環(huán)氧澆注高壓電子變壓器的絕緣設(shè)計(jì)

摘要：為了提高高壓電子變壓器的絕緣性能，變壓器高壓繞組宜采用心式、單線包結(jié)構(gòu)形式，用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行澆注，在實(shí)際應(yīng)用中，澆注厚度是理論值的1／3～1／4。同時(shí)為避免出現(xiàn)爬電或飛弧現(xiàn)象，在良好室內(nèi)環(huán)境條件下，外絕緣距離的設(shè)計(jì)一般為400 V／mm。然后再通過(guò)提高澆注工藝水平和調(diào)整固化方法以提高變壓器繞組抗開(kāi)裂性和降低局部放電，使變壓器的絕緣性能達(dá)到要求，變壓器能夠安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹(shù)脂；電子變壓器；絕緣設(shè)計(jì)；局部放電

0 引言
電子變壓器應(yīng)用十分廣泛，是各種電子產(chǎn)品中極其重要的部件，其質(zhì)量的好壞直接影響電子設(shè)備的可靠性。而變壓器的絕緣水平又是保證變壓器安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵所在，所以變壓器的絕緣設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時(shí)必須結(jié)合變壓器的應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境、性能指標(biāo)和工作狀態(tài)，對(duì)不同參數(shù)的變壓器采用不同的絕緣結(jié)構(gòu)及工藝方法，以求達(dá)到所需的絕緣性能。如何保證變壓器的絕緣性能達(dá)到要求，現(xiàn)做如下分析。

1 環(huán)氧澆注高壓電子變壓器絕緣設(shè)計(jì)需考慮的因素
1．1 絕緣電阻
絕緣電阻主要檢查變壓器絕緣系統(tǒng)的局部缺陷和普遍缺陷缺陷，是驗(yàn)證變壓器絕緣在常態(tài)、熱態(tài)、高溫和潮濕等環(huán)境條件下絕緣可靠性程度的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，也是決定變壓器抗電強(qiáng)度試驗(yàn)的主要參考依據(jù)。
1．2 抗電強(qiáng)度
抗電強(qiáng)度是考驗(yàn)變壓器絕緣系統(tǒng)承受暫態(tài)過(guò)電壓沖擊能力和絕緣系統(tǒng)是否存在潛在缺陷的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。為了證明變壓器的設(shè)計(jì)、選材和制造工藝的可靠性，必須要進(jìn)行的主絕緣可靠性試驗(yàn)。
1．3 局部放電
局部放電是變壓器線圈、絕緣內(nèi)部或表面兩電極間空氣在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，發(fā)生的局部、非貫穿性的放電。局放可使變壓器絕緣材料的電氣性能和機(jī)械性能下降，是導(dǎo)致絕緣材料老化的主要原因，將直接影響著變壓器的安全運(yùn)行和壽命。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)措施，不允許絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生較強(qiáng)烈的局部放電。
1．4 熱老化和熱壽命
熱老化和熱壽命是考核變壓器絕緣材料在變壓器工作溫度特性作用下，其絕緣、防潮、機(jī)械等性能下降直到失效這一過(guò)程的重要性能指標(biāo)。為了減緩絕緣材料的熱老化進(jìn)程，使變壓器絕緣有足夠的熱壽命，必須按變壓器工作溫度來(lái)選擇絕緣材料的耐熱等級(jí)。

