樹脂絕緣干式變壓器的技術發展

半個多世紀以來，世界上許多城市都以極高的速度向現代化發展，隨著城市的發展，供電負荷逐年增長。為了確保安全，人們迫切需要一種既可深入負荷中心又無燃燒危險的變壓器，而油浸式變壓器在這方面卻有它不可避免的缺陷。干式變壓器由于具有結構簡單、維護方便、防火、阻燃、防塵等特點，正好能夠滿足人們迫切需要。因此，近年來在國內得到了迅猛發展。

1 干式變壓器的種類和特點

1.1 浸漬絕緣干式變壓器

該種變壓器生產歷史最長，制造工藝也比較簡單，導線采用玻璃絲包，墊塊用相應的絕緣等級材料熱壓成型，隨浸漬漆不同，變壓器絕緣分B、F、H、C級，主縱絕緣的空道全部以空氣為絕緣介質。這類變壓器繞組制造工裝設備簡單、成本低，但相對其它形式干式變壓器，它承受短路能力較差。另外，繞組的防潮和防塵性能差，變壓器停用再投入使用時，可能因為周圍的環境因素產生的吸潮甚至凝露，使其絕緣水平大大降低，使用前必須進行清理和干燥處理。該種變壓器技術經濟性能好，產品價格與樹脂絕緣的大體相當。

1.2 環氧樹脂絕緣干式變壓器

環氧樹脂是一種早就廣泛應用的化工原料，它不僅僅是一種難燃、阻燃的材料，且具有優越的電氣性能，以后逐漸為電工制造業所采用。這種變壓器根據繞組包封方式可分為樹脂澆注和繞包絕緣兩大類。

樹脂澆注式的工藝特點就是必須靠模具并采用專用澆注設備，在真空狀態下使線圈澆注成型，它又有下列兩種類型。

無填料樹脂澆注。這種純樹脂澆注的干式變壓器內外絕緣厚度一般為1.5～2 mm，屬于薄絕緣。目前我國使用的產品以這種結構最多，其結構特點為變壓器高、低壓繞組內外層用玻璃纖維增強，在真空狀態下采用環氧樹脂用模具進行澆注，線圈導體外部形成富有彈性的既韌又薄的樹脂包封層，它可隨線圈一起膨脹和收縮，因而不再擔心會發生開裂。另外，由于包封絕緣層的厚度很薄，既達到了包封的效果，又減少了包封絕緣層的溫差，因而對改善澆注線圈的熱傳導是非常有益的。薄絕緣結構還可以在線圈內設置軸向氣道，這樣就可以增加線圈的散熱面，從而散熱能力好，給制造大容量干式變壓器提供了有利的條件。

有填料樹脂澆注。有填料樹脂澆注繞組，由于在樹脂中加入石英粉作為填料，可使樹脂機械強度增加，膨脹系數減少，導熱性能提高，從而降低材料成本，且繞組外觀較好。有填料樹脂澆注又分厚層有填料樹脂澆注和薄層有填料樹脂澆注兩種形式。

厚層有填料樹脂澆注。早期的環氧澆注式干變都是采用厚絕緣的澆注式線圈，其低壓繞組為鋁箔繞制的F級圓筒式繞組，繞組端部用樹脂澆注。高壓澆組采用分段圓筒式結構在真空狀態下采用以石英粉為填料的環氧樹脂用模具進行澆注。絕緣耐熱等級為B級，樹脂層的厚度一般為6～8 mm。當變壓器運行后由于發熱極易導致環氧澆注層的開裂，并形成小的空氣隙，以致引發局部放電，這將嚴重威脅變壓器的運行可靠性，加之由于局部放電所引起的電腐蝕還將大大縮短變壓器的使用壽命。隨著技術的進步，厚絕緣就逐步為薄絕緣所代替。

薄層有填料樹脂澆注。這種變壓器低壓繞組采用銅線或銅箔繞制成圓筒式，高壓繞組采用銅導線繞制成分段圓筒式。高低壓繞組采用銅導線繞制成分段圓筒式。高低壓繞組分別裝入模具，在真空狀態下采用以超細石英粉為填料的環氧樹脂進行澆注，但是這必須在嚴格的工藝與先進的工裝下進行，否則就會出現攪拌不均勻或者在澆注過程中發生石英粉沉積現象。低壓繞組內層樹脂厚2.5 mm，外層2.5～5 mm。高壓繞組內層樹脂厚2.5 mm，外層3.5～5 mm。絕緣等級為F級。

繞包絕緣。繞包絕緣干式變壓器又稱纏繞式樹脂全包封干式變壓器。繞組采用浸有樹脂的長玻璃纖維絲用直繞和斜繞的方法把繞組包封起來。繞組在烘箱中邊旋轉邊加溫烘干。由于不需要模具，因此生產的靈活性較好。這種結構的繞組防開裂，抗短路能力優于澆注變壓器。但是由于無模成型使繞組外觀比不上澆注式。另外繞組制造時對環境的要求較澆注式高，一般需要在空調間環境下繞制，其繞線操作比較復雜，效率比澆式低。表1列出了幾種樹脂干式變壓器的特點。

