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[行业技术文章]亚洲市场上的干式变压器

更新时间：2013-02-03 发布：www.1024sj.com

　　随着社会的成长，我们对更多购物区、地铁车站、工综合性建筑、商区和有年夜人存在的高密度室第区等根蒂根基举措措施的需求发生了更多的压力。这又需要采用更复杂的配电电网来改善生活和工作在这些区域中的人的平安性。这对于亚洲这个上生齿密度年夜的地方来说已变得尤其重要。

　　常规配电是经由过程油浸配电变压器提供的。100多年来，这些变压器一直是将浸有矿物油的基于纤维素的材料作为冷却介。矿物油除是一种卓着的冷却和尽缘介外，还十分易燃，而且当碰着火焰时可能会燃烧。是以，当居平易近位于比力接近这级变压器的地方时就提出了更平安地配电的要求。对为21世纪供能的供电装备的平安，高效和情况庇护方面的这些日益增加的需求可以用曩昔四十年中已验证的靠得住技术来知足。H级干式变压器正越来越替换油浸式变压器而经常使用于分配电能。这类变压器能在严酷的情况和天气条件下工作，耐火，工作时无噪声，并可削减体积和下降重以年夜水平地削减使用空间，可以生产上使用。这类变压器适用于亚洲地域。

　　今日对高能源的日益增加的需求对能在重负荷下工作的变压器施加了更高的压力，尤其是在高峰负荷时段和严酷的高温情况条件下。工作在F级或H级，甚至更热条件下的变压器，具有220C级品级的芳族聚酰胺的尽缘系统，可以使用户从固有超负荷能力中受益，而没必要投进附加费用来增加使用寿命。十年来蓬勃国家中的技术和商趋向已反映了这些身分。敞开式干式变压器采用已获得UL认证的尽缘系统，久长以来一直是北美市场上的先选择方案。在欧洲，对采用这些非浇注式变压器的快乐喜爱正与日俱增，这类变压器知足了在火灾，天气和情况等方面很是严酷的新尺度的要求。

　　今天，随着我们刚刚起头跨进新世纪，在成长中地域如南美和亚洲对采用这类变压器已变得更为迫切，这些地域的用户正起头逐渐熟悉到作为他们的需求的好解决方案的这些趋向，尤其是在负荷增加较高的地域。为划定的基本负荷安装的变压器可能在短短的几年内就变得没法使用，由于用电负荷在以两位数字的年增加率递增，除非这些变压器的尽缘系统答理增加负荷且不会下降寿命。随着越来越多地采用较低温度方案，其能力的固有限制迫使用户寻觅具有已获得认证的尽缘系统的更为靠得住的解决方案。具有芳族聚酰胺尽缘系统的H级敞开式变压器是已获得验证的未来选择。

引言

　　由于干式变压器比充矿物油的变压用具有越的平安性和其他一些固有点，是以正在各地越得越普遍地用于为购物中心、医院、生产厂家、实验室、船舶或其他人员或装备的高度平安要求是主要斟酌身分的运用场所分配电能。

　　干式变压器的主要点是其耐火性和能在分歧的情况下工作。日益增加的需求已发生了用于装备的方针分类的新条例和尺度，例如C57.15.56和欧洲的CENELEC尺度HD-464。

　　干式变压器需要具有低噪声水平，需要紧凑和具有较低的重以年夜水平地削减使用空间，可以生产勾当用。许多国家的用户和规格制定者已改用敞开式干式变压器作为他们的要求的解决方案，在欧洲，一些制造商已提供了采用B级或F级尽缘系统的浇注树脂技术。包括中国和韩国在内的亚洲许多地域已采用了来自欧洲的这一技术。可是，这些变压器在使用十年以后，其固有限制正逐渐成为用户更关心的问题。日益增加的过负荷，对情况庇护材料的要求和持久靠得住性已成为这些较低温度解决方案的错误谬误。严酷的要求能致使年夜块树脂的开裂并加速材料的老化，因而会在不到十年的时间内过早失效。

