半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，世界上許多城市都以極高的速度向現(xiàn)代化發(fā)展，隨著城市的發(fā)展，供電負(fù)荷逐年增長(zhǎng)。為了確保安全，人們迫切需要一種既可深入負(fù)荷中心又無(wú)燃燒危險(xiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、防火、阻燃、防塵等特點(diǎn)，正好能夠滿足人們迫切需要。因此，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。
1 干式變壓器的種類和特點(diǎn)
1.1 浸漬絕緣干式變壓器
該種變壓器生產(chǎn)歷史最長(zhǎng)，制造工藝也比較簡(jiǎn)單，導(dǎo)線采用玻璃絲包，墊塊用相應(yīng)的絕緣等級(jí)材料熱壓成型，隨浸漬漆不同，變壓器絕緣分B、F、H、C級(jí)，主縱絕緣的空道全部以空氣為絕緣介質(zhì)。這類變壓器繞組制造工裝設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，但相對(duì)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(shí)，可能因?yàn)橹車沫h(huán)境因素產(chǎn)生的吸潮甚至凝露，使其絕緣水平大大降低，使用前必須進(jìn)行清理和干燥處理。該種變壓器技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能好，產(chǎn)品價(jià)格與樹(shù)脂絕緣的大體相當(dāng)。
1.2 環(huán)氧樹(shù)脂絕緣干式變壓器
環(huán)氧樹(shù)脂是一種早就廣泛應(yīng)用的化工原料，它不僅僅是一種難燃、阻燃的材料，且具有優(yōu)越的電氣性能，以后逐漸為電工制造業(yè)所采用。這種變壓器根據(jù)繞組包封方式可分為樹(shù)脂澆注和繞包絕緣兩大類。
樹(shù)脂澆注式的工藝特點(diǎn)就是必須靠模具并采用專用澆注設(shè)備，在真空狀態(tài)下使線圈澆注成型，它又有下列兩種類型。
無(wú)填料樹(shù)脂澆注。這種純樹(shù)脂澆注的干式變壓器內(nèi)外絕緣厚度一般為1.5～2 mm，屬于薄絕緣。目前我國(guó)使用的產(chǎn)品以這種結(jié)構(gòu)最多，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為變壓器高、低壓繞組內(nèi)外層用玻璃纖維增強(qiáng)，在真空狀態(tài)下采用環(huán)氧樹(shù)脂用模具進(jìn)行澆注，線圈導(dǎo)體外部形成富有彈性的既韌又薄的樹(shù)脂包封層，它可隨線圈一起膨脹和收縮，因而不再擔(dān)心會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。另外，由于包封絕緣層的厚度很薄，既達(dá)到了包封的效果，又減少了包封絕緣層的溫差，因而對(duì)改善澆注線圈的熱傳導(dǎo)是非常有益的。薄絕緣結(jié)構(gòu)還可以在線圈內(nèi)設(shè)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(shù)脂澆注。有填料樹(shù)脂澆注繞組，由于在樹(shù)脂中加入石英粉作為填料，可使樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度增加，膨脹系數(shù)減少，導(dǎo)熱性能提高，從而降低材料成本，且繞組外觀較好。有填料樹(shù)脂澆注又分厚層有填料樹(shù)脂澆注和薄層有填料樹(shù)脂澆注兩種形式。
厚層有填料樹(shù)脂澆注。早期的環(huán)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(jí)圓筒式繞組，繞組端部用樹(shù)脂澆注。高壓澆組采用分段圓筒式結(jié)構(gòu)在真空狀態(tài)下采用以石英粉為填料的環(huán)氧樹(shù)脂用模具進(jìn)行澆注。絕緣耐熱等級(jí)為B級(jí)，樹(shù)脂層的厚度一般為6～8 mm。當(dāng)變壓器運(yùn)行后由于發(fā)熱極易導(dǎo)致環(huán)氧澆注層的開(kāi)裂，并形成小的空氣隙，以致引發(fā)局部放電，這將嚴(yán)重威脅變壓器的運(yùn)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(shù)的進(jìn)步，厚絕緣就逐步為薄絕緣所代替。
薄層有填料樹(shù)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(dǎo)線繞制成分段圓筒式。高低壓繞組采用銅導(dǎo)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(tài)下采用以超細(xì)石英粉為填料的環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行澆注，但是這必須在嚴(yán)格的工藝與先進(jìn)的工裝下進(jìn)行，否則就會(huì)出現(xiàn)攪拌不均勻或者在澆注過(guò)程中發(fā)生石英粉沉積現(xiàn)象。低壓繞組內(nèi)層樹(shù)脂厚2.5 mm，外層2.5～5 mm。高壓繞組內(nèi)層樹(shù)脂厚2.5 mm，外層3.5～5 mm。絕緣等級(jí)為F級(jí)。
