干式電力變壓器凝膠固化爐的優(yōu)化設計

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)量主要指標之一，局部放電量超標時，會影響變壓器的運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，沿線圈高度方向上的溫度基本是一致的，凝膠時整個線圈同時釋放出大量的應力，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，同時配合工藝對凝膠固化爐的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，保證凝膠固化爐滿足優(yōu)化后的工藝要求，達到沿線圈高度方向分階段凝膠和分階段釋放應力的目的，最大限度地降低樹脂凝膠時釋放的應力，避免線圈在凝膠固化時開裂和在線圈內(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)，遠低于國家標準規(guī)定的10 pC 限值，可以大幅度提高變壓器的運行壽命。

關鍵詞：變壓器;倒梯度;凝膠固化;局部放電;開裂

中圖分類號：TM412????? 文獻標志碼：A? ?????文章編號：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，越來越多的干式電力變壓器進入非洲市場，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)達國家的標準執(zhí)行，在簽定合同時，一般會要求變壓器的局部放電量小于或等于5pC，對局部放電量的要求非常嚴格。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，當變壓器按傳統(tǒng)工藝澆注線圈時，凝膠工藝階段線圈沿高度方向溫度相同，會同時釋放出大量的應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)標準要求的10pC限值，但局部放電量實測值在5～10pC范圍，達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，要采取一定的措施。線圈的凝膠固化工藝對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，對線圈的凝膠固化工藝和與之配套的凝膠固化爐進行優(yōu)化，成為降低局部放電量的關鍵。本項目是非洲盧旺達世紀工業(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行凝膠固化，與采用傳統(tǒng)的凝膠固化爐工藝相比，凝膠時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，降低樹脂凝膠時釋放的應力，避免線圈在凝膠固化時開裂和在線圈內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，從而降低變壓器局部放電量[3]。

1 產(chǎn)品技術條件

產(chǎn)品主要技術要求如下。

產(chǎn)品型號為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)組標號為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%;負載損耗小于或等于21000 W;聲級水平：聲壓級小于或等于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)溫度等級為F。

其中，空載損耗、負載損耗、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，應考慮線圈的實際工況，如樹脂反應放熱量、線圈直徑及高度、凝膠固化爐的傳熱方式和導熱效果等，根據(jù)這些實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序膠固化工藝時序如圖1所示。

2. 2 溫度對環(huán)氧澆注樹脂擊穿強度影響

通過對同一厚度多個環(huán)氧澆注樹脂樣塊的擊穿電壓試驗發(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]。變壓器在實際運行時，線圈的溫度較高，樹脂的擊穿電壓必須留足夠的設計裕度，否則會增加變壓器的局部放電量。

2. 3 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg 對凝膠的影響

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg 是線圈凝膠固化工藝重要的一個參考指標，是樹脂由高彈狀態(tài)向玻璃狀態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度值，Tg 值越大，樹脂的耐熱性能越高，機械性能越好，但樹脂在凝膠固化時釋放的應力越大，線圈容易開裂，造成局部放電量增加[7]。反應速度與凝膠溫度的關系如圖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，反應放熱和凝膠時間可達到比較理想的平衡點，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于80℃，反應太慢，生產(chǎn)效率低，樹脂容易產(chǎn)生沉淀，溫度太高將導致反應放熱太快，應力在短時間內(nèi)大量釋放，線圈容易開裂。

2. 4 凝膠時間對澆注工藝的影響

凝膠時間是指環(huán)氧樹脂由流動的液態(tài)變成不流動時的固態(tài)所經(jīng)歷的時間，凝膠時間越短，應力釋放的速度越快，樹脂越容易開裂，但凝膠時間過長，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)實際經(jīng)驗，凝膠時間控制在6～10 h 左右最佳[8]，凝膠時間與線圈的體積成正比。

2. 5 固化時間對澆注工藝的影響

是指樹脂由凝膠點到完全固化所經(jīng)歷的時間。固化時間一般是按時間梯度進行，根據(jù)實際經(jīng)驗，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，時間上選擇的原則是體積較大的線圈固化時間較長[9]。

3 技術方案

3. 1傳統(tǒng)技術方案

（1）傳統(tǒng)凝膠工藝

線圈在凝膠階段時，沿線圈高度方向上的溫度基本是一致的，凝膠溫度均為80℃，時間6～10 h，這種工藝方式，線圈凝膠時會同時釋放出大量的應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

