張軍海，彭景偉，余小平，廖冬虹，葉 彪

（廣州市一變電氣設(shè)備有限公司，廣州 511450）

0 引言

干式變壓器的局部放電是引起絕緣老化并導(dǎo)致?lián)舸┑闹饕?。短時(shí)間的放電不會(huì)造成整個(gè)通道的介質(zhì)受損，而且放電的電解作用使絕緣加速氧化，并腐蝕絕緣，從而降低了變壓器的壽命。干式變壓器局放量嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，其使用壽命一般在5年內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)部絕緣老化而擊穿燒毀，運(yùn)行壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變壓器規(guī)定的運(yùn)行壽命，因此對(duì)干式變壓器局部放電量要嚴(yán)格控制。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1094.11-2007《電力變壓器第11 部分：干式變壓器》第22.5 款規(guī)定，干式變壓器局部放電水平的最大值為10 pC，隨著部分用戶對(duì)局放的要求越來越高，經(jīng)常出現(xiàn)合同規(guī)定局部放電量小于或等于5 pC，目前國內(nèi)變壓器廠家在澆注繞組時(shí)，凝膠階段繞組縱向溫度基本相同，即繞組軸向高度方向不存在溫度差，凝膠時(shí)繞組縱向同時(shí)釋放出大量應(yīng)力，樹脂易開裂，繞組內(nèi)部微量氣泡不易排出，繞組局部放電量容易增加，采用這種澆注工藝，對(duì)工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)控制要求高，繞組的局部放電量正?？煽刂圃? ～10 pC，但如果工藝控制不好，局部放電量會(huì)超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定10 pC 限值。為了進(jìn)一步降低繞組的局部放電量，把局放控制在5 pC以內(nèi)，有必要對(duì)環(huán)氧樹脂的特性進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化繞組澆注工藝，對(duì)繞組的凝膠工藝進(jìn)行改進(jìn)，在配套設(shè)備上采用溫度具有倒梯度功能的凝膠固化爐，凝膠時(shí)沿繞組縱向方向溫度從下到上逐漸降低，繞組從下往上分階段凝膠，降低樹脂凝膠時(shí)釋放的應(yīng)力，有效防止繞組開裂及排除繞組內(nèi)部的微量氣泡，降低繞組的局部放電量，把局部放電量控制在5 pC以內(nèi)。此繞組凝膠固化工藝是一種新工藝，目前還沒有廣泛應(yīng)用于變壓器行業(yè)中，現(xiàn)國內(nèi)已有部分設(shè)備廠家開始生產(chǎn)與此工藝配套的具有倒梯度功能的凝膠固化爐，已具備在行業(yè)內(nèi)推廣的條件。

1 環(huán)氧澆注樹脂特性分析

1.1 環(huán)氧澆注樹脂的成分比例

環(huán)氧澆注樹脂一般由兩組分構(gòu)成，即樹脂+固化劑，在樹脂和固化劑里面加入填料（硅微粉），以提高樹環(huán)氧澆注樹脂的機(jī)械強(qiáng)度和散熱能力［1]。由于填料的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)氧澆注樹脂，填料含量的多少直接決定環(huán)氧澆注樹脂的價(jià)格，在滿足澆注料性能的前提下，盡量增加填料的含量，從面獲得最佳的性價(jià)比。填料含量的多少，主要考慮的因素為：浸潤性好、填料沉淀少、成本低、綜合性能好。

填料含量與澆注料性能的關(guān)系曲線如圖1 ～4所示。

圖1 填料含量與收縮率的關(guān)系

圖2 填料含量與導(dǎo)熱率的關(guān)系

圖3 力學(xué)性能隨填料含量變化圖

由圖可知，當(dāng)填料含量為60%～65%時(shí)，綜合性能最佳，環(huán)氧澆注樹脂的機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能、散熱性能更好、沉淀少、收縮率及成本更低。