繞包絕緣。繞包絕緣干式變壓器又稱纏繞式樹(shù)脂全包封干式變壓器。繞組采用浸有樹(shù)脂的長(zhǎng)玻璃纖維絲用直繞和斜繞的方法把繞組包封起來(lái)。繞組在烘箱中邊旋轉(zhuǎn)邊加溫烘干。由于不需要模具，因此生產(chǎn)的靈活性較好。這種結(jié)構(gòu)的繞組防開(kāi)裂，抗短路能力優(yōu)于澆注變壓器。但是由于無(wú)模成型使繞組外觀比不上澆注式。另外繞組制造時(shí)對(duì)環(huán)境的要求較澆注式高，一般需要在空調(diào)間環(huán)境下繞制，其繞線操作比較復(fù)雜，效率比澆式低。
2 環(huán)氧樹(shù)脂澆注工藝特點(diǎn)
環(huán)氧樹(shù)脂澆注工藝屬于模注成型技術(shù)，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(diǎn)是：
繞組被固定在金屬模內(nèi)，注入的環(huán)氧樹(shù)脂混合料滲透至繞組各層間，將其固化成型，使之與導(dǎo)線、絕緣材料牢固地結(jié)合成一體，固化成型后的繞組具有極高的機(jī)械強(qiáng)度。
由于繞組和樹(shù)脂混合料均在高真空狀態(tài)下脫氣，所以固化成型后，繞組的局部放電量很低。
在凝膠過(guò)程中，保持一定的壓力，使補(bǔ)償罐內(nèi)的樹(shù)脂流入模腔內(nèi)，以補(bǔ)償因樹(shù)脂固化收縮引起的缺料，防止出澆注缺陷。在固化過(guò)程中，采用階梯固化工藝，使繞組的內(nèi)應(yīng)力降到最低，避免繞組開(kāi)裂。
3 環(huán)氧樹(shù)脂澆注材料的選擇和配方設(shè)計(jì)
環(huán)氧樹(shù)脂混合料的選擇應(yīng)從對(duì)產(chǎn)品的性能要求和澆注工藝性兩方面加以考慮。對(duì)于干式變壓器來(lái)講，由于繞組體積大，對(duì)電氣性能、機(jī)械強(qiáng)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(jí)一般要求達(dá)到F級(jí)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(dòng)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(shí)間。
3.1 環(huán)氧樹(shù)脂
澆注工藝中，可使用的環(huán)氧樹(shù)脂品種較多，但由于干式變壓器受技術(shù)條件和工藝條件的限制，因此對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的材料性能要求非常嚴(yán)格。如要求有機(jī)氯和無(wú)機(jī)氯含量必須低，因?yàn)樵诃h(huán)氧樹(shù)脂中若有機(jī)氯含量較高，則會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧固化物的電氣性能在高溫時(shí)降低；而在環(huán)氧樹(shù)脂中若存在無(wú)機(jī)氯，則會(huì)使環(huán)氧樹(shù)脂固化物的電氣性能在常溫下變差或使固化物開(kāi)裂。同時(shí)由于環(huán)氧樹(shù)脂中存在氯離子等雜質(zhì)，促使環(huán)氧樹(shù)脂混合料在澆注過(guò)程中凝膠時(shí)間縮短，使?jié)沧⒐に嚐o(wú)法順利進(jìn)行，導(dǎo)致混合料過(guò)早凝膠而報(bào)廢。
目前，用于澆注變壓器繞組的環(huán)氧樹(shù)脂基本上都是中粘度液態(tài)雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂。該樹(shù)脂無(wú)論是進(jìn)口的，還是國(guó)產(chǎn)的，其性能基本相同，均為高純度環(huán)氧樹(shù)脂。
3.2 固化劑
在環(huán)氧樹(shù)脂混合料中，由于環(huán)氧樹(shù)脂必須與固化劑交聯(lián)固化形成不溶，不溶的體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才能顯示出環(huán)氧樹(shù)脂優(yōu)良的電氣性能和機(jī)械性能。所以在環(huán)氧樹(shù)脂澆注過(guò)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(guān)系到澆注固化體系的主要性能，由于固化劑中的雜質(zhì)，揮發(fā)分及主要成分含量高低不一，不僅會(huì)使?jié)沧⑦^(guò)程發(fā)生異常情況，同時(shí)也會(huì)降低固化的電氣性能和機(jī)械性能，所以固化劑的選擇必須慎重，一個(gè)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(tài)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(jī)械性能，且價(jià)格也較低。但由于澆注工藝性差，如升華問(wèn)題、混合料溫度控制問(wèn)題、過(guò)濾器的堵塞問(wèn)題都難以解決，因此已被全液態(tài)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(gòu)化甲基四氫（或六氫）苯酐。
