树脂浇注干式变压器新气候、环境、燃烧特性及要求分析

2021-08-20张春喜卢达烽伦汉彬

机电工程技术 2021年11期

张春喜卢达烽伦汉彬

摘要：针对干式变压器新标准中的气候、环境和燃烧特性新规定进行了识别，并分析评估了新规定对应试验方法对变压器产品的影响和新要求。从产品设计、制造工艺和材料选择等3个方面分析了如何满足新特性要求并提出了相应的解决方案。根据分析结果及解决方案设计制造了一台标准中所规定最大可测容量的环氧树脂浇注干式变压器样机，并一次性通过了产品测试，结果表明所提出的分析结果和解决方案是正确有效的，可作为对气候和环境特性有更高要求变压器的设计和制造指导。

关键词：树脂浇注;干式变压器;气候;环境;燃烧特性

中图分类号：TM412文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0323-05

Analysis on New Climate，Environment，Combustion Characteristicsand Requirements of Cast-resin Transformer

Zhang Chunxi，Lu Dafeng，LunHanbin

（ Siemens Transformer （ Guangzhou ） Co.，Ltd.，Guangzhou 510530，China ）

Abstract：The climatic，environmentaland firebehavior characteristicsin new version dry-type transformer standard wereidentified，the influences and requirements from the corresponding testing methods were evaluated respectively.Analysis from product design，manufacturing technology and material combination point of view was implemented，and relevant solutions were proposed accordingly.A unit of the maximum rating power cast-resin transformer according to the testing limit was designed and manufactured based on the analysis results and proposed measures，and passed the product test at one time.The testing results show that the analysis results and proposed solution measures are correct and effective，and can be used as guidelines to design and manufacture dry-type transformer with higher climatic，environmental and fire behavior classes.

Key words：cast-resin;dry-type transformer;climatic;environmental;fire behavior characteristics

0 引言

樹脂浇注干式变压器自1965年发明以后，以其优异的环保和防火防爆特性得到了广泛的应用，特别是在需要深入负荷中心的场景，如楼宇、商场、酒店内等。此外不同的气候、环境条件对环氧树脂浇注干式变压器的耐受低温、潮湿等方面能力提出了要求。尤其是随着近年来社会工业的发展及人类活动范围的日益扩大，干式变压器的应用场景也变得越来越丰富，如遍布全球的陆地及海上风电场、远洋轮渡、海上钻井平台、极地科考等，这些对干式变压器的耐受气候和环境特性提出了更高的要求。

干式变压器标准[1-2]规定了干式变压器气候等级、环境等级、燃烧特性等级及对应的试验方法，其中2018版IEC 标准[2]根据近年来产品新应用场景规定了更高的气候等级和环境等级。刘四维，岑戎珍等[3-4] 说明了燃烧特性要求及相关产品设计思路，但未涉及干式变压器气候和环境特性。卢林刚，赵春霞，王绪文等[5-7]研究了一些助剂添加到环氧树脂后的阻燃作用，但未涉及助剂对树脂电气、机械、耐低温等方面的影响。Subhra等[8]研究了石墨片对树脂耐高温、电气和机械方面的增强作用，但未评估对耐低温性能的影响。史培建，胡俊杰，刘建秀等[9-11]开展了树脂耐低温能力的研究，但未涉及电气、机械和阻燃方面。王志伟等[12]则说明了填料对树脂固化后力学性能和玻璃化转变温度的影响，但未涉及电气和耐低温能力。