2 環(huán)氧澆注高壓電子變壓器的絕緣設(shè)計(jì)
2．1 高壓繞組的絕緣結(jié)構(gòu)
(1)繞制絕緣。由于變壓器的高電壓或高電位的要求，繞組宜采用心式、單線包結(jié)構(gòu)形式。繞制時(shí)，采用分段(正、反)繞制，首尾相連的方法，以達(dá)到降低層間和組間的電壓，合理減少絕緣(如厚度)以達(dá)到減小變壓器體積的目的。
(2)出頭與絕緣。繞組出頭的絕緣距離，應(yīng)根據(jù)繞組工作電壓、鄰近出頭之間的電位差及變壓器的工作環(huán)境確定。如果出頭按常規(guī)排列狀態(tài)不能滿足絕緣要求時(shí)，可采用加強(qiáng)絕緣、翻頭、焊片打彎、高壓電纜、沉孔灌注(螺母)和加隔墻(板)等方式改變出頭位置，增強(qiáng)出頭的絕緣性能，加大電距離，達(dá)到有效防止爬電或飛弧的目的。
2．2 采用環(huán)氧樹(shù)脂的絕緣設(shè)計(jì)
由于變壓器次級(jí)對(duì)初級(jí)與鐵心間抗電試驗(yàn)往往高達(dá)幾千伏、幾十千伏，而其漏電流卻要求非常小，如果按照常規(guī)進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)和選用一般的絕緣材料是很難滿足要求的。而環(huán)氧樹(shù)脂不僅具有良好的電氣性能、機(jī)械性能和工藝性能，還是一種難燃、阻燃，對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性很強(qiáng)的材料。資料表明，環(huán)氧樹(shù)脂的固化產(chǎn)物具有優(yōu)異的電氣絕緣性能，擊穿電壓一般為35～50 kV／mm，體積電阻率為1013～1016Ω·cm。環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)品粘合力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、收縮率小、尺寸穩(wěn)定。在常溫下或稍微加溫后，便可以成為流動(dòng)的液體，容易與各種試劑互相混合，保證各種加工工藝的順利進(jìn)行，因此被廣泛應(yīng)用于變壓器，特別是高壓或高電位變壓器的灌注。
(1)絕緣厚度設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)氧樹(shù)脂的抗電強(qiáng)度與厚度關(guān)系是非線性的，取決于工藝水平，比較成熟的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是理論值的1／3～1／4。由于變壓器初、次級(jí)繞組的工作電位不同，其環(huán)氧澆注的厚薄差異很大，可對(duì)初、次級(jí)繞組分別進(jìn)行浸漬、澆注，而且高壓繞組在澆注前應(yīng)進(jìn)行真空絕緣浸漬，以達(dá)到提高機(jī)械性能、電性能的目的。但如果在初級(jí)繞組外采用同工藝制作的條形環(huán)氧樹(shù)脂墊塊定位后，再繞制次級(jí)高壓繞組，也可進(jìn)行一次性環(huán)氧澆注，能達(dá)到省時(shí)、省料的目的。
(2)外絕緣距離設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，變壓器高電位引出端至初級(jí)引出端、鐵芯及其緊固件之間，在沿著環(huán)氧樹(shù)脂固體表面或在極問(wèn)空氣中會(huì)出現(xiàn)爬電或飛弧現(xiàn)象，這與外絕緣距離的設(shè)計(jì)及使用環(huán)境條件有關(guān)，在一般良好室內(nèi)環(huán)境條件下，其安全絕緣距離通常為400 V／mm。另外，如果使電介質(zhì)表面電場(chǎng)均勻，可大大縮小飛弧的絕緣間距。如在環(huán)氧樹(shù)脂澆注線圈表面建立導(dǎo)電鍍層或半導(dǎo)電鍍層，蓋住銳邊的邊緣，使絕緣電極和非絕緣電極的不均勻電場(chǎng)重新分配(布)，以達(dá)到使介質(zhì)(環(huán)氧樹(shù)脂)表面電場(chǎng)均勻的目的。還可采用同種工藝環(huán)氧樹(shù)脂填堵繞組與鐵心之間全部空氣間隙，可解決其結(jié)合部位局部電場(chǎng)不均勻造成的電暈。
變壓器的高壓繞組采用環(huán)氧樹(shù)脂作為其基本密封絕緣后，具有良好的電氣性能、絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度，產(chǎn)品均具有難燃、自熄、防潮，抗震、防火，防塵，安全可靠等特點(diǎn)。