2 環氧樹脂澆注工藝特點

環氧樹脂澆注工藝屬于模注成型技術，是干式變壓器中澆注繞組較為成熟的一種工藝。其主要特點是：

繞組被固定在金屬模內，注入的環氧樹脂混合料滲透至繞組各層間，將其固化成型，使之與導線、絕緣材料牢固地結合成一體，固化成型后的繞組具有極高的機械強度。

由于繞組和樹脂混合料均在高真空狀態下脫氣，所以固化成型后，繞組的局部放電量很低。

在凝膠過程中，保持一定的壓力，使補償罐內的樹脂流入模腔內，以補償因樹脂固化收縮引起的缺料，防止出澆注缺陷。在固化過程中，采用階梯固化工藝，使繞組的內應力降到最低，避免繞組開裂。

3 環氧樹脂澆注材料的選擇和配方設計

環氧樹脂混合料的選擇應從對產品的性能要求和澆注工藝性兩方面加以考慮。對于干式變壓器來講，由于繞組體積大，對電氣性能、機械強度要求高，所以，所選用的澆注材料必須滿足變壓器的各方面性能要求，且絕緣等級一般要求達到F級以上。就工藝性而言，主要是要求在一定的工藝條件下，混合料具有較高的流動性、易浸性以及混合料的適用性，即在一定的條件下可以控制混合料的澆注時間。

3.1 環氧樹脂

澆注工藝中，可使用的環氧樹脂品種較多，但由于干式變壓器受技術條件和工藝條件的限制，因此對環氧樹脂的材料性能要求非常嚴格。如要求有機氯和無機氯含量必須低，因為在環氧樹脂中若有機氯含量較高，則會導致環氧固化物的電氣性能在高溫時降低；而在環氧樹脂中若存在無機氯，則會使環氧樹脂固化物的電氣性能在常溫下變差或使固化物開裂。同時由于環氧樹脂中存在氯離子等雜質，促使環氧樹脂混合料在澆注過程中凝膠時間縮短，使澆注工藝無法順利進行，導致混合料過早凝膠而報廢。

目前，用于澆注變壓器繞組的環氧樹脂基本上都是中粘度液態雙酚A環氧樹脂。該樹脂無論是進口的，還是國產的，其性能基本相同，均為高純度環氧樹脂。

3.2 固化劑

在環氧樹脂混合料中，由于環氧樹脂必須與固化劑交聯固化形成不溶，不溶的體型網狀結構才能顯示出環氧樹脂優良的電氣性能和機械性能。所以在環氧樹脂澆注過程中，固化劑是必不可少的重要部分。

固化劑的種類及品位直接關系到澆注固化體系的主要性能，由于固化劑中的雜質，揮發分及主要成分含量高低不一，不僅會使澆注過程發生異常情況，同時也會降低固化的電氣性能和機械性能，所以固化劑的選擇必須慎重，一個品種確定之后，不宜輕易改變。

為了滿足變壓器的性能要求，變壓器澆注繞組所選用的固化劑基本上都是在高溫下固化的，這是由于早期所采用的固化劑多為固態酸酐，如聚壬二酸酐，鄰苯二四酸酐等。它們均有良好的電氣性能和機械性能，且價格也較低。但由于澆注工藝性差，如升華問題、混合料溫度控制問題、過濾器的堵塞問題都難以解決，因此已被全液態高溫固化劑所取代。目前，變壓器繞組澆注用的固化劑基本上都 是異構化甲基四氫（或六氫）苯酐。

3.3 增塑劑

在環氧樹脂混合料的配方中或多或少都要加入一定量的增塑劑，以改善環氧樹脂固化體的脆性，防止固化體出現開裂，滿足產品的性能要求。但是添加的份量不宜過多。因為在混合料中，隨著增塑劑的增多，環氧樹脂固化體的熱變形溫度逐漸下降，電氣性能也隨之降低。所以在環氧樹脂混合料中，增塑劑的分量應加以控制。

適用于干式變壓器繞組澆注用的增塑劑必須是在高溫條件下性能穩定的材料，而且本身的粘度要小，有利于浸潤、擴散和吸附。目前變壓器繞組澆注用的增塑劑主要用兩大類：一類為側鏈型環氧樹脂；另一類為多元醇化合物。

3.4 促進劑

促進劑的主要作用是加速交聯固化反應，調節凝膠時間使之滿足澆注工藝的要求。同時，它還具有降低混合料固化溫度的作用，從而起到降低固化物的收縮量，避免澆注固化體產生龜裂。

在高溫固化的混合料配方中，促進劑的用量一般不應超過0.5%，特別是像澆注變壓器繞組這樣大型澆注件，更需嚴格控制。因為這種澆注件所使用的混合料一次投料較多，一旦促進劑過量，將使混合料很快凝膠固化而報廢。另外，即使澆注能順利進行，也將使環氧樹脂固化體在固化過程中，過早地凝膠導致反應時大分子不能繼續延伸而斷裂，造成固化體的開裂。