本文分析了新特性的具体规定、试验方法及其对干式变压器的要求，并且提出了针对性的产品设计及制造的要点，给满足新特性要求的产品设计制造提供了帮助。

1 气候、环境和燃烧特性新试验要求

如果在同一台变压器上进行则需按照气候、环境、燃烧性能测试的顺序依次进行，为防止采用针对性特殊设计而牺牲变压器的其他性能，2018版 IEC60076-11中特别明确了如果变压器宣称符合某些气候、环境、燃烧性能，则产品的设计原理、方法、材料及生产工艺须与通过测试的变压器样机一样，并且须能向客户提供通过测试样机的图纸、物料清单及例行试验报告[2]。考虑到燃烧测试中与实验室能力及燃烧能量相关的参数限制，2018版IEC60076-11中规定了燃烧性能测试最大的产品容量为1000 kVA，其电压等级为12 kV 或24 kV。当变压器容量超过1000 kVA或电压超过24 kV 时，只有当制造商具有1000 kVA/24 kV 样机按照规定的顺序通过完整的气候、环境及燃烧性能测试报告时，才可以认为其具有与报告中同样等级的耐受水平[2]。

1.1气候特性新要求

2007版GB 1094-11中将干式变压器运行、运输和贮存的气候等级分为两类，其中C1级是指变压器适合于在不低于-5℃的温度下运行，但其运输和贮存时温度可低至-25℃;C2级则要求变压器能适合于在低至-25℃的环境温度下运行、运输和贮存。2018版IEC60076-11中根据产品应用范围的扩展在2007版GB 1094-11的基础上增加了4个气候等级，如表1 所示，其中Cxy不规定具体气候的最低温度，需根据实际运行条件与用户和变压器制造商进行协商确定。

产品测试的方法与之前一样，先将变压器放入试验箱并在8h 内从室温降至规定的贮存温度±3℃后保持至少12 h 直至达到温度稳定状态，即温度变化小于1K/h。如果规定的气候等级其贮存温度与运行温度一样，则直接对产品进行热冲击测试。如果规定的贮存温度与运行温度不一样，则需在4h 内将变压器从贮存温度升至规定的运行温度±3℃，接着保持至少12 h 直至达到温度稳定状态后对其进行热冲击试验。热冲击试验时以两倍的额定电流对绕组进行热冲击，直至绕组平均温度达到2018版IEC60076-11表2中规定的各绝缘等级对应的绕组平均温升加上40℃（40℃为变压器正常运行条件中规定的最高环境温度）。如果因为绕组设计温升过低导致热冲击12 h 后绕组平均温度仍未达到规定值，此时可停止热冲击并判定热冲击试验已完成[2]。

热冲击试验可以采用直流法或交流法进行[2]。直流测试可以通过伏安法实时监控其电流值及绕组平均温度;而交流法不能实时监控绕组温度，只能断电后根据立即测得的电阻值来推算线圈平均温度，为保证冲击实验的有效性，即线圈平均温度不低于规定的平均温升加上40℃，在实际试验中往会使线圈温度稍高一些，以免因断电后达不到温度而需要二次冲击，因此采用交流法时绕组很可能会超出规定的热冲击值。另外由于高低压绕组的时间常数不同，为保证实验的有效性须使得升温慢的绕组到达规定的溫度时才能断电，此时升温快的绕组平均温度也将超出规定值。所以从热冲击测试的实施便捷性和测试温度的准确性方面说，建议优先选用直流法进行热冲击测试。热冲击试验完成后需将变压器温度升回25±10℃后对其施加工频耐压和感应测试，测试值可降为标准中规定值的80%。另外，变压器还需要进行局部放电测试，此时其激发电压不得超过1.6倍额定电压，但测试电压仍保持为标准中规定的1.3倍额定电压。通过上述电气测试后采用目视法观察绕组，如果绕组表面没有可见的裂纹或裂缝等异常现象，则可判定该变压器试品成功通过了该气候等级测试[2]。

1.2环境特性新试验要求

2007版GB 1094-11中仅规定了干式变压器的3个环境等级[1]，分别为E0级、E1 级和E2级。但2018版IEC60076-11中针对户内使用规定了5个不同的环境等级，其中前两个E0和E1级与2007版GB1094-11规定相同，E2级描述做了调整并新增了E3和E4级。对于超出E4级的凝露及污秽程度，客户和制造商需协商提供合适的防护外壳以保证产品的可靠运行。此外2018版IEC60076-11还针对通过配备户外式外壳而用于户外的3个不同环境等级，由于干式变压器用于户外的场景较少且户外环境等级测试周期达1年以上，因此本文只对户内使用的环境等级进行分析说明。户内使用环境等级测试要求如表2所示[2]。

