干式電力變壓器凝膠固化爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張軍海 莫向松 郭敬旺 葉彪

摘要：局部放電量是衡量干式電力變壓器質(zhì)量主要指標(biāo)之一，局部放電量超標(biāo)時(shí)，會(huì)影響變壓器的運(yùn)行壽命而危及用電安全。目前常用的凝膠固化爐在凝膠階段時(shí)，沿線圈高度方向上的溫度基本是一致的，凝膠時(shí)整個(gè)線圈同時(shí)釋放出大量的應(yīng)力，引起線圈開裂和內(nèi)部產(chǎn)生氣泡從而造成局部放電量增加。因此根據(jù)環(huán)氧樹脂的特性優(yōu)化線圈的凝膠固化工藝，同時(shí)配合工藝對(duì)凝膠固化爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證凝膠固化爐滿足優(yōu)化后的工藝要求，達(dá)到沿線圈高度方向分階段凝膠和分階段釋放應(yīng)力的目的，最大限度地降低樹脂凝膠時(shí)釋放的應(yīng)力，避免線圈在凝膠固化時(shí)開裂和在線圈內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，從而降低變壓器的局部放電量。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的倒梯度凝膠固化爐澆注的線圈，變壓器局部放電量可以控制在5pC 以內(nèi)，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 pC 限值，可以大幅度提高變壓器的運(yùn)行壽命。

關(guān)鍵詞：變壓器;倒梯度;凝膠固化;局部放電;開裂

中圖分類號(hào)：TM412????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?????文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0211-05

Design Optimization of Gel Curing Oven for Dry-type Transformer Manufacturing

Zhang Junhai，Mo Xiangsong，Guo Jingwang，Ye Biao

（ Guangzhou Yibian Electric Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou 511450，China ）

Abstract：Partial discharge is one of the major indexes to evaluate dry-type power transformer's quality. Unqualified partial discharge will affect transformer′sservice life and also poses a threat to electrical safety. The gel curing ovens，which are popularly used nowadays，are normally having almost the same temperature at its height direction at the time of gel curing. During gel curing stage，extensive stress will be released concurrently from the whole coil，which will cause cracks on coils. Then，transformer partial discharge is increased. According to the characteristics of epoxy resin，the gel solidification process of the coils was optimized，and the structure of the gel curing furnace was optimized according to the technology. It ensures that the gel curing furnace meets the requirements of the optimized process and achieves the goal of phasing the gel and releasing the stress in stages in the direction of the height along the circle，so as to minimize the stress released during the resin gel. It avoids the cracking of the coil during gel solidification and produces bubbles inside the coil，thereby reducing the local discharge of the transformer. The test results show that the partial discharge capacity of the transformer can be controlled within 5 pC under the optimized structure of the inverted gradient gel solidification furnace，which is far below the 10 pC limit specified in the national standard，and can greatly improve the operation life of the transformer.

Key words：transformer;inverse gradient;gel curing;partial discharge;crack

0 引言

隨著國家“一帶一路”深入推進(jìn)，越來越多的干式電力變壓器進(jìn)入非洲市場，由于國內(nèi)的干式電力變壓器具有較高的性價(jià)比，目前在非洲市場占據(jù)較大的市場份額，但與歐美發(fā)達(dá)國家的變壓器質(zhì)量相比，仍存在一定的差距，主要體現(xiàn)在變壓器的局部放電量指標(biāo)方面。由于歷史原因，非洲市場使用的變壓器，均按歐盟發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在簽定合同時(shí)，一般會(huì)要求變壓器的局部放電量小于或等于5pC，對(duì)局部放電量的要求非常嚴(yán)格。GB1094.11—2007《電力變壓器第11部分：干式變壓器》規(guī)定干式電力變壓器的局部放電量小于或等于10pC，當(dāng)變壓器按傳統(tǒng)工藝澆注線圈時(shí)，凝膠工藝階段線圈沿高度方向溫度相同，會(huì)同時(shí)釋放出大量的應(yīng)力引起線圈開裂和內(nèi)部產(chǎn)生氣泡從而造成變壓器局部放電量增加2]，采用此工藝澆注的線圈，局部放電量可滿足國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的10pC限值，但局部放電量實(shí)測值在5～10pC范圍，達(dá)不到非洲市場變壓器局部放電量小于或等于5p的要求，因此在變壓器工藝制造時(shí)，要采取一定的措施。線圈的凝膠固化工藝對(duì)局部放電量的控制具有根本性的影響，因此如何根據(jù)環(huán)氧樹脂的特性，對(duì)線圈的凝膠固化工藝和與之配套的凝膠固化爐進(jìn)行優(yōu)化，成為降低局部放電量的關(guān)鍵。本項(xiàng)目是非洲盧旺達(dá)世紀(jì)工業(yè)園區(qū)20kV干式電力變壓器產(chǎn)品，局放要求小于或等于5pC，線圈澆注工藝采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)倒梯度凝膠固化爐進(jìn)行凝膠固化，與采用傳統(tǒng)的凝膠固化爐工藝相比，凝膠時(shí)沿線圈高度方向的溫度從下到上逐漸降低，線圈從下往上分階段凝膠，降低樹脂凝膠時(shí)釋放的應(yīng)力，避免線圈在凝膠固化時(shí)開裂和在線圈內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，從而降低變壓器局部放電量[3]。