加熱時爐內(nèi)部沿高度方向溫度基本一致，當爐溫達到80℃時，線圈樹脂同時凝膠固化，產(chǎn)生大量應力，會導致絕緣層產(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)，但試驗測試時局部放電量會變大，影響到產(chǎn)品的運行壽命[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)高度方向分階梯進行倒梯度控制，實現(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，凝膠時間共計8 h，線圈在凝膠階段，溫度沿線圈高度呈倒梯度時行。這種凝膠方式，是沿線圈底部、中部、上部分階段進行凝膠而釋放應力，不是按傳統(tǒng)工藝線圈沿高度方向同時釋放應力，可以大幅度降低線圈開裂的可能性，達到降低線圈局部放電量的效果[12]。爐內(nèi)溫度進行精準控制，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特的熱風循環(huán)、自動智能控制工藝全過程的干式變凝膠專用固化設備。固化爐頂部設置變頻控制的大風量低噪聲耐溫型離心式風機，由3臺熱風循環(huán)風機+2臺冷風進風機+1臺廢棄排氣電機組成。加熱室設置在內(nèi)膽兩側(cè)及底部風道內(nèi)。凝膠階段，三面同時加熱，通過智能溫控系統(tǒng)與電動風閥執(zhí)行的配合控制，調(diào)節(jié)冷熱風量的比例，從而使爐內(nèi)的溫度從下往上具有3～5℃的遞減趨勢，達到倒梯度的效果[13]。固化階段，工作時工作室內(nèi)采用左右風道下部（約1/3高度）及可調(diào)式出風口出風的方式，垂直向上送風，使工件外部各個部分同時受熱;在工作室內(nèi)熱風與工件進行充分熱交換后均勻回流到頂部吸風室，然后再經(jīng)風機送入兩側(cè)風道內(nèi)（加熱室）再次加熱，周而復始。由于采用了大風量，高風壓的循環(huán)風機進行強迫式熱風循環(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)室溫度達到工藝要求。

該設備可廣泛應用于生產(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，特別適用于對局部放電量要求較低的場合。

（2）倒梯度凝膠固化爐特點

采用程序智能溫控儀AI518P，PID 參數(shù)自整定，固態(tài)繼電器+周波控制器無觸點連續(xù)調(diào)功，參數(shù)設置完畢后自動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。針對高質(zhì)量干式變壓器的特性和溫度要求，采用獨特的風量控制系統(tǒng)及更加合理的熱風循環(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，線圈干燥、樹脂澆注、凝膠固化等工藝過程非常關鍵，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固化收縮，會有應力產(chǎn)生，可能導致絕緣層產(chǎn)生裂痕（有的可能肉眼看不到）及表面有收縮的條紋，試驗測試時局放數(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，尤為關鍵。現(xiàn)通過不斷地研究、試驗，吸收和消化國外的先進技術，成功研制出倒梯度固化爐（溫度在垂直方向上實現(xiàn)可控制的梯度均勻遞減）。這種新一代干式變專用生產(chǎn)設備，是變壓器行業(yè)固化爐理想的升級換代產(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方案說明。

4 試制工藝

本次試制樹脂材料采用江特8968A （ H 級）和8968B （ H 級），比例1∶1，根據(jù)我司使用江特樹脂的實際經(jīng)驗，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

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

通過實測值對比，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個梯度進行凝膠。線圈高度越高，采用倒梯度工藝的效果越好。當變壓器容量大于或等于8000 kVA 時，凝膠時可以考慮沿線圈高度方向分4個梯度進行凝膠，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)，遠遠低于國家標準規(guī)定的10 pC 限值。本次研發(fā)設計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，線圈底部、中部、頂部的溫度誤差范圍實際控制在±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)設計的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線圈進行凝膠固化，局部放電量實測值A 相為3pC，B、C 相為4pC。該產(chǎn)品在非洲已經(jīng)安全運行2年，運行狀況良好。運行1年后，對該變壓器的各項性能進行了復試，局部放電量實測值和出廠時的數(shù)據(jù)保證一致，獲得了用戶的好評，產(chǎn)品局部放電量達到國際先進水平，為公司后續(xù)產(chǎn)品進入非洲市場打下堅實的基礎。

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第一作者簡介：張軍海（1969-），男，重慶人，大學本科，高級工程師，研究領域為電力變壓器、新能源變壓器、節(jié)能變壓器技術研發(fā)。

（編輯：刁少華）