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分析油浸式变压器的绝缘材料及其应用

2020-05-09 779 上传者：管理员

摘要：电力变压器无疑是当下电力系统中最为重要的设备之一。而近些年来，随着社会的不断发展以及用电需求的不断攀升，电力变压器的等级也在不断增加，对变压器的工作稳定性以及可靠性提出了更高的要求。而绝缘材料作为变压器的重要组成部分，是保证油浸式变压器安全、稳定、经济运行的关键，故本文对浸式变压器的绝缘材料进行了深层次的探讨。

关键词：
变压器
应用
电工材料
绝缘材料
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依据冷却形式以及绝缘等的不同，通常可以将变压器划分为油浸式变压器、气体绝缘变压器以及干式变压器等几类。而这其中油浸式变压器通常也被分为自冷式、风冷式以及油浸水冷与强制油循环冷却等几种^[1]。纵观目前许多用户的变压器形式依然主要以油浸式为主。此外一些矿井中以及建筑物中也可能会使用一些环氧树脂干式变压器。相比于其它两种变压器，油浸式变压器的应用范围最广，技术也最为全面，故本文就油浸式变压器的绝缘材料及其应用等展开讨论。

1、变压器绝缘的基本要求

1.1 变压器绝缘分类

通常可以将变压器的绝缘划分为外绝缘以及内绝缘两种。一般将受大气约束以及其它约束条件较小的绝缘称之为内绝缘；而将变压器油箱之外的空气间隔和裸露在外的表面，承担作用电压并受到大气以及其它外界环境因素影响，包括污垢、气压以及温湿度等的绝缘称之为外绝缘^[2]。

1.2 电气特性

为了确保变压器可以在额定状态下始终稳定运行且可以抵御常规过电压等问题，我国颁布了相关国标文件，对不同电压等级的设备的绝缘特性与试验电压等提出了严格要求。常见的包括，电力变压器的耐压试验、冲击耐压试验等等^[3-6]。这其中，各个设备的短时工频耐压测试主要用于判断主绝缘特性、额定操作冲击耐受电压则主要用于检测相关设备的纵绝缘特性。为了确保变压器可以长时间保持稳定运行，针对内部存在的局部缺陷等问题需要进行特定的感应耐压测试。

1.3 机械特性

实际投入运行过程中，变压器的绕组或多或少会承担一定的机械应力作用，一旦发生突发性的短路情况时，强度的短路电流会在一瞬间产生巨大的电动力。实际该力可能直接导致设备绝缘受到损坏，严重的甚至可能导致严重后果。故而在结缘材料的选择古城中务必保证其机械应力方面特性。

1.4 热特性

实际温度很大程度上决定了绝缘材料的绝缘效果。往往越是温度高则其绝缘特性也就越差。为了能够确保绝缘效果，对于不同材料的高温绝缘性也有一定的要求，一般强调在特定的高温环境下，绝缘材料依旧可以保持安全稳定的运行工况，超过该温度时则可能发生老化隐患。以油浸式变压器为例，对于A级的绝缘材料，大多要求绝缘绕组的平均温升不应当高于65℃，其最高的允许工作温度也不应当高于105℃。依据热劣8℃的标准，A级的绝缘材料高于其耐受温度8℃时，则其使用寿命会大大折扣，只有原来的二分之一左右。即便在允许的温度区间内，长时间不间歇的运行，绝缘特性也会大大降低，最终其机械特性以及绝缘特性等相继会慢慢降低^[7]。

1.5 防潮与化学特性

变压器油箱中油的水分以及相关杂质处于悬浮时，则非常有可能在电极之间构成杂质小桥，从而使得变压器油击穿电压瞬间呈现较大的下降趋势。故而，往往使用隔膜等防护措施以避免绝缘油潮湿并切实提升其氧化特性，使其始终保持在较好绝缘运行工况。

2、绝缘材料耐热等级划分

现阶段，业内通产依据不同绝缘材料的最高允许工作温度从而将其划分为不同的耐热等级，自低到高分为A、E、B、F、H、C级。其中处于A级的绝缘材料主要指代一些油性树脂以及油性漆等等类似介质的纤维素材质以及矿物绝缘油等；C级则主要是指一些诸如电瓷、石英等相关材质的绝缘材料；E级则主要指代一些诸如人造纤维、漆包线以及一些特定塑料等的绝缘材料；F则主要指代环氧高压无溶剂漆以及一些其他类似属性的绝缘材料；B则主要指代一些环氧玻璃布或者醇酸浸渍漆等材料；H则主要指代硅油、有机漆等绝缘材料。以变压器行业为例，油浸式变压器的绝缘方式主要以油纸绝缘为主，即基于绝缘油浸润绝缘纸的方式，去除绝缘纸孔隙之间的气隙，并提升其绝缘电气特性。

目前，许多常见已然可以实现基于人造以及天然的纤维来加工制造油浸式变压器所需要的高等级的绝缘材料。依据相关国标规定，运行过程中油浸式变压器的闪络点应当高于135℃，但H级、F级以及C级的绝缘材料等其温度条件均满足要求，但相关绝缘材料尚未在油浸式变压器中得到很好的广泛应用。究其原因主要是由于变压器油实际耐热等级不改变的情况下，A级以及E级的绝缘材料已然可以满足其设计应用需求^[8-9]。