干式变压器带给用户的点
　

　　F级，H级（180℃）直至R级（220℃）变压器中的耐高温尽缘材料具有相当多的点。这些点将与许多运用一道予以计议。

　　当用户计划采办变压器时，将选择能提供他们需要的好方案的供给商。这凡是包括一个以价格提供的具有所要求的电性能规格，情况和防火品级的靠得住变压器。用户凡是不划定尽缘系统，由于尽缘系统被视为装备的一个完整部门，制造商将用它来生产用户所需要的好产物。然而，今天的用户要获得自己所需要的适当的变压器，就应领会所有可供选择的方案，它们的技术点，和这些方案在工作时的点和错误谬误。一个越来越重要的要求是，装备在各类分歧的情况条件下和在经常跨越指定的正常设计条件的温度下工作的能力。多见的问题是（有时预计不到的）过负荷和较高的情况温度条件，例如包括印度在内的许多亚洲国家中所泛起的情况。制造商现在已获得耐高温的材料，例如芳族聚酰胺，磁漆，树脂和清漆，可以生产在工作温度下具有高靠得住性的尽缘系统。假设我们假定变压用具有一个基于如芳族聚酰胺纸（它具有220℃的热指数）之级的材料的尽缘系统，这样就答理系统在高达220℃的热门温度下运行。这类变压器能够在40℃的情况温度和30℃的热门之差以150K的平均温升接连运行。在较高的情况条件下，许多当地尺度需要使用50℃作为情况温度。是以，140℃的温升和30℃的热门之差可用于这些系统。由于尽缘系统的耐高温能力和与不异容的低温额定变压器相比在冷却空间上的削减，它的重更小，且更为紧凑。事实上，每提高一个耐热品级这类变压器的尺寸就能够削减约10至15。例如，R级（220℃）品级的500kVA变压器可比H级（180℃）变压器小15，可比F级（155℃）变压器小30。

　　然而，即使在许多情况下能获得年夜尺寸并削减重可获得一定的益处，经常使用的解决方案也是在F级或H级下运行的变压器采用R220C级尽缘系统。这类选择可以使用户具有很是紧凑的装备，这类装备可提供极年夜的使用灵活性，包括较高的超负荷能力，较低的能消耗，和在各地所带来的许多现实利益。这类变压器在高负荷增加和极端情况天气条件地域尤其有益。

经济斟酌

　　对于采办常规油浸式变压器或热容较低的变压器例如B级或F级浇注树脂变压器而言，变压器的尺寸一般基于用户为确保尽缘系统的靠得住性和适当寿命而猜想的年夜负荷。这是由于这些变压器是用不能承受设计温度热门以上的温度的材料加以尽缘的。由于平均负荷往往比年夜负荷低得多，所以这类变压器跨越了设计尺度而且比所需要的要年夜得多。哄骗R级尽缘系统的概念用户现在可以采办基于平均猜想负荷的小型变压器，是以成本比基于年夜猜想负荷的年夜型变压器更低廉。经由过程使用芳族聚酰胺尽缘系统，这类变压器能够耐受相当年夜的超负荷或温度峰值，而不会显著下降使用寿命。用户在安装后猜想5年或10年内所需容的年夜幅增加时，如工场扩建，或年夜型购物中心等，也能够采用这类不异的方式。采办知足初始容要求且能在尔后超负荷的变压器，可以显著地节省费用并可以稳当地使附加投资推延到未来使用。让我们来分析一下表1中所示出的数据。

表1：分歧负荷的变压器的经济评价

　　　　　　　　　　　方案号　　　　　　　1　　　2　　　3　　　4

　　　　　　　　　　　尽缘材料的耐热品级　　F　　　C　　　　F　　　　C

　　　　　　　　　　　个10年期
　　　　　　　　　　　负荷(kVA)　　　　　　350　　350　　350　　350

　　　　　　　　　　　第二个10年期
　　　　　　　　　　　负荷(kVA)　　　　　350　　350　　650　　650

　　　　　　　　　　　变压器容
　　　　　　　　　　　容(kVA)　　　　　500　　500　　500　　500
　　　　　　　　　　　温升(K)　　　　　　100　　100　　100　　100

　　　　　　　　　　　期成本（综合）
　　　　　　　　　　　初始成本　　　　　　100　　104　　100　　104
　　　　　　　　　　　铁芯消耗　　　　　　100　　100　　100　　100
　　　　　　　　　　　绕组消耗　　　　　　40　　　40　　　40　　　40