圖4 填料含量與沉淀的關(guān)系

填料一般為硅微粉，普通硅微粉表面有一層很薄的親水性的基團(tuán)，使用前雖經(jīng)干燥處理仍不能改變其吸水的特性，與樹脂結(jié)合后顆粒表面與樹脂之間會(huì)形成一層氣膜，有很多小氣泡，這將加速絕緣件的老化和影響電性能。普通硅微粉必須經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑的處理，其顆粒表面形成一層憎水性很強(qiáng)的薄膜，而這層膜與樹脂能發(fā)生化學(xué)鍵的結(jié)合，其間無氣膜產(chǎn)生，填料顆粒與樹脂結(jié)合的更緊密，因而其機(jī)械性能提高。

1.2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（凝膠溫度）的影響

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是指在在加溫過程中樹脂固化劑發(fā)生一定程度交聯(lián)反應(yīng)，體系粘度突然增大失去流動(dòng)性，由液態(tài)變成具有彈性的凝膠狀物質(zhì)的過程時(shí)的溫度［2]。不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的樹脂韌性及特點(diǎn)如表1 所示。凝膠溫度與反應(yīng)速度的關(guān)系如圖5 所示。由圖及表可知，當(dāng)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為80 ℃時(shí)比較合理，可以使工藝時(shí)間和控制反應(yīng)放熱的達(dá)到平衡，也即是說，低于80 ℃反應(yīng)太慢，生產(chǎn)效率低，溫度太高將導(dǎo)致反應(yīng)放熱太快，導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生［1]。

表1 不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的樹脂韌性及特點(diǎn)

圖5 凝膠溫度與反應(yīng)速度的關(guān)系

1.3 凝膠時(shí)間的長(zhǎng)短

凝膠時(shí)間主要考慮以下幾個(gè)因素：（1）保證足夠長(zhǎng)的可操作時(shí)間，特別是一個(gè)混料罐的情況下（希望凝膠時(shí)間長(zhǎng)）；（2）填料的沉淀（希望凝膠時(shí)間短）；（3）后固化的時(shí)間和生產(chǎn)效率（希望凝膠時(shí)間短）。對(duì)預(yù)加填料體系，凝膠時(shí)間不能太長(zhǎng)，凝膠時(shí)間太長(zhǎng)將導(dǎo)致填料在凝膠階段大量沉淀，因?yàn)榇藭r(shí)溫度高，粘度低，沉淀很快［3]。

1.4 凝膠固化后應(yīng)力的釋放

在凝膠和后固化過程中，樹脂和固化劑反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)由線性分子的液態(tài)變成了體型結(jié)構(gòu)的固態(tài)，由于體積的變化導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。如果固化后立即取出澆注件，由于固化爐與環(huán)境溫度溫差很大，將導(dǎo)致這種應(yīng)力的集中釋放，為了避免這種情況的產(chǎn)生，所以要逐漸降溫，好讓應(yīng)力慢慢釋放［4]。固化完成后要冷卻到50 ℃以下才從固化爐中取出澆注繞組，既保證了應(yīng)力的緩慢釋放，生產(chǎn)效率又不至于太低。

2 優(yōu)化工藝措施

通過對(duì)環(huán)氧澆注樹脂特性的分析，優(yōu)化改進(jìn)后的工藝措施如下。

2.1 凝膠固化爐要有溫度倒梯度功能

凝膠固化爐下部比上部要高8 ～10 ℃，如要求凝膠爐的溫度設(shè)定為80 ℃，如果凝膠爐的下部達(dá)到85 ℃，中部80℃，上部75 ℃，這將很大程度上減少由于樹脂收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，防止開裂，最大限度的避免澆注料內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，降低線圈的局部放電量［5]。

凝膠固化爐沿高度方向下部、中部、上部的溫度最好可以進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。

2.2 線圈凝膠采用倒階梯溫度工藝

此階段的工藝過程如下：裝有環(huán)氧樹脂澆注料的線圈包封模具的底部溫度加熱到80 ℃，裝有環(huán)氧樹脂澆注料的線圈包封模具的中部溫度加熱到（80-N）℃，裝有環(huán)氧樹脂澆注料的線圈包封模具的上部溫度加熱（80-2 ×N）℃后，在此階梯溫度保溫1 ～2 h；然后裝有環(huán)氧樹脂澆注料的線圈包封模具的中部和上部升溫到80 ℃和（80-N）℃，裝有環(huán)氧樹脂澆注料的線圈包封模具的底部保持80 ℃不變，在此溫度下保溫1 ～2 h；接著裝有環(huán)氧樹脂澆注料的線圈包封模具的上部升溫到80 ℃，裝有環(huán)氧樹脂澆注料的線圈包封模具的下部和中部保持溫度80 ℃不變，此時(shí)裝有環(huán)氧樹脂澆注料的線圈包封模具的下、中、上部的溫度均為80 ℃，在此溫度下保溫6 ～8 h，以對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行凝膠處理。以上N值一般取4 ～6。