1 產(chǎn)品技術(shù)條件

產(chǎn)品主要技術(shù)要求如下。

產(chǎn)品型號(hào)為SCB13-4000/20;額定容量為4000 kVA;額定電壓為20 kV/0. 4 kV;額定電流為115. 5 A/ 5773. 5 A;高壓側(cè)分接范圍：±3×2. 5%;額定頻率為50 Hz;相數(shù)為3;冷卻方式為AF，使用條件為戶內(nèi);海拔高度為2000 m;聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為Dyn11;短路阻抗為8%;空載損耗小于或等于3890 W;空載電流小于或等于0. 55%;負(fù)載損耗小于或等于21000 W;聲級(jí)水平：聲壓級(jí)小于或等于53 dB;局部放電量小于或等于5pC;溫升限值為100 K;絕緣系統(tǒng)溫度等級(jí)為F。

其中，空載損耗、負(fù)載損耗、總損耗、空載電流、空載電壓比、短路阻抗的允許偏差按國標(biāo)GB1094. 1- 2013《電力變壓器第1部分：總則》執(zhí)行[4]。

2 環(huán)氧澆注樹脂特性分析

2. 1環(huán)氧樹脂的凝膠固化條件

樹脂凝膠固化程度決定線圈的性能質(zhì)量，在線圈的凝膠固化過程中，應(yīng)考慮線圈的實(shí)際工況，如樹脂反應(yīng)放熱量、線圈直徑及高度、凝膠固化爐的傳熱方式和導(dǎo)熱效果等，根據(jù)這些實(shí)際情況確定凝膠固化工藝參數(shù)[5]，線圈凝圖1線圈凝膠固化工藝時(shí)序膠固化工藝時(shí)序如圖1所示。

2. 2 溫度對(duì)環(huán)氧澆注樹脂擊穿強(qiáng)度影響

通過對(duì)同一厚度多個(gè)環(huán)氧澆注樹脂樣塊的擊穿電壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂的擊穿電壓隨樣塊溫度的升高而下降[6]。變壓器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，線圈的溫度較高，樹脂的擊穿電壓必須留足夠的設(shè)計(jì)裕度，否則會(huì)增加變壓器的局部放電量。

2. 3 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg 對(duì)凝膠的影響

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg 是線圈凝膠固化工藝重要的一個(gè)參考指標(biāo)，是樹脂由高彈狀態(tài)向玻璃狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度值，Tg 值越大，樹脂的耐熱性能越高，機(jī)械性能越好，但樹脂在凝膠固化時(shí)釋放的應(yīng)力越大，線圈容易開裂，造成局部放電量增加[7]。反應(yīng)速度與凝膠溫度的關(guān)系如圖2所示。由圖示中的曲線看出，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度取80℃較為合理，反應(yīng)放熱和凝膠時(shí)間可達(dá)到比較理想的平衡點(diǎn)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于80℃，反應(yīng)太慢，生產(chǎn)效率低，樹脂容易產(chǎn)生沉淀，溫度太高將導(dǎo)致反應(yīng)放熱太快，應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)大量釋放，線圈容易開裂。