3.3 增塑劑
在環(huán)氧樹(shù)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(huán)氧樹(shù)脂固化體的脆性，防止固化體出現(xiàn)開(kāi)裂，滿足產(chǎn)品的性能要求。但是添加的份量不宜過(guò)多。因?yàn)樵诨旌狭现校S著增塑劑的增多，環(huán)氧樹(shù)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(huán)氧樹(shù)脂混合料中，增塑劑的分量應(yīng)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(wěn)定的材料，而且本身的粘度要小，有利于浸潤(rùn)、擴(kuò)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(cè)鏈型環(huán)氧樹(shù)脂；另一類為多元醇化合物。
3.4 促進(jìn)劑
促進(jìn)劑的主要作用是加速交聯(lián)固化反應(yīng)，調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間使之滿足澆注工藝的要求。同時(shí)，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(chǎn)生龜裂。
在高溫固化的混合料配方中，促進(jìn)劑的用量一般不應(yīng)超過(guò)0.5%，特別是像澆注變壓器繞組這樣大型澆注件，更需嚴(yán)格控制。因?yàn)檫@種澆注件所使用的混合料一次投料較多，一旦促進(jìn)劑過(guò)量，將使混合料很快凝膠固化而報(bào)廢。另外，即使?jié)沧⒛茼樌M(jìn)行，也將使環(huán)氧樹(shù)脂固化體在固化過(guò)程中，過(guò)早地凝膠導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)大分子不能繼續(xù)延伸而斷裂，造成固化體的開(kāi)裂。
3.5 色漿
在環(huán)氧樹(shù)脂混合料加入少量色漿，其目的是使?jié)沧Ⅲw獲得所需要的顏色。色漿必須在環(huán)氧樹(shù)脂中具有良好的分散性，優(yōu)良的耐熱性，對(duì)于F級(jí)干式變壓器來(lái)講，應(yīng)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(huán)氧樹(shù)脂固化體的電氣性能和其他綜合性能。
4 繞組結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)有澆注模具的適應(yīng)性
從澆注干式變壓器的設(shè)計(jì)、工藝和生產(chǎn)現(xiàn)狀來(lái)看，變壓器的高壓繞組一般采用分段圓筒式結(jié)構(gòu)，低壓繞組一般采用箔式或多根導(dǎo)線并繞層式結(jié)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用多根導(dǎo)線并繞層式結(jié)構(gòu)的低壓繞組在澆注過(guò)程常出現(xiàn)澆不透的現(xiàn)象。而分段圓筒式的高壓繞組卻很少出現(xiàn)這種現(xiàn)象，據(jù)分析發(fā)現(xiàn)繞組澆注不良的癥結(jié)，在于繞組現(xiàn)有的澆注模具的適應(yīng)性不好。
在未改進(jìn)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(jìn)行導(dǎo)線纏繞。在此纏繞過(guò)程中，導(dǎo)線將對(duì)繞組內(nèi)層絕緣玻璃絲布產(chǎn)生很大的壓力，使玻璃絲布比較緊密，其浸漬性能較差，導(dǎo)線纏繞過(guò)程中，由于沒(méi)有導(dǎo)線的壓力，外層絕緣的浸漬性能相對(duì)就比較好。
通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)觀察，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后內(nèi)、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(chǎn)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(shù)脂澆注干式變壓器繞組澆注質(zhì)量的提高，會(huì)使變壓器的局部放電水平和絕緣性能得到改善，延長(zhǎng)變壓器的使用壽命。
