产生损伤)的不可恢复和不可修复性。因此,避免固体绝缘开裂、避免浇注缺陷、避免局部放电(即局放)就显得格外重要,并成为固体绝缘制造技术的关键,是制造商间相互竞争的焦点。

由于变压器运行中损耗带来的较高温升,使树脂绝缘长期在高温工作(比如F级变压器,设计的最高工作温度一般在140℃左右),而变压器在投运前和检修期间又可能处在低温(比如-30℃),而且,变压器随时会受到雷电高压冲击或短路时的巨大电动力冲击。树脂绝缘的线圈应能适应这些变化,并能抵御或承受极端高低温下的短路电动力冲击,因此对环氧绝缘体系的热、机、电性能提出了极其苛刻的要求。

树脂浇注变压器的绝缘材料体系目前有两种,一种是“纯树脂浇注+高填充率玻璃纤维增强”,另一种是“树脂石英粉浇注+预浸玻璃网格局部加强”。

而绝缘体系(即习称绝缘结构)所包含的领域比绝缘材料体系更广,它指电气设备(或其独立部件)的绝缘整体,不仅包括绝缘材料及其组合方式,还应考虑绝缘与导体或磁体间的关系、与电场的关系、绝缘与周围环境(气体或液体及其状况、表面污秽、散热条件、机械力或辐射作用等)的关系等,它与电力系统运行参数间的适应性就是绝缘配合。干式变压器中气流和散热情况、绝缘受力情况等,都在绝缘体系要考虑的范围之中。

4.3绝缘纸

植物纤维纸分为木质纤维、棉纤维和麻纤维,其中最常用的为纯硫酸盐木浆纤维纸,其原料为木材,常用的是软木中的松杉科木材,如黄松、白松、红毛杉和红松等木材,主要成分为纤维素,是一种天然的高分子化合物。绝缘纸制造方法采用化学法,如硫酸盐法,该方法中蒸煮液主要成分为硫化钠(Na2S),硫化钠水解,生成硫化氢钠和氢氧化钠,硫化氢钠能和纤维素以外的木质素发生反应,将其溶于碱液中,该蒸煮液比较温和,故纤维素的分子量下降很少。变压器中常用的植物纤维素绝缘纸有:电力电缆纸,高压电缆纸和变压器匝间绝缘纸等。

1)电缆纸:电缆纸是由硫酸盐纸浆制造,牌号为DL08、DL12、DL17,厚度分别为0.08mm、0.12mm和0.17mm,成卷供应,电缆纸经变压器油浸渍后,其机械强度和电气强度均会有明显提高,如在空气中电力电缆纸电气强度为6~9×103kV/m,而干燥浸渍变压器油后其电气强度达到70~90×103kV/m,电缆纸在变压器的运行中有足够的热稳定性,通常用作缠绕绝缘和层间绝缘。电缆纸又包括高压电缆纸、低压电缆纸、高密度电缆纸及绝缘皱纹纸。高压电缆纸适用于110~330kV变压器、互感器,介质损耗角正切值低;低压电缆纸用于35kV及以下的电力电缆和变压器或其它电气产品的绝缘;绝缘皱纹纸是由电工绝缘纸经起皱加工而制成,沿其横向有皱纹,拉伸时被拉开,常用于油浸式变压器的绕包绝缘,如线圈出头、引线及静电屏蔽装置的绝缘包扎;高密度电缆纸,也是绝缘皱纹纸的一种,比一般的皱纹纸的电气强度要高100%~150%,机械强度高50%,电气强度高,耐油性能好,弹性好,便于拉伸,可替代漆布带用作引线以及导线连接和弯曲部位的绝缘。

2)电话纸:电话纸也是用硫酸盐纸浆制造,常用与电话电缆,它的机械强度较差,一般作为导线的匝绝缘、层绝缘或导体的覆盖绝缘。

3)电容器纸:电容器纸按使用要求分为A类和B类,A类电容器纸用于电子工业金属化纸介电电容器上。B类主要用作电力电容器的极间介质。电容器纸的特点是紧度大,厚度薄。一般电流互感器常采用电容器纸,变压器用得较少。