2018版IEC60076-11除了新增E3级和E4级的电导率、湿度测试要求外，相比2007版GB 1094-11还有如下不同：（1）在凝露试验开始时变压器表面温度需比测试箱内环境温度至少低10℃，这可以通过预先将变压器放入气候测试箱内降低10℃或将环境试验箱内温度调整至高于变压器存放环境温度10℃，然后将变压器放入开始凝露试验，2007版GB 1094- 11中没有该规定;（2）喷淋水槽内的水温应至少比凝露试验箱内温度高8～10℃，也就是要比放入的变压器表面温度高18～20℃，这将极大地提高变压器表面凝露速度;（3）变压器在无励磁的情况下在凝露试验箱中相对湿度达到表2规定值后继续存放不少于2 h，而2007版GB 1094-11中规定为不少于6 h。这是因为2018版IEC60076-11中提高了喷漆水雾与变压器表面的温差，从而提高了冷凝速度，因此凝露时间可以缩短。由此可见，对于E2级，2018版IEC60076-11中虽然将其描述从“严重的污秽”改为了“轻度的污秽”，但其要求的实际使用环境没有发生改变，同时因为18～20℃的温差使得变压器表面凝露程度更高，导致从试验的角度来讲2018版IEC60076-11中的E2级比2007版GB 1094-11中的E2级甚至更严格。

凝露试验结束后应在5 min 内对变压器根据其在电力系统中是否接地进行不同的感应电压试验[2]。从试验条件来看，两者对变压器绝缘能力要求相差不大，因此考虑到试验报告的通用性，可以两个感应电压都做。对于E1级以上使用环境条件，还需进行湿渗透试验。该试验是将进行凝露试验后的变压器自然干燥或烘干，2018版IEC60076-11特别注明变压器表面在凝露试验后由于凝露干燥形成的残余物不得清除，然后将其放入温度为50±3 ℃、相对湿度为90%±5%的试验箱中静置144 h。静置结束后将变压器取出，停止湿渗透后最多不超过3 h 的时间内在普通环境条件下对其施加工频耐压和感应测试，测试值可降为标准中规定值的80%。被试产品须能通过上述电气测试并且目视检查产品外观没有明显的痕迹，如不可擦除的炭化、腐蚀现象等[2]。

1.3 燃烧特性新试验要求

干式变压器的燃烧特性包含两个方面：燃烧时腐蚀性及有害性气体检测和燃烧性能检测。前者通常在同一被试样品上取样检测，允许的限制应符合国家法规的要求;后者则须取变压器一个完整相的绕组、铁心柱和绝缘组件进行测试[2]。2018版IEC60076-11中针对燃烧特性及燃烧试验方面提出的主要新变化如下所述。

外部线圈的最大横断面尺寸须在400～500 mm，此处2018版IEC60076-11特别明确为保证试验时的燃烧能量，线圈不得小于上面规定的尺寸下限，并删除了2007版GB 1094-11中允许线圈大于和小于上述规定尺寸范围的描述。2018版IEC60076-11特意明确了电热辐射板温度偏差范围为±5℃，且顶部和底部温度都须测量并取其平均值作为试验时的控制温度，该规定保证整个辐射板温度都在要求范围内且温度一致，增加了试验的有效性和一致性。