3 提高繞組抗開(kāi)裂性和降低局放
由于銅的膨脹系數(shù)為16×10-6／K，鋁的膨脹系數(shù)為24×10-6／K，它們與環(huán)氧樹(shù)脂的膨脹系數(shù)相差甚大，這樣純環(huán)氧樹(shù)脂與銅或鋁固化成一體后，在熱脹冷縮的作用下很容易發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，使樹(shù)脂絕緣損傷，機(jī)械性能下降，危及電氣性能，造成局部放電上升，使樹(shù)脂固化物老化、壽命減少。因此，防止樹(shù)脂澆注體開(kāi)裂，控制澆注體內(nèi)殘留氣泡的產(chǎn)生，使局放降低到最小限度是樹(shù)脂絕緣變壓器的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂與一定的填料物質(zhì)混合在一起固化后，不僅能減小固化體系收縮率和線性熱膨脹系數(shù)，而且還能有效地降低成本，增加固化體系熱傳導(dǎo)性能、提高樹(shù)脂固化體的耐開(kāi)裂和減小微局放。
3．1 采用帶填料的環(huán)氧樹(shù)脂澆注
加入不同的填料對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂固化物性能的改變各不相同，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的要求選擇不同的填料。
(1)以活性硅微粉為填料，不僅能降低固化收縮率與線膨脹系數(shù)，有效地防止固化物開(kāi)裂，增加固化產(chǎn)物的機(jī)械強(qiáng)度，更重要的是能大大降低高壓繞組的局部游離放電現(xiàn)象的發(fā)生。而且活性硅微粉能與樹(shù)脂反應(yīng)交聯(lián)，不會(huì)影響澆注工藝。因此被廣泛用于高壓變壓器的澆注中。
(2)以短玻璃絲氈為填料，固化物的膨脹系數(shù)可降低到(10～15)×10-6／K左右，這就與銅的膨脹系數(shù)較為接近，因此該類(lèi)型的澆注產(chǎn)品通常采用銅導(dǎo)體。同時(shí)，由于玻璃絲氈的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)大于環(huán)氧樹(shù)脂，因而使抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度提高。以短玻璃絲氈為填料的真空澆注線圈，其外包封厚度較薄，通常只有2 mm左右，散熱性能較好。但是整個(gè)線圈在制造過(guò)程中工藝要求嚴(yán)格，不得出現(xiàn)氣孔和浸透不勻現(xiàn)象。但是，對(duì)于各類(lèi)樹(shù)脂絕緣變壓器的線圈，膨脹系數(shù)這個(gè)因素并不是決定澆注體是否發(fā)生開(kāi)裂的惟一條件，同時(shí)要有高真空的設(shè)備和正確的澆注工藝來(lái)保證。
3．2 調(diào)整固化方法
澆注線圈在固化過(guò)程中，因固化收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力是不可避免的，但是選擇適當(dāng)?shù)墓袒瘲l件，可以在一定程度上減少固化內(nèi)應(yīng)力?？刹捎镁徛郎亍⒎植脊袒姆椒?，使固化物在緩慢的固化過(guò)程中能自行調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的分布，達(dá)到防止開(kāi)裂的目的，還可避免表面產(chǎn)生縮孔、凹陷現(xiàn)象。
此外，可對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂填堵部位進(jìn)行硅橡膠復(fù)蓋澆注或在澆注體固化后再降溫開(kāi)模，都可以達(dá)到防止開(kāi)裂的目的。
3．3 降低局部放電
局部放電指標(biāo)是用戶關(guān)心的一項(xiàng)性能指標(biāo)，也是變壓器生產(chǎn)廠家檢測(cè)設(shè)計(jì)制造水平的一項(xiàng)指標(biāo)，與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絕緣材料互配、環(huán)氧樹(shù)脂澆注料和澆注工藝有關(guān)。繞組內(nèi)部導(dǎo)線及焊接的尖角、毛刺，澆注過(guò)程中存在氣泡，導(dǎo)線及絕緣的裂紋和孔隙等是影響局部放電的關(guān)鍵因素。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)注意澆注真空度要符合技術(shù)規(guī)范要求，而且絕緣樹(shù)脂應(yīng)嚴(yán)格按工藝文件規(guī)定配比；嚴(yán)格檢查導(dǎo)線質(zhì)量，盡量采用耐壓高的漆包線，這樣樹(shù)脂的滲透性更好，避免氣泡產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)
變壓器的絕緣設(shè)計(jì)是保證變壓器安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵所在，為保證變壓器絕緣設(shè)計(jì)的科學(xué)、先進(jìn)、合理并達(dá)到最佳效果，采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行澆注，從絕緣結(jié)構(gòu)、絕緣厚度、外絕緣距離等方面著手，使變壓器的絕緣性能達(dá)到要求。當(dāng)然，若能改善工藝方法和提高澆注
工藝水平，則起到事半功倍的效果。