4)卷缠绝缘纸:卷缠绝缘纸用作上胶纸的底纸,上胶纸用来卷绕绝缘筒(管)和电容式套管,其特点是吸水高度高于电缆纸低于浸渍纸。上胶纸分为单面或双面涂胶(酚醛或环氧树脂),经低温固化而成,用上胶纸卷制纸筒或压制层压制品时再经加温加压时胶最后固化,卷筒一般用单面胶纸,压制胶纸板用双面胶纸。此外,还有菱格点胶纸(网格式点涂胶纸),用于油浸式箔绕线圈的层间绝缘,固化后即保证绝缘之间及绝缘与箔之间的粘合,增强了强度又有较好的透油性。

常规的变压器绝缘纸中应用较多的是电缆纸、皱纹纸和菱格点胶纸,用在变压器中作为匝间绝缘、层间绝缘、引线绑扎等,通常,各类绝缘纸价格相差并不会太大,大约均在20元/kg左右。

4.4电工复合材料

电工薄膜和电工复合材料具有优良的介电性能,都属于薄片绝缘材料。电工薄膜有聚酯薄膜和聚酰亚胺薄膜,在变压器中也可用作导线绝缘、层间绝缘等。电工复合材料是由薄膜的一面或双面粘合纤维材料而制成的复合制品,在变压器中可用作层间绝缘,尤其是在干变的箔绕线圈中,低压线圈通常采用复合材料预浸树脂后作为层间绝缘。常用的复合材料有DMD、GHG等。

DMD全名为聚酯薄膜聚酯纤维非织布柔软复合材料,分为预浸树脂DMD和非预浸DMD,它是在一层聚酯薄膜(M)两侧粘贴聚酯纤维非织布(D)制成的三层柔软复合材料。DMD具有优异的电绝缘性、耐热性和机械强度以及优异的浸渍性。非预浸DMD可用作油浸式变压器的层间绝缘,预浸DMD可用作F级干式变压器的低压箔绕线圈层间绝缘。其具体性能指标如下表所示:

表2DMD性能参数

GHG全名为聚酰亚胺薄膜预浸H级树脂玻璃纤维柔软复合材料,它是在一层聚酰亚胺薄膜(H)两侧粘贴玻璃纤维布(G)制成的三层柔软复合材料。相较于DMD其具有较好的耐热性,可用于H级绝缘干式变压器的低压箔绕线圈层间绝缘。

NHN全名为聚酰亚胺薄膜聚芳酰胺纤维纸柔软复合材料,是聚酰亚胺薄膜两面用H级粘合剂粘合聚芳酰胺纤维纸(Nomex)而成。NHN是目前最高档的薄层绝缘材料,具有优异的耐热性、较好的介电性能、较小的吸水性及优良的防潮性能。它属于H级绝缘材料,可用于H级干式变压器的层间绝缘。其具体性能参数如下表所示:

表3NHN性能参数

4.5绝缘纸板

绝缘纸板是用纯硫酸盐木浆抄纸制成,可用于饼式绕组的油隙垫块、油隙撑条、隔板、纸板筒、瓦楞纸、铁轭绝缘、夹件绝缘和端绝缘绕组压板等,其常用厚度为1.0mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、6mm,绝缘纸板按密度分为低密度纸板、中密度纸板和高密度纸板,低密度纸通常称为T3软纸板,密度在0.75g/cm3~0.9g/cm3之间,强度较低,常用于折弯件或经润湿以后制作拉伸件,如成型角环、环状件和软纸筒等。低密度纸板吸油率高,成型性好,但力学性能较差;中密度板通常称为T1纸板,密度为0.95g/cm3~1.15g/cm3之间,用作撑条垫块等;高密度纸板通常称为T4硬纸板,密度为1.15g/cm3~1.3g/cm3,用作绝缘纸板筒、绝缘压板和端圈等。在高压线圈多层纸筒组成的油-板间隔结构中,也可用瓦楞纸板代替纸板撑条形成油隙,这样可以在保证绝缘性能的基础上节省材料。