2018版IEC60076-11特意对电热辐射板断电之后的温度趋势进行了说明：往后每10 min 测得的温度趋势应呈线性下降，但允许忽略温度趋势线上下方那些瞬时温度读数。试验开始60 min 后，在烟囱中测量段处的气体对环境温度不得超过80 K，不管此时试品上是否有可见火焰。2018版IEC60076-11不考虑60 min后是否有可见火焰，并且删除了2007版GB 1094-11中允许有由于热能存储导致较高温升的说明。这是因为线圈可能会由于探头附近区域燃烧未马上停止甚至在某个瞬间会比断电前更猛烈导致探头测得温度过高，但整体燃烧确实在趋于熄灭，更加符合真实情况。

2 气候、环境和燃烧新特性对树脂浇注干式变压器的要求

测试样机。

新的气候、环境及燃烧特性测试对树脂浇注干式变压器的绝缘系统提出了非常高的要求。首先目前常

用的环氧树脂绝缘系统多可满足之前2007版GB 1094

-11规定的最高气候等级C2，但对于更高气候等级的耐受能力缺少足够的研究和验证，因此需摸清自己所用环氧树脂绝缘系统的极限耐低温能力，如果不满足要求的更高气候等级，则需重新研发能耐受更低环境温度的绝缘体系并进行验证。同时2018版IEC60076-11特别规定了证书适用产品的电流密度和绝缘等级不得高于获得证书的变压器试品电流密度及绝缘等级，因此在设计样品时为保证书的适用范围，需尽可能地提高其线圈电流密度和高压线圈的绝缘等级，而这将提高电流热冲击时的升温速率及考核温度值，亦即提高了测试通过的难度。其次更高的环境等级对产品的绝缘能力也提出了更高的要求，此外燃烧性能测试中明确规定了外部线圈的最大圆周直径不得超过500 mm，这对于1000 kVA/24 kV 产品的绝缘距离来说本身就是一种挑战，更何况还要同时兼顾满足更高环境等级对绝缘性能的更高要求。如果采用加厚绝缘的方式来保证绝缘强度，则会提高变压器通过燃烧测试的难度。因此2018版IEC60076-11比2007版GB 1094-11中更高要求的气候及环境等级，对干式变压器的设计制造提出了更高的要求。

2.1新气候等级产品的设计制造要点

（1）在产品设计选材时考虑线圈中各种材料（主要为铜或铝导体和树脂）的热膨胀系数，使其尽量接近以减少低温冷冻及热冲击过程中因线圈材料热膨胀系数不同而导致树脂开裂。线圈导体为铜或铝，其热膨胀系数可视为固定不可调的，因此可以通过树脂绝缘系统中增加填料、添加剂或改变树脂类型来获得与导体接近的热膨胀系数[8，12]。

（2）产品设计中考虑采用玻璃纤维编制成的网格等材料与树脂配合，一方面可以增加固化后树脂的机械强度，另一方面可以将树脂绝缘分隔成大量的小网格以均匀分散树脂受到的应力。

（3）如果采用交流法进行热冲击测试，则需考虑将高低压线圈的温升水平设计一致或接近，以免当温升低的线圈到过考核温度时温升高的线圈温度过高。

（4）线圈及模具结构设计合理以保证在真空浇注过程中树脂可充分渗透整个线圈内部，避免因产生气孔等浇注不充分现象，从而在低温冷冻或热冲击过程中出现开裂，或者在热冲击后的绝缘测试中出现局放过高甚至绝缘能力下降等问题。

（5）线圈真空浇注后使用科学合理的固化温度曲线，一方面保证树脂与固化剂发生充分的聚合反应，从而保证固化后的树脂性能，另一方面避免线圈固化及冷却过程中产生内应力而导致树脂开裂。

（6）在树脂系统中加入一些助剂以提高樹脂固化后的拉伸强度和弯曲强度[9-11]，从而提高树脂在温度变化过程中的抗开裂能力。

（7）也可以采用硅橡胶等新型材料代替树脂作为线圈的绝缘系统，但需考虑橡胶的高粘度对线圈结构和浇注固化工艺的要求。

2.2 新环境等级产品的设计制造要点

（1）干式变压器的低压线圈除了采用像高压线圈一样的树脂包封结构外，还有采用仅在端部进行树脂密封的结构，此时在设计时需注意低压线圈内外绝缘、散热气道的防潮能力及在高温凝露状态下的绝缘能力。