2. 4 凝膠時(shí)間對(duì)澆注工藝的影響

凝膠時(shí)間是指環(huán)氧樹脂由流動(dòng)的液態(tài)變成不流動(dòng)時(shí)的固態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間，凝膠時(shí)間越短，應(yīng)力釋放的速度越快，樹脂越容易開裂，但凝膠時(shí)間過長，樹脂中的硅微粉容易產(chǎn)生沉淀，影響線圈的質(zhì)量，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，凝膠時(shí)間控制在6～10 h 左右最佳[8]，凝膠時(shí)間與線圈的體積成正比。

2. 5 固化時(shí)間對(duì)澆注工藝的影響

是指樹脂由凝膠點(diǎn)到完全固化所經(jīng)歷的時(shí)間。固化時(shí)間一般是按時(shí)間梯度進(jìn)行，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般按100℃（3～5 h ），130℃（8～12 h ）固化結(jié)束后在斷電閉門狀態(tài)下自然降溫至60℃以下拆模，時(shí)間上選擇的原則是體積較大的線圈固化時(shí)間較長[9]。

3 技術(shù)方案

3. 1傳統(tǒng)技術(shù)方案

（1）傳統(tǒng)凝膠工藝

線圈在凝膠階段時(shí)，沿線圈高度方向上的溫度基本是一致的，凝膠溫度均為80℃，時(shí)間6～10 h，這種工藝方式，線圈凝膠時(shí)會(huì)同時(shí)釋放出大量的應(yīng)力容易引起線圈開裂造成局部放電量增加[10]。

（2）傳統(tǒng)凝膠固化爐性能

加熱時(shí)爐內(nèi)部沿高度方向溫度基本一致，當(dāng)爐溫達(dá)到80℃時(shí)，線圈樹脂同時(shí)凝膠固化，產(chǎn)生大量應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致絕緣層產(chǎn)生裂痕及表面有收縮的條紋，有些裂紋可能很小，用肉眼很難發(fā)現(xiàn)，但試驗(yàn)測試時(shí)局部放電量會(huì)變大，影響到產(chǎn)品的運(yùn)行壽命[11]。爐內(nèi)溫度控制精度較差，一般溫度誤差在±3℃以內(nèi)，溫度控制誤差越大，局部放電量越大。

3. 2 優(yōu)化后技術(shù)方案

3. 2. 1 優(yōu)化工藝過程

優(yōu)化后的凝膠固化爐內(nèi)的溫度，可以沿爐內(nèi)高度方向分階梯進(jìn)行倒梯度控制，實(shí)現(xiàn)凝膠階段優(yōu)化工藝過程如下。線圈底部溫度80℃、線圈中部溫度76℃、線圈頂部溫度72℃，保持4h;線圈底部溫度80℃、線圈中部溫度80℃、線圈頂部溫度76℃，保持2h;線圈底部溫度80℃、線圈中部溫度80℃、線圈頂部溫度80℃，保持2h，凝膠時(shí)間共計(jì)8 h，線圈在凝膠階段，溫度沿線圈高度呈倒梯度時(shí)行。這種凝膠方式，是沿線圈底部、中部、上部分階段進(jìn)行凝膠而釋放應(yīng)力，不是按傳統(tǒng)工藝線圈沿高度方向同時(shí)釋放應(yīng)力，可以大幅度降低線圈開裂的可能性，達(dá)到降低線圈局部放電量的效果[12]。爐內(nèi)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，一般溫度誤差控制在±1℃以內(nèi)。