　　　　　　　　　　　本期合计　　　　　　240　　44　　　240　　244

　　　　　　　　　　　第二期成本（综合）

　　　　　　　　　　　初始成本　　　　　　---　　---　　100　　---
　　　　　　　　　　　铁芯消耗　　　　　　100　　100　　200　　100
　　　　　　　　　　　绕组消耗　　　　　　40　　　40　　74　　　134

　　　　　　　　　　　本期合计　　　　　　140　　140　　374　　234

　　　　　　　　　　　20年的总成本　　　　380　　384　　614　　458
　　
　　该例假定两台变压器的温升为100K，一台采用F级尽缘系统（方案1），而另外一台采用220C尽缘系统（方案2）。它们在二十年时代均以不异的负荷运行。以相对单元暗示的终成本年夜致不异。初始成本仅略高了一些（4）。可是，假设我们现在假定十年后负荷已增加到需要更年夜功率的水平，则分析成效将会年夜为改观。
　　在种方案中，将需要另外一台F级变压器（方案3），而在第二种方案中，原来的H级变压器可以耐受超负荷而不会引发问题（方案4），这样即可在20年的使用期内显著地节省费用。这类方案对能耗成本多是主要斟酌身分的场所尤其有益，由于在需要采办第二台变压器的方案中（方案3）铁芯消耗将会增加一倍。与此相反，虽然方案4的绕组消耗有所增加，但这些消耗是相对总负荷而言的，并可以经由过程在平均峰荷时代和非峰荷时间内的电流平方予以下降。
　　除这些点外，还应当记住，在其热指数以下的温度上工作的变压器中采用耐高温芳族聚酰胺尽缘材料将会显著增加装备的使用寿命。作为一个经验法例，在热指数下每下降10℃温度就会使材料的寿命增加一倍。是以，具有220C级材料的F级变压器的预期寿命将比采用155C热指数工作在180℃下的材料的等效变压器增加15倍。
　　第五种方案可以描写为采用平均绕组温度为125℃的变压器。这类变压器可以较低的初始成本（方案1的83）生产出来，而且仍具有较方案1为357和较方案2为483的很是经济的总成本。这类变压器也更紧凑，尺寸和重削减约15。
　

能消耗
　

　　当用户斟酌变压器中的能消耗时，他们会以电流的平方和总电阻的比（是以称为I2R消耗）来计较激励时磁芯的总消耗（空载消耗）和导体中的电流引发的那些消耗。凡是，在额定负荷下比力这些负荷是为了在差方案中提供变压器的相对比力基准。可是，这样可能提供一种不够合理的概念，由于它可能以更紧凑的尺寸和更高的耐高温能力使设计变得比力坚苦。当人们比力两个分歧耐热品级的单元时，他们应当肯定在什么负荷下两种比力才会不异。假设这一负荷在变压器的平均猜想负荷之上，则采办小型变压器可能更经济，由于磁芯消耗是恒定的，而且天天24小时始终都存在着。磁芯消耗的估成本一般比铜消耗高3至5倍。是以，在小型变压器中，磁芯消耗仅占总消耗的很小一部门。
　　表2示出了B级和H级变压器的比力成效，并采用了每瓦特空载消耗4.00美元和每瓦特负载消耗1.00美元的典型消耗估算比。表中数据基于1000KvA/10kV的单元额定低级电压。我们可以看出，交叉点是在负载系数约为82时。是以，当负载低于额定负载的82时，H级变压器的消耗成本就会显著下降，这主要是由于磁芯及有关的消耗较少的缘故。负载系数可界说为现实平均负载与额定负载的百分比。