（2）干式变压器的高低压线圈通常通过垫块与上下夹件进行轴向和辐向固定，此时需考虑垫块会成为高压线圈与低压线圈和夹件之间的爬电通道，尤其在凝露后会有较多的盐份沉积在线圈表面，而这些沉积物须保留到湿渗透试验结束。因此在设计时需充分考虑垫块等连接结构的爬电距离，比如在垫块上设置伞裙或翼边等，亦或是采用不带垫块的连接结构。

（3）采用1000 kVA/24 kV 产品作为样机进行测试时，由于外部线圈外径不得超过500 mm 的限制，会导致高低压线圈之间的绝缘尺寸受限。考虑到凝露测试时喷雾的电导率高于空气，因此在设计时应充分保证必要的绝缘距离，比如可以将线圈轴向尺寸加高来减小辐向厚度，从而尽量增大线圈间及线圈与铁心间的绝缘距离。

（4）在进行凝露测试时通常采用添加氯化钠的方式来增加喷雾的电导率，这相当于给变压器进行了短时的高温盐雾试验。如上所述，凝露试验后会有较多的氯化钠结晶残留在变压器表面，直到湿渗透试验结束，这给变压器中金属部件的防腐蚀能力提出了较高的要求，考虑到实际场景中变压器的使用寿命，在产品制造时需采用适当的表面处理方法使其具备优异的防腐蚀能力。

2.3 产品燃烧方面的设计要点

（1）产品在设计时减少可燃物的用量，树脂、匝绝缘、层绝缘等大多为可燃物，测试时会被酒精火焰点燃，同时电热辐射板的750℃高温会增加可燃物的燃烧程度，因此在设计时减少可燃物的用量是一种思路[3]。

（2）酒精燃烧时外焰温度最高，约为600～700℃，外焰高度一般为4～5 cm，燃烧测试时酒精液面距绕组高度为40 mm，因此在燃烧测试时是温度最高的外焰来点燃绕组。此外，由于电压的关系，铁心与低压之间距离较小导致通风量小，再加上铁心本身不燃烧且能在绕组燃烧时吸收热量，因此铁心和线圈温度相对不高且变化较慢。相反，高低压线圈之间绝缘距离较大，通常还需在高低压线圈之间布置一个绝缘筒来加强绝缘，因此处燃烧程度较高，在设计时需要考虑低压外绝缘、高压内绝缘、绝缘筒的燃烧特性及用量。

（3）在树脂绝缘系统中使用玻璃纤维及石英粉填料，玻璃纤维和石英粉为不可燃烧的无机物，不仅在酒精和电热辐射板的作用下不会燃烧，还会吸收来自热源的能量，减轻可燃物质的燃烧程度[3-4]。

（4）在设计树脂绝缘系统时，也可以通过增加阻燃材料来提高变压器的防火能力[3-7]，比如三水合氧化铝或氢氧化铝在燃烧时生成的水一方面可以吸收大量的热能，同时水蒸汽又可在某种程度上隔绝燃烧气体，另一方面生成的氧化铝会催化聚合物的热氧交联反应并在其表面生成一层炭化膜来减弱燃烧时的传热、传质效率，从而起到阻燃的效果，此外氧化铝因能吸附烟尘颗粒还具有消烟的作用。而红磷、聚磷酸铵、磷酸酯等磷系阻燃剂在燃烧时通过在材料与氧化剂、热源之间形成隔离膜达到阻燃效果，隔离膜或者由其热降解产物促使聚合物表面快速脱水炭化的炭化层形成，或者由其在燃烧温度下分解成不挥发的玻璃状物质包覆在聚合物表面形成。