3.5 色漿

在環氧樹脂混合料加入少量色漿，其目的是使澆注體獲得所需要的顏色。色漿必須在環氧樹脂中具有良好的分散性，優良的耐熱性，對于F級干式變壓器來講，應在155 ℃下不分解，不褪色；具有良好的電氣性能，即加入色漿后不影響環氧樹脂固化體的電氣性能和其他綜合性能。

4 繞組結構對現有澆注模具的適應性

從澆注干式變壓器的設計、工藝和生產現狀來看，變壓器的高壓繞組一般采用分段圓筒式結構，低壓繞組一般采用箔式或多根導線并繞層式結構。在實際生產中，采用多根導線并繞層式結構的低壓繞組在澆注過程常出現澆不透的現象。而分段圓筒式的高壓繞組卻很少出現這種現象，據分析發現繞組澆注不良的癥結，在于繞組現有的澆注模具的適應性不好。

在未改進前，繞組在繞制前先在模具上纏繞一定尺寸的玻璃絲布，然后再進行導線纏繞。在此纏繞過程中，導線將對繞組內層絕緣玻璃絲布產生很大的壓力，使玻璃絲布比較緊密，其浸漬性能較差，導線纏繞過程中，由于沒有導線的壓力，外層絕緣的浸漬性能相對就比較好。

通過實際生產觀察，發現改進后內、外層絕緣澆注速度基本一致。這樣不僅防止了澆注缺陷的產生，還使繞組表面的光亮整潔程度有了很大的提高，其效果非常好。樹脂澆注干式變壓器繞組澆注質量的提高，會使變壓器的局部放電水平和絕緣性能得到改善，延長變壓器的使用壽命。

5 繞組澆注過程中應注意幾個問題

5.1 澆注料的配制

根據工藝配方配制澆注料，在配制時應精確控制各組分加入的量，尤其是促進劑，雖然加入量所占比例很少，但對固化反應影響極大。促時劑的加入量與繞組結構、體積有關。一般說來，體積小的繞組，促進劑的加入量可以多一些，反在少一些。加入的比例應通過實驗加以確定。

5.2 澆注溫度的控制

根據澆注材料的性能確定真空澆注溫度，該溫度既要保證澆注材料有較低的粘度，使其流動性好，便于真空脫氣和在較短時間內浸透澆注件，又能必須保證澆注材料的使用周期。如某環氧樹脂混合料加入促進劑后在80 ℃時既可固化，在選用這種組分的環氧樹脂混合料時，其澆注溫度就不能超過80 ℃。在實際使用中，一般將澆注溫度控制在60～70 ℃之間較合適。

5.3 真空度的控制

澆注過程中,真空度對消除混合料中的氣體和澆注品的質量有直接影響。若真空度低，則應延長脫氣時間，但并不是真空度越高越好,因為它受澆注材料的飽和蒸氣壓影響，就會導致材料的揮發，引起混合料配比的變化，澆注品的質量就無法保證，甚至報廢，所以只有真空度比混合料中最高組分的飽和蒸汽壓低,才能保證混合料的配比是穩定的。

5.4 固化時間和固化溫度的控制

繞組澆注完畢，必須進行固化處理。對于固化的工藝參數和過程，各廠都有自己的特點。但根據環氧樹脂固化反應特點和對繞組電氣性能的要求，一般都采取兩步法固化工藝，即較低溫度下的前固化和較高溫度下的后固化。采用METHA作固化劑的前固化時間一般為3～5 h，溫度控制在90～110 ℃之間。這時候的固化過程是混合料的液體狀態向固體狀態轉化過程。前固化后的環氧樹脂呈彈性體,便于脫模，脫模后，澆注繞組必須進行后固化處理，其目的是使環氧樹脂進一步發生交聯固化，使環氧樹脂最終形成不溶的固體。為了獲得最佳的電氣性能,這個階段的固化應采用階梯固化，階梯的級數和溫度梯度可根據工件的大小來確定，升溫速率一般控制在每小時25 ℃以下，這樣可以避免因升溫速度過快，固化反應激烈而造成應力集中。

6 結束語

就干式變壓器的發展趨勢來講，干式變壓器與油浸式變壓器相比，絕緣運行條件有所改善，但油浸式變壓器的顯著性能和低成本是干式變壓器難以取代的。在戶外及對防火要求一般的場所，目前及今后較長一段時間內，將仍以油浸變壓器為主。

就環氧樹脂膠澆注工藝來講，國內已在這方面作了大量研究工作，并積累了豐富的制造經驗，該技術已得到廣泛應用。隨著干式變壓器結構的改進和對性能要求的提高，環氧樹脂及其輔料的技術指標要求也隨之提高，對澆注工藝也提出了更高要求。為了滿足干式變壓器的電氣和機械性能的要求，除了合理設計環氧樹脂混合料的配方外，還必須有可行的澆注工藝及合理的工藝參數，這樣就能保證澆注品的優良性能，而這一領域的許多工作還有待進一步的探索和研究，以不斷提高澆注工藝水平和產品質量。