以上是線圈分下部、中部、上部3 級(jí)倒階梯溫度進(jìn)行凝膠工藝處理，如果變壓器容量大，線圈高度較高時(shí)，可以沿線圈高度方向分4 級(jí)倒階梯溫度進(jìn)行凝膠工藝處理，其凝膠效果更好。這種凝膠方式有兩個(gè)好處：（1）在凝膠過程中，溫度越高，反應(yīng)越快，產(chǎn)生的應(yīng)力越大，應(yīng)力越大越容易導(dǎo)致開裂，本工藝采用分段式的凝膠，這樣環(huán)氧樹脂凝膠時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力也是分階段進(jìn)行，能夠減少應(yīng)力產(chǎn)生范圍，大大減少了應(yīng)力的產(chǎn)生，有效防止了開裂；（2）線圈真空澆注后其內(nèi)部存在微量空氣，一般線圈內(nèi)部氣泡的流動(dòng)是從下往上流動(dòng)的，由于裝有環(huán)氧樹脂澆注料的線圈凝膠從下至上的階梯溫度依次降低，此時(shí)環(huán)氧樹脂的凝膠按線圈高度方向從下往上的先后次序進(jìn)行，線圈內(nèi)部氣泡會(huì)一般是從下往上進(jìn)行移動(dòng)，此工藝有利于氣泡向上排出，這樣可以大大減少線圈的局部放電量，增加線圈的運(yùn)行壽命。

2.3 不同容量大小的線圈采用不同的凝膠固化工藝

凝膠階段應(yīng)在較低的溫度下有足夠的反應(yīng)時(shí)間，使反應(yīng)熱在較低的溫度下平緩地釋放，而不是在較高溫度下劇烈釋放。開裂是由應(yīng)力產(chǎn)生的，而應(yīng)力與反應(yīng)的放熱量有關(guān)，而放熱量與樹脂固化劑的量直線相關(guān)。在澆注大的變壓器線圈時(shí)，可以適當(dāng)降低凝膠反應(yīng)的溫度并延長(zhǎng)凝膠反應(yīng)的時(shí)間。如常規(guī)容量的變壓器建議的凝膠溫度為80 ℃，6 ～8 h，此時(shí)線圈的溫度沿線圈軸向分3個(gè)溫度區(qū)進(jìn)行凝膠，溫度沿線圈軸向由下往上遞減。而澆注大容量的變壓器時(shí)可以考慮75 ℃，8 ～10 h，此時(shí)線圈的溫度沿線圈軸向分4 ～5個(gè)溫度區(qū)進(jìn)行凝膠，溫度沿線圈軸向由下往上遞減。分階段固化對(duì)減少應(yīng)力防止開裂也是好的辦法。對(duì)常規(guī)容量的變壓器線圈建議分3 階段凝膠固化，80 ℃，100 ℃和130 ℃［6]，對(duì)大容量變壓器線圈可以增加一個(gè)固化溫度段，如75 ℃/ 8 ～10h + 90 ℃/3 ～5 h+110 ℃/ 3 ～5 h + 130 ℃/ 6 ～8 h［7]。

2.4 線圈凸臺(tái)區(qū)域增加玻璃網(wǎng)格和玻璃短切氈

線圈凸臺(tái)區(qū)域相比模具其他區(qū)域空間大，需要的樹脂量多，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)力大，因而是最容易開裂的地方。選擇合適的填充材料用于填充該區(qū)域［8]。如網(wǎng)格布和玻璃短切氈。在凸臺(tái)區(qū)域每隔2 ～3 cm 放一塊網(wǎng)格布是防止開裂的有效方法。