3、油浸式变压器绝缘应用

3.1 变压器特性、劣化因素与防范

作为石油的副产物之一，变压器油主要包含了烷烃以及其它不饱和烃化合物，其绝缘特性也更优于空气。将相关绝缘材料浸润在油中不但可以提升其绝缘强度，同时也可以具有一定的防潮效果。变压器油劣化是其应用过程中主要考量的问题。因为在生产以及制造的整个流程中难免会掺杂进一些杂志或者水分等物质，由此其耐点特性可能会明显比纯净的变压器油要小很多。运行期间，外界空气可能会和油接触，由此会从大气中不断的汲取水分与气体。长此以往，优质慢慢下降，并可能被分解为水分、气体以及其它聚合物。而这有可能使得电场发生畸变从而导致杂质小桥，并降低整个油的击穿电压值。

除此之外，变压器油的温度不断攀升也会进一步导致油的绝缘老化问题，进一步加深油的颜色以及油泥产生，击穿电压明显下降。不均匀分布的电厂还会导致局部放电产生，进而使得油分子相互缩合为腊状物并散发出气体。这些腊状物大多以高分子形式存在，阻塞了用于散热作用的油道，由此导致散热能力大大降低，而挥发出来的气体则可能会导致放电更易进行。因此，油隙的击穿电压会由于外界电压时间的不断变化而逐步下降^[10-12]。为了能够使变压器油始终保持在较好的运行工况，往往需要采取必要的措施介入。在运行期间应当尽可能的保持变压器油的运行状态，例如进行充氧防护、添加抗氧化剂等材料。

3.2 油纸绝缘应用

油绝缘纸大多以硫酸盐木纸为主要材料制成，因此其分子质量普遍较高，具有一定的机械特性。此外，绝缘纸的气隙也比较多，且透气性以及吸油效果比较好，因此当其浸润在变压器油中时，介电常数通常会比较高，在电力变压器中绝缘材料所使用的绝缘纸大多为电缆纸，主要用于层间以及引线之间的绝缘等。而一些厚度较低的绝缘纸，包括电话至以及皱纹纸等则大多应用于引出线以及线头中。减小绝缘纸的弧度则会大大提升其击穿场强，绝缘特性也会随之不断增加。绝缘纸板主要由绝缘纸构成，大多用于绕组之间的绝缘，包括隔板以及垫块等方面，或是被用作绝缘铁扼角环隔绝等。

当下，在一些非常不稳定的电场中，也会使用硫酸盐木纸浆直接成形的方式来规避电场波动，提升击穿场强特性。为提升耐热特性，使用聚芳基酰胺纸为绝缘材料的新型工艺，对于干式以及油浸式变压器等方面有较好的应用，也可以大大提升机械特性。绝缘纸在变压器中的应用，可以很好的提升变压器的各方面特性，提升整个组合的绝缘效果。由于绝缘纸气隙大且吸水性较高，因此经过干燥浸润之后，吸潮效果明显但速度相对较低。当吸湿量达到特定值时，则此时击穿电压会瞬间降低。

故而，在设备出厂之前，务必将变压器中的水成分降低至一特定区间内，纤维的水成分也应当降低至特定范围中。此外，如若现场需要进行吊心时，则应当在天气较好、空气干燥的时候，尽可能的降低其裸露时间。针对长期不工作的设备再次投入运行之前，应当对其内部含水情况是否满足要求进行判定，针对不满足运行条件的，则应当对其进行初步预热之后再次启动运行^[13]。

3.3 油屏障绝缘应用

基于绝缘材料所加工而成的屏障，其自身绝缘特性可以不进行特定的要去，主要依托其阻截载流子作用。通常架设在电晕之间，使得整个气隙电场能够均匀的得到分布，规避杂质小桥的产生，拉高有间隙的击穿特性。油屏障绝缘的覆盖层，通常在曲率半径较低的电极上盖上一层绝缘材质，该较薄的绝缘层可以达到较好的规避泄露电流的效果，从而抑制电场注重的杂质小桥的生成，大大提升了工频的整个击穿电压，对于不均匀或者非常不均匀的电场中，可以大大改善其击穿电压，因此充油设备往往存在较少的裸露导体。

绝缘层，则主要是指在曲率半径相对较小的电极上覆盖一层绝缘层，从而可以大大降低其表面场强，并提升间隙的工频以及击穿电压值。在一些静电板上通常可以会覆盖非常厚的绝缘层，并以此提升其绝缘特性。屏障层，主要是指在油间隙之中加入规格较大且形状以及电极较为相似的纸筒以及纸板质地的隔板，从而规避杂质小桥的产生，并可以较好地均匀整个电场，在一些非常不稳定的电场中也能起到较好的屏障保护效果^[14]。

4、结论

变压器主要起到电能的转换与输送作用，是整个电力系统的核心设备之一。而随着社会用电需求的增加以及经济发展，对于变压器的使用需求也越来越高，同时也提出了更高的运行要求。为了满足不断增加的使用需求，现代变压器的容量也是越做越大，由此对其绝缘特性以及运行稳定性也提出了更高的技术要求。绝缘材料是变压器生产制造过程中重要的原料之一，本文分别就绝缘材料的特性、等级以及一些常用绝缘材料的应用等方面进行讨论。实际变压器绝缘材料有多种，但在选择使用过程中应当依据不同绝缘材料的属性以及应用环境等的不同来决定其应用以及养护形式，从而确保整个变压器的可靠稳定运行。

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