5 繞組澆注過(guò)程中應(yīng)注意幾個(gè)問(wèn)題
5.1 澆注料的配制
根據(jù)工藝配方配制澆注料，在配制時(shí)應(yīng)精確控制各組分加入的量，尤其是促進(jìn)劑，雖然加入量所占比例很少，但對(duì)固化反應(yīng)影響極大。促時(shí)劑的加入量與繞組結(jié)構(gòu)、體積有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，體積小的繞組，促進(jìn)劑的加入量可以多一些，反在少一些。加入的比例應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以確定。
5.2 澆注溫度的控制
根據(jù)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(dòng)性好，便于真空脫氣和在較短時(shí)間內(nèi)浸透澆注件，又能必須保證澆注材料的使用周期。如某環(huán)氧樹(shù)脂混合料加入促進(jìn)劑后在80 ℃時(shí)既可固化，在選用這種組分的環(huán)氧樹(shù)脂混合料時(shí)，其澆注溫度就不能超過(guò)80 ℃。在實(shí)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(guò)程中,真空度對(duì)消除混合料中的氣體和澆注品的質(zhì)量有直接影響。若真空度低，則應(yīng)延長(zhǎng)脫氣時(shí)間，但并不是真空度越高越好,因?yàn)樗軡沧⒉牧系娘柡驼魵鈮河绊?，就?huì)導(dǎo)致材料的揮發(fā)，引起混合料配比的變化，澆注品的質(zhì)量就無(wú)法保證，甚至報(bào)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(wěn)定的。
5.4 固化時(shí)間和固化溫度的控制
繞組澆注完畢，必須進(jìn)行固化處理。對(duì)于固化的工藝參數(shù)和過(guò)程，各廠都有自己的特點(diǎn)。但根據(jù)環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)特點(diǎn)和對(duì)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(shí)間一般為3～5 h，溫度控制在90～110 ℃之間。這時(shí)候的固化過(guò)程是混合料的液體狀態(tài)向固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程。前固化后的環(huán)氧樹(shù)脂呈彈性體,便于脫模，脫模后，澆注繞組必須進(jìn)行后固化處理，其目的是使環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)固化，使環(huán)氧樹(shù)脂最終形成不溶的固體。為了獲得最佳的電氣性能,這個(gè)階段的固化應(yīng)采用階梯固化，階梯的級(jí)數(shù)和溫度梯度可根據(jù)工件的大小來(lái)確定，升溫速率一般控制在每小時(shí)25 ℃以下，這樣可以避免因升溫速度過(guò)快，固化反應(yīng)激烈而造成應(yīng)力集中。
6 結(jié)束語(yǔ)
就干式變壓器的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)講，干式變壓器與油浸式變壓器相比，絕緣運(yùn)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(duì)防火要求一般的場(chǎng)所，目前及今后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，將仍以油浸變壓器為主。
就環(huán)氧樹(shù)脂膠澆注工藝來(lái)講，國(guó)內(nèi)已在這方面作了大量研究工作，并積累了豐富的制造經(jīng)驗(yàn)，該技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。隨著干式變壓器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和對(duì)性能要求的提高，環(huán)氧樹(shù)脂及其輔料的技術(shù)指標(biāo)要求也隨之提高，對(duì)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(jī)械性能的要求，除了合理設(shè)計(jì)環(huán)氧樹(shù)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(shù)，這樣就能保證澆注品的優(yōu)良性能，而這一領(lǐng)域的許多工作還有待進(jìn)一步的探索和研究，以不斷提高澆注工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量。
摘自：宋文華 現(xiàn)代達(dá)馳電氣股份有限公司