2.5 緩慢釋放環(huán)氧樹脂的內(nèi)部應(yīng)力

固化完成后緩慢降溫并盡可能降至當(dāng)時(shí)的室溫；特別在冬天時(shí)，因?yàn)槭覝氐?，如果此時(shí)開爐過早，溫差導(dǎo)致的應(yīng)力會(huì)很大。

2.6 線圈的澆注模具盡量避免尖角毛刺

模具轉(zhuǎn)角部分采用圓角過渡，圓角半徑不小于R5，從而避免樹脂在轉(zhuǎn)角部分應(yīng)力集中釋放引起開裂［9]。

2.7 線圈選擇合適的出爐溫度

凝膠固化完成后線圈應(yīng)在爐內(nèi)緩慢降溫并盡可能降至室溫出爐。特別在冬天時(shí)，因?yàn)槭覝氐?，如果此時(shí)開爐過早，溫差導(dǎo)致的應(yīng)力會(huì)很大，容易引起線圈開裂。

2.8 線圈在脫模時(shí)，用力要適度

線圈在凝膠固化完成后進(jìn)行脫模時(shí)如果施加的力太猛，容易引起線圈開裂，造成線圈局部放電量加大。

2.9 線圈繞線時(shí)，繞線模上的脫模劑要均勻適量

如果使用了太多的脫模劑，脫模劑滲透到玻纖中，造成樹脂無法滲透到玻纖中去，引起局部放電量加大。

2.10 線圈繞線時(shí)，線圈內(nèi)、外層的玻纖帶采用稀繞

如果玻纖帶采用密繞，環(huán)氧樹脂不容易浸透到線圈的層間和段間，從而引起局部放電量加大。

3 試制結(jié)果與分析

實(shí)際生產(chǎn)過程中，在夏季和冬季分別對(duì)同一套圖紙同一規(guī)格的SCB11-2000/10變壓器繞組用傳統(tǒng)澆注工藝和優(yōu)化改進(jìn)工藝進(jìn)行了試制，其局部放電量指標(biāo)如表2所示。

表2 傳統(tǒng)工藝與優(yōu)化改進(jìn)工藝?yán)@組性能指標(biāo)對(duì)照表

通過實(shí)測(cè)值比較，可以看出采用優(yōu)化改進(jìn)凝膠固化工藝的繞組，局部放電量可以降低5 pC以上，繞組的電氣性能顯著提高，增加了變壓器的使用壽命。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)繞組澆注的凝膠固化工藝目前廣泛應(yīng)用于變壓器行業(yè)，由于其使用的凝膠固化爐不具備溫度倒梯度功能，設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備造價(jià)低，該工藝具有一定的成本優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)是繞組的局部放電量控制在5 ～10 pC，且工藝控制的各個(gè)環(huán)節(jié)要求嚴(yán)格。優(yōu)化后的繞組澆注凝膠固化工藝與傳統(tǒng)工藝對(duì)比，具有一些明顯優(yōu)點(diǎn)，比如：凝膠時(shí)繞組縱向方向溫度分階梯控制，凝膠時(shí)樹脂釋放的應(yīng)力低，內(nèi)部微量氣泡易排除，繞組不易開裂等，凝膠固化后的繞組局部放電量可控制在5 pC 以內(nèi)，大大提高了繞組的運(yùn)行壽命。當(dāng)然，對(duì)于新工藝的使用，也有很多方面要不斷探索：對(duì)凝膠固化爐沿高度方向上階梯控制的溫度精度要求高，精度誤差要求控制在規(guī)定值的±1 ℃；由于目前具備溫度倒梯度功能的凝膠固化爐需求較小，設(shè)備成本較高；繞組在凝膠階段的時(shí)間比傳統(tǒng)工藝長(zhǎng)2 ～3 h。

傳統(tǒng)繞組澆注的凝膠固化工藝雖然能滿足目前國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)局部放電量的要求，但隨著用戶對(duì)局放要求越來越高，采用優(yōu)化后的凝膠固化工藝會(huì)越來越多。相信隨著凝膠固化爐的成本及溫度控制精度的進(jìn)一步提高，優(yōu)化后的凝膠固化工藝會(huì)得到更多變壓器廠家的支持和運(yùn)用。