（5）硅橡胶本身可燃，但在其中添加少量的抗燃剂后便具有良好的阻燃性和自熄性。且因硅橡胶不含有机卤化物，因而在燃烧时不冒烟或放出毒害性气体。

（6）低压线圈采用与高压线圈同样的树脂包封结构时，其阻燃设计可以参照上面所述措施，但当低压线圈采用仅端部树脂密封结构时，低压线圈的层间通常采用预浸复合材料将各层导体粘结成一个刚性整体，此时低压的燃烧程度将远高于高压线圈。因此可以采取端部用改良的阻燃树脂、采用难燃或不燃气道撑条、玻璃丝布外层绝缘等措施进行设计制造。

（7）铝的熔点约为660℃，当非树脂包封低压线圈采用铝导体时，铝导体及出线排在绝缘材料燃烧过程中会产生熔滴，有可能会破坏原有的阻燃改善措施，并额外引燃与导体相邻的绝缘材料。因此在这类低压线圈设计时需考虑对铝导体的保护。

3 产品验证

某企业于2020年按照上述分析及设计制造思路生产了一台容量为1000 kVA、最高电压为24 kV 的树脂浇注干式变压器样机。样机的高低压线圈均采用箔绕结构，其中高压线圈采用带填料环氧树脂完全包封，而低压线圈仅在端部用树脂进行密封，样机于2020年7月通过了C3E3F1的测试，充分说明了上述分析及设计制造措施的有效性。

4 结束语

本文采用对比分析的方法着重介绍了树脂浇注干式变压器的气候、环境及燃烧特性新要求，同时对新标准中变化点及其对产品的要求进行了详细说明，此外还有针对性地提出了产品设计制造的关注点及研发措施。试制了一台标准中规定最大容量和电压的树脂浇注干式变压器样机，一次性顺利通过了第三方权威机构的C3E3F1测试，充分验证了分析措施的正确性和有效性。本文未就符合C3E3F1要求的更多方案进行验证，也未对比C3E3F1更高等级要求气候、环境和燃烧特性方面的具体设计制造细节及其有效性实施进一步的开发，后面将开展相关工作。

参考文献：

[1] GB 1094.11-2007.电力变压器第11部分：干式变压器[S].

[2] IEC 60076-11.Edition 2.02018-08 Power Transformers -Part11：Dry-type transformers [ S ].

[3]刘四维，曾庆赣.干式变压器F1级燃烧特性试验介绍[J].变压器，2001，38（6）：21-25.

[4]岑戎珍.淺淡环氧树脂干式变压器的燃烧特性[J].变压器，1996，7（9）：28-31.

[5]卢林刚，殷全明，王大为，等.双酚A 双（磷酸二苯酯）/聚磷酸铵膨胀阻燃剂对环氧树脂阻燃性能研究[J].中国塑料，2008，22（5）：38-43.

[6]赵春霞，邓利民，黄志宇.氧化石墨烯与Si-P 低聚物在环氧树脂中的协同阻燃作用[J].高分子学报，2015，4（4）：382-389.

[7]王绪文，程伟，李景瑞.阻燃剂对双酚A 型环氧树脂阻燃和粘接性能的影响[J].材料开发与应用，2019，34（1）：93-97.

[8] SubhraGantayat，GyanaranjanPrusty，DibyaRanj an Rout，et al.石墨片对环氧树脂的热学、力学和电学性能影响[J].新型炭材料，2015，30（5）：432-437.

[9]史培建，黄洪文.特种微特电机环氧树脂灌封料的研究[J].数字化用户，2019，25（14）：244.

[10]胡俊杰，郭翔，邹祖桥.大功率变压器环氧树脂灌注线圈低温防裂工艺研究[J].磁性元件与电源，2017（2）：153-154.

[11]刘建秀，卢中宁，宁向可.纳米SiO2 改性环氧树脂复合材料的低温力学性能研究[J].化工新型材料，2009，37（4）：68-69.