3. 2. 2 凝膠固化爐優(yōu)化具體方案

（1）倒梯度凝膠固化爐工作原理及用途該固化爐具有獨(dú)特的熱風(fēng)循環(huán)、自動(dòng)智能控制工藝全過程的干式變凝膠專用固化設(shè)備。固化爐頂部設(shè)置變頻控制的大風(fēng)量低噪聲耐溫型離心式風(fēng)機(jī)，由3臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)+2臺(tái)冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)機(jī)+1臺(tái)廢棄排氣電機(jī)組成。加熱室設(shè)置在內(nèi)膽兩側(cè)及底部風(fēng)道內(nèi)。凝膠階段，三面同時(shí)加熱，通過智能溫控系統(tǒng)與電動(dòng)風(fēng)閥執(zhí)行的配合控制，調(diào)節(jié)冷熱風(fēng)量的比例，從而使?fàn)t內(nèi)的溫度從下往上具有3～5℃的遞減趨勢，達(dá)到倒梯度的效果[13]。固化階段，工作時(shí)工作室內(nèi)采用左右風(fēng)道下部（約1/3高度）及可調(diào)式出風(fēng)口出風(fēng)的方式，垂直向上送風(fēng)，使工件外部各個(gè)部分同時(shí)受熱;在工作室內(nèi)熱風(fēng)與工件進(jìn)行充分熱交換后均勻回流到頂部吸風(fēng)室，然后再經(jīng)風(fēng)機(jī)送入兩側(cè)風(fēng)道內(nèi)（加熱室）再次加熱，周而復(fù)始。由于采用了大風(fēng)量，高風(fēng)壓的循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫式熱風(fēng)循環(huán)，從而保證了工作室內(nèi)良好的溫度均勻性。使固化爐內(nèi)室溫度達(dá)到工藝要求。

該設(shè)備可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)變壓器行業(yè)高質(zhì)量干式變壓器環(huán)氧澆注后的凝膠固化使用，特別適用于對(duì)局部放電量要求較低的場合。

（2）倒梯度凝膠固化爐特點(diǎn)

采用程序智能溫控儀AI518P，PID 參數(shù)自整定，固態(tài)繼電器+周波控制器無觸點(diǎn)連續(xù)調(diào)功，參數(shù)設(shè)置完畢后自動(dòng)完成樹脂凝膠固化工藝全過程，可以滿足多種固化曲線，性能可靠，操作簡單。針對(duì)高質(zhì)量干式變壓器的特性和溫度要求，采用獨(dú)特的風(fēng)量控制系統(tǒng)及更加合理的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，使固化爐內(nèi)凝膠階段，溫控具有可控的倒梯度功能;固化階段，溫度更加均勻，效果更優(yōu)。加熱元件采用低負(fù)荷U 型電加熱管，抗氧化、性能穩(wěn)定、使用壽命長。保溫材料采用低導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)質(zhì)硅酸鋁棉，節(jié)能效果明顯。

（3）倒梯度凝膠固化爐主要配置和技術(shù)參數(shù)

該產(chǎn)品是為專業(yè)生產(chǎn)環(huán)氧樹脂絕緣干式電力變壓器線圈澆注固化用的“倒梯度定向凝膠固化爐”。干式電力變壓器生產(chǎn)制造時(shí)，線圈干燥、樹脂澆注、凝膠固化等工藝過程非常關(guān)鍵，特別是在樹脂凝膠固化過程中，溫度的控制精度直接影響線圈的生產(chǎn)質(zhì)量。

現(xiàn)大部分的固化爐追求的是內(nèi)部各部位一開始就溫度基本一致，如果產(chǎn)品樹脂在固化過程中同時(shí)固化收縮，會(huì)有應(yīng)力產(chǎn)生，可能導(dǎo)致絕緣層產(chǎn)生裂痕（有的可能肉眼看不到）及表面有收縮的條紋，試驗(yàn)測試時(shí)局放數(shù)值變大，影響到產(chǎn)品的性能和美觀，給公司帶來不利影響。因此，對(duì)干式變壓器局部放電量有更高要求的企業(yè)來說，普通的固化爐已不能滿足工藝要求。所以說環(huán)氧澆注干式變壓器在生產(chǎn)的凝膠階段，如何能保證樹脂在凝固的過程實(shí)現(xiàn)從下而上可控制地定向凝膠，最后在均勻溫度下固化，尤為關(guān)鍵。現(xiàn)通過不斷地研究、試驗(yàn)，吸收和消化國外的先進(jìn)技術(shù)，成功研制出倒梯度固化爐（溫度在垂直方向上實(shí)現(xiàn)可控制的梯度均勻遞減）。這種新一代干式變專用生產(chǎn)設(shè)備，是變壓器行業(yè)固化爐理想的升級(jí)換代產(chǎn)品。圖3所示為倒梯度凝膠固化爐的結(jié)構(gòu)布置圖。

表1所示為倒梯度凝膠固化爐的具體技術(shù)方案說明。

4 試制工藝

本次試制樹脂材料采用江特8968A （ H 級(jí)）和8968B （ H 級(jí)），比例1∶1，根據(jù)我司使用江特樹脂的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮到變壓器容量大，線圈體積大，采用倒梯度凝膠固化爐時(shí)最終確定的凝膠固化的工藝如下。