　　表2.总消耗成本的比力（基准：1000　kVA）

　　　　　　　　　　负载　　　　消耗成本(US$)　　　　　消耗比

　　　　　　　　　　　系数　　B级　　F级　　H级　　　H::F　　H::B

　　　　　　　　　　　0.2　　　12056　10626　　8970　　　0.84　　　0.74

　　　　　　　　　　　0.4　　　12826　11664　　10320　　0.88　　0.80

　　　　　　　　　　　0.6　　　14108　13394　　12570　　0.94　　0.89

　　　　　　　　　　　0.8　　　15902　15816　　15720　　0.99　　　0.99

　　　　　　　　　　　1.0　　　18210　18930　　19770　　1.04　　　1.09
　

　　在F级和H级变压器之间也进行了相似的比力。在这类方案中，节省82以下的负荷虽略低了一些，但H级较F级变压器在总负荷上的增加要稍低于B级变压器。

干式变压器制造商的势

　　变压器的设计师需要知足许多技术和经济要求，这些要求可能因尽缘材料的限制而遭到很年夜的影响。设计师经由过程采用耐高温的尽缘材料，可以在变压器的电、机械、热和情况性能方面获得更年夜的活络性和自由度。
　　在斟酌这类可扩大灵活性的同时还应斟酌许多身分以确保设计能够保证在评估温度下的靠得住性。一般来说，采用基于芳族聚酰胺材料的高温尽缘系统可以使设计师经由过程削减凡是的冷却空间来制造更紧凑的变压器。在除往这个空间的同时设计师还应斟酌对变压器的电和热性能的影响。例如，由于干式变压器要依靠用于冷却的空气间隙，所以必需注重避免对变压器施加过年夜应力以避免局部放电，局部放电会过早老化尽缘材料和致使早期故障。设计师还应计较准确的间隙距离以免沿概况及其四周的爬电现象，避免以这类方式发生击穿。这些问题可能比简单的热门温度要求更受限制。
　　不仅要领会在实验室中的室温下获得的测试值，而且还应领会高温条件下尽缘材料的性能，许多材料可能在实验室中显现出及格性能，但在变压器的热门温度下工作时性能却会下降。
　　图1的资料显示了Nomex牌芳族聚酰胺纸在加速老化温度条件下的老化数据和热老化的阿化尼乌斯曲线。这类信息对猜想材料在装备中的预定运行条件下的能力是必需的，例如，这个数据猜想了220℃的热寿命指数（外延可达100,000个小时）。此外，在曩昔35年中，这类材料一直使用在干式变压器（热门温度为180℃至220℃）中并获得了现实寿命特征。为此，这些材料一般用作其它材料肯定其热指数时所做的热老化实验的参考材料。

图1.Nomex　芳族聚酰胺纸的老化曲线
　

　　除热寿命性能外，还有许多其它材料特征（这些特征会遭到系统温度的影响），在装备的运行温度下工作时必需对这些特征进行斟酌。图2和图3的数据显示了材料的介电常数（电容率）和随温度变化的介消耗角（消耗角正切）的对应关系。注重，材料A在年夜约150℃的温度上就起头迅速变化，是以不得用于热门温度跨越这个点的装备中。另外一方面，材料B在高达220℃的温度上仍显现出秀的稳定性能。这一特征对设计和工作应力会发生重要影响。材料A的介消耗角会致使变压器的电介温度跨越150℃。

　　此外，变压器中应力散布的设计与介电常数呈反比例。这类方案中的比力基准是空气，空气的介电常数界说为1.0。固体材料越接近1.0，空气冷却间隙和固体尽缘材料之间散布的应力就越平均。是以，这个介电常数会影响变压器的尺寸和紧凑性。介电常数较低的材料答理更多地削减空气空间，因而可获得更小的变压器。在这类方案中，材料B展现了Nomex芳族聚酰胺纸的越性能。

图2和3.介消耗角和随温度变化的介电常数

　

　　在这个新世纪中要斟酌的另外一个主要身分是变压器的可燃性指数。这是不斟酌设计变压器所用的技术的情形。这需要具有不仅在室温下可以阻燃而且在变压器的运行温度下甚至在热门区域上也具有这类不异能力的尽缘材料。正如图4中所归纳综合的那样，高温芳族聚酰胺材料不支持250℃至300℃以下温度上的燃烧。这份资料显示了厚度为0.13毫米的410型Nomex芳族聚酰胺纸随温度变化的极限氧指数（LOI）。这类制品即使在220℃的工作温度下，也具有自熄性。之所以需要这些制品是由于，即使加热到着火点，它们也仅仅发生少许的透明、毒性较低的燃烧气体。

图4.:各类材料的限氧指数(LOI)

　