4.6聚丙烯薄膜

聚丙烯薄膜是由聚丙烯树脂(PP)挤出厚片,经定向拉伸而成,其特点是:1)密度小,可拉伸成0.06mm甚至更薄,其密度为0.89g/cm3~0.92g/cm3。2)具有较好的电气性能和化学稳定性,相对介电系数为2~2.2,击穿打压大于150MV/m;3)具有很好的机械性能,其抗张强度大于100MPa;4)可在125℃长期使用,属于E级绝缘;5)具有疏水性,防吸水的能力很强,可用于油浸式变压器的导线绝缘。

4.7其它绝缘材料

变压器油、绝缘纸是油浸式变压器线圈的的主要绝缘材料,树脂、绝缘纸、复合材料是干式变压器线圈的主要绝缘材料,除了这些材料外,在变压器中还常用到以下一些绝缘材料:(层压木、层压板、绝缘漆、绝缘胶、棉布带、紧缩带、无纬带等

1)层压板:电工层压制品是由纸、布及木质单板作底材,浸(或涂)以不同的胶粘剂,经热压(或卷制)而制成的层状结构的绝缘材料。根据使用要求,层压制品可制成具有优良电气、机械性能和耐热、耐油、耐霉、耐电弧及耐电晕等特性的制品。层压制品主要包括层压板、层压木、层压管、棒、电容套管芯和其它特种型材等。层压制品的性能取决于底材和胶粘剂的性质及其成型工艺。层压板按照原材料和粘合剂的不同,分为绝缘层压板(纸板,用于油变)、酚醛层压纸板(通称电木板,纸板浸渍酚醛树脂,用于油变)、酚醛层压布板(棉布浸以酚醛树脂,常用于油变)、环氧玻璃布板(玻璃纤维布以环氧树脂为粘合剂,可用于F级干变或油变)、改性二苯醚玻璃布板(玻璃纤维布以改性二苯醚树脂为粘合剂,可用于H级干变)、双马来酰亚胺玻璃布板(玻璃纤维布以双马来酰亚胺树脂为粘合剂,可用于H级干变)。层压板通常具有较好的机械强度和绝缘性能,在变压器中常用作铁心夹件绝缘、外部支承件等。

2)绝缘筒(管):变压器中的绝缘筒主要用于内外线圈间、线圈与铁心之间,用于线圈内衬骨架,导线直接绕制在绝缘筒上,同时,绝缘筒还可用于主绝缘,增加主绝缘油隙数量,增强绝缘。绝缘筒根据材料的不同,通产共分为酚醛纸筒(常用于油变)、环氧玻璃布筒(常用于油变或F级干变)、改性二苯醚玻璃布筒(常用于H级干变)、玻璃钢筒(常用于H级干变)、双马来酰亚胺玻璃布筒(常用于H级干变)等。

3)层压木:电工层压木选用优质的硬木,如白桦木、山毛榉等,经70℃~80℃两次蒸煮,去掉木材本身的木质酸和油脂后,切为1~3mm的单板,干燥后再涂以树脂胶黏剂,经预固化处理后,经反复组坯叠装而成,具有良好的绝缘强度和机械强度,在油变中可用作垫块、角环等的。

4)绑扎带:变压器用绑扎带有棉布带、紧缩带、网状半干无纬带、玻璃布带、聚酯带等,用于铁心、线圈的绑扎、收紧等。

五、材料结构和附件

在变压器中,还有结构材料和附件,结构材料主要起到变压器支承、磁路、电路加固、变压器绝缘液封装等功能,包括夹件、油箱、散热器、储油柜等,其主要材料为Q235钢材,对于油箱箱盖的出线套管位置常采用无磁钢以减少涡流,此外变压器器身内部有时也会在采用无磁钢或高牌号钢材。

变压器附件主要其性能监测和保护功能,干变中包括温控器、风机、互感器等,油变中包括气体继电器、温控器、压力释放阀、分接开关等,部分附件需求是由客户提出。





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