（1）線圈底部溫度80℃、線圈中部溫度76℃、線圈頂部溫度72℃，保持2h;線圈底部溫度80℃、線圈中部溫度80℃、線圈頂部溫度76℃，保持2h;線圈底部溫度80℃、線圈中部溫度80℃、線圈頂部溫度80℃，保持4h。

（2）線圈固化100℃ （5 h ），130℃ （10 h ）。

（3）倒梯度凝膠固化爐在斷電閉門狀態(tài)下自然降溫至80℃，保溫2h，再升溫100℃ （3 h ），130℃（6 h ）。

（4）倒梯度凝膠固化爐在斷電閉門狀態(tài)下自然降溫至60℃時(shí)出爐拆模。

采用傳統(tǒng)凝膠固化爐的工藝除了凝膠階段沒有采用倒梯度工藝外，其余和采用倒梯度凝膠固化爐的工藝相同。

5 結(jié)果與分析

同時(shí)生產(chǎn)2臺(tái)SCB13-4000/20變壓器，一臺(tái)采用傳統(tǒng)澆注工藝配合傳統(tǒng)凝膠固化爐進(jìn)行澆注，此臺(tái)產(chǎn)品用于深圳光明新區(qū)，另一臺(tái)采用優(yōu)化澆注工藝配合優(yōu)化結(jié)構(gòu)倒梯度凝膠固化爐進(jìn)行澆注，此臺(tái)產(chǎn)品用于盧旺達(dá)世紀(jì)工業(yè)園區(qū)，其局部放電量實(shí)測值如表2所示。

通過實(shí)測值對(duì)比，可以看出采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)倒梯度凝膠固化爐生產(chǎn)的線圈，局部放電量最大值為4 pC，滿足非洲市場局部放電量小于或等于5pC 要求，與采用傳統(tǒng)凝膠固化爐生產(chǎn)的線圈相比，局部放電量降低5 pC 以上，線圈的電氣性能顯著提高，增加了變壓器的使用壽命。

本次凝膠固化工藝是根據(jù)線圈的高度及體積確定的具體方案，線圈沿高度方向分3個(gè)梯度進(jìn)行凝膠。線圈高度越高，采用倒梯度工藝的效果越好。當(dāng)變壓器容量大于或等于8000 kVA 時(shí)，凝膠時(shí)可以考慮沿線圈高度方向分4個(gè)梯度進(jìn)行凝膠，充分發(fā)揮倒梯度凝膠固化工藝的優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

采用傳統(tǒng)凝膠固化爐生產(chǎn)的線圈，局部放電量可控制在5～10 pC 范圍，而采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)倒梯度凝膠固化爐生產(chǎn)的線圈，局部放電量均控制在5pC 以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 pC 限值。本次研發(fā)設(shè)計(jì)的倒梯度凝膠固化爐，性能穩(wěn)定，溫度控制精度高，凝膠固化時(shí)，線圈底部、中部、頂部的溫度誤差范圍實(shí)際控制在±1℃，低于傳統(tǒng)凝膠固化爐±3℃的溫度誤差，由于溫度誤差較小，變壓器局部放電量的控制更為穩(wěn)定。

本次研發(fā)設(shè)計(jì)的SCB13-4000/20干式電力變壓器采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)倒梯度凝膠固化爐對(duì)線圈進(jìn)行凝膠固化，局部放電量實(shí)測值A(chǔ) 相為3pC，B、C 相為4pC。該產(chǎn)品在非洲已經(jīng)安全運(yùn)行2年，運(yùn)行狀況良好。運(yùn)行1年后，對(duì)該變壓器的各項(xiàng)性能進(jìn)行了復(fù)試，局部放電量實(shí)測值和出廠時(shí)的數(shù)據(jù)保證一致，獲得了用戶的好評(píng)，產(chǎn)品局部放電量達(dá)到國際先進(jìn)水平，為公司后續(xù)產(chǎn)品進(jìn)入非洲市場打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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第一作者簡介：張軍海（1969-），男，重慶人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)殡娏ψ儔浩?、新能源變壓器、?jié)能變壓器技術(shù)研發(fā)。

（編輯：刁少華）