　　表3中的资料归纳综合了Nomex芳族聚酰胺纸在可燃烧性方面的一些证书。由于缺少认可的尺度化法式，几家机构已制定了自己的测试方式来主观评估各类材料的燃烧特征及其碰着火灾时的平安品级。在美国，UL可燃烧性实验是以材料的耐火性能为根蒂根基的（UL尺度94）。在欧洲，有几个国家如法国和意年夜利已制定了他们自己的尺度，例如NFF16,101和102。凭据这些尺度来对材料的燃烧特征进行分类（M分类），和对累积气体的不透明性和毒性进行分级（F分级）。芳族聚酰胺材料被回为M1和F1级，这是有机制品的好可能品级，并回为UL品级下的V-0，即不支持燃烧，不流动或滴液，且具有消除火源后的无复燃性的材料。

　　　表3.由分歧证书发表机构肯定的Nomex　纸的可燃性指数

　　　　　　　　　UL(美国)　　　　　　　　　　　94V-0
　　　　　　　　　NFF16-101(法国)　　　　　　　　M1
　　　　　　　　CSERF2/7(意年夜利)　　　　　　1级
　　　　　　　　NFF16-101&16-102(法国)　　　F1

　　除这些卓着的性能外，芳族聚酰胺制品还具有很高的耐化学品和溶剂侵蚀能力，并与所有其它用于建造变压器尽缘系统的成份相容。芳族聚酰胺制品还可增加耐受来自空气污染的化学侵蚀能力。湿气吸收始终是与干式变压器有关的一个问题。芳族聚酰胺材料会吸收湿气，但与其它材料例如纤维素分歧，它们不会遭到这类吸收的不良影响。事实上，这些材料的化学性获得了改善，而且电气性能连结在很高的耐受品级以上。如表4所示那样，这些材料可以吸收多达90的湿气同时又连结的电气强度，而且介电常数和消耗因子也很低，当它们干燥后，依然比年夜大都其它材料越。

　　表4.湿度对芳族聚酰胺纸(0.25mm)的介电性能的影响

　　　　　湿度品级　　　　　　　　0　　　　　50　　　　　90
　　　　介电强度，kV/mm　　　　38　　　　　35　　　　　　34
　　　　60Hz时的介电常数　　　2.5　　　　　2.7　　　　　3.2
　　　　60Hz时介消耗角　　　0.006　　　　0.006　　　　0.011

　　可是，在生产干式变压器的进程中，常规做法是将尽缘线圈覆以清漆或树脂。这样可以避免吸收水份，使线圈更靠得住地耐机械冲击，并可削减变压器的噪声。此外，今天的技术已答理经由过程真空浸渍（VI）和真空/压力浸渍（VPI）将清漆浸进线圈中，因而，可保证的渗透并消除局部放电引发的所有问题。
　　经由过程IEEE尺度C57.12.56(美国)和CENELECHD-464（欧洲）进行的尺度化实验已证实，包封式的敞开式线圈在95湿度中表露几天后可以经由过程年夜大都冲击波、过电压和局部放电的临界测试。

在技术和市场方面的进展

　　各地对耐高温尽缘系统的快乐喜爱正与日俱增。敞开式线圈变压器比浇注线圈变压用具有显著的势，由于在设计或耐热品级方面没有任何限制。哄骗耐高温材料可以设计各类实用高效的小型低成本变压器。还不受各类外形和尺寸的模具的限制,可以设计在性能特征的选择方面具有极年夜灵活性的变压器。这样就答理设计师提供合适装备用户提出的任何特征要求的好方式。
　　在美国，有千万万万的终用户具有各不不异的市场需求，这类技术是流行并具有成本效益的选用方案。采用芳族聚酰胺材料的180和220级系统是自1980年以来获得UL认证的系统，该系统一直是政府机构和工用户与商用户的产物和指定方案。此外，自1960年末以来，该系统就一直获得市场的验证。UL认证法式已为用户提供了一个可保证、靠得住性和性能的靠得住的第三方装备证书。
　　在欧洲，敞开式干式变压器是EDF（法国）凭据其严酷的鉴定系统审批的批干式变压器品种，现在这类变压器已成为许多其它法国用户极为知足的产物并逐渐获得普及。这类变压器正在为树脂浇注式变压器现在正据有高欧洲市场份额的其它欧洲国家提供一种、靠得住的选择。由于用户需要具有较高的靠得住性、较低的成本、更好的情况庇护措施和改善平安性，是以敞开式干式变压器正在提供好解决方案。为了知足这些需求，制造商们现在正在转向采用更新的浇注树脂技术，这类技术采用了耐高温材料以获得H级性能。是以，成长趋向较着对具有H级以上尽缘系统的变压器有益。在亚洲，这一趋向也逐渐变得较着起来。韩国、中国、印度和东南亚国家的一些新兴制造商正在开发H级技术觉得市场提供更好的选择方案。制造商们还发现，这类技术可以提供与市场上的生产厂家的任何B级和F级树脂浇注变压器（人们正逐渐熟悉到了低温技术的固有缺陷）分歧的产物。
　

耐热品级的影响

　　变压器的耐热品级暗示绕组在高负荷条件（热门）下工作并应具有至少合适这一品级的尽缘材料时可以承受的高温度。计较答理高温度的公式以下：

　　　　高温度=平均绕组温升(K) 年夜情况温度热门答理温度

　　这意味着必需将尽缘系统的额定温度设定为绕组的高温度，而不单单是绕组的平均温度，下暗示出了基于IEC尺度726的干式变压器的温度比力成效。

表5.热门温度计较成效

　　　　耐热品级　　　平均绕组　　　　　年夜　　　　　热门　　　　　高
　　　　　　　　　　　　温升(K)　　　情况温度(℃)　　温差　　　　温度(℃)

　　　　　B级　　　　　　　80　　　　　　　40　　　　　　10　　　　　　130
　　　　　F级　　　　　　　100　　　　　　　40　　　　　　15　　　　　　155
　　　　　H级　　　　　　　125　　　　　　　40　　　　　　20　　　　　　185
　　　　　C级　　　　　　　150　　　　　　　40　　　　　　30　　　　　　220

　　正如所划定的那样，尽缘材料必需能够承受绕组内的热门温度。美国的一些研究1讲明，热门温差可能比尺度中划定的温差高，视野圈设计和外形而定。温差可能高达10至20K。这可能致使下降变压器的耐热品级或提高绕组中尽缘材料的品级。是以，与下降变压器的现实耐热品级相比，采用耐高温材料是经济的解决方案。

采用这些耐高温芳族聚酰胺材料还具有许多其它点。

1）对效率的影响
　　a.较小的线圈意味着磁芯尺寸较小，这可下降空载消耗
　　b.导体较少和温度较高会致使负载消耗增加
　　c.经常使用消耗评估方程一般在空载消耗上放更年夜的值，凡是20年内估算的消耗比在3::1至6::1之间，这对小型变压器较为有益。

2）对尺寸和重的影响

　　a.较高的绕组温度答理线圈较小，磁芯较小，节省成本、空间和重
　　b.H级线圈一般比F级线圈小15，比B级线圈小30；R级线圈可以进一步减小约10

3）热庇护

　　　a.F级变压器一般采用B级和F级尽缘材料，因而几近不提供超负荷庇护
　　　b.H级变压器一般具有R级尽缘（220℃芳族聚酰胺材料），这类材料可以承受比H级更高的温度，因而可提供较崇高负荷庇护。

　　是以，更高温度设计方式更充实地采用了原材料，并使消耗降至低水平，从而下降了总运行成本，这是各地正逐渐形成的一种趋向。

结论

　　本文旨在引发用户和制造商对采用耐高温尽缘材料的注重，和这类材料可为干式变压器提供的机遇。本文还回纳了用这类材料生产的变压器可为用户提供的点，尤其是强调了固有超负荷承受能力提供的可能性。这可以使用户采办不仅成本低廉而且还具有比预期使用寿命长的使用时间的额定容下降的变压器。在21世纪的中，这类技术可以使制造商知足社会对改善平安性、情况庇护方面日益增加的需求。此外，还提高了配电网内的短路和脉冲冲击能力。耐高温敞开式干式变压器技术其实不是新技术，但它适于知足市场日益增加的需求和成长趋向，并可以经由过程经济靠得住的方式实现。

参考文献

1L.W.皮尔斯，"敞开式干式变压器中的热门温度"，IEEE论文WM052-1PWRD，1993年2月1-5日俄亥俄州哥伦布IEEEPES冬季会议上提交的论文。

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