（山东沂蒙抽水蓄能有限公司 山东省临沂市 276000）
摘要：抽水蓄能电站变压器主要有三类：主变压器、厂用变压器及SFC输入、输出变压器。除主变压器外，其他变压器均可采用干式变压器。干式变压器以其免维护、安装简便、综合运行成本低、防潮性能好等优势，在抽水蓄能电站中得到广泛应用。
关键词：变压器；绝缘材料；耐热等级
Dry type transformer in pumped storage power station application of static inverter system
LI Chengyu，GAO Dongxiang，QIAO Weili
（Shandong Yimeng pumped storage Co., Ltd.，Shandong，Linyi，276000）
Abstract：Pumped storage power station transformer has three main types: main transformer, transformer and SFC input and output transformer. In addition to the main transformer, the transformer can be used in other dry transformer. Transformer with its maintenance free, easy installation, integrated low operation cost, moisture-proof performance and other advantages, is widely used in Pumped Storage power station in.
Keywords：transformer；insulation material；temperature classification
0引言
2017年5月，中国成为世界上抽水蓄能装机容量最大的国家，装机容量达到2773万千瓦，在建机组2095万千瓦，规模也是世界第一。抽水蓄能电站变压器主要有三类：主变压器、厂用变压器及SFC输入、输出变压器。对于大容量、高电压等级的主变压器，电站只能采用油浸式变压器，因为以目前的工艺水平，干式变压器最高只做到35kV电压等级；对于容量相对较小、电压等级较低的厂用变压器，因为干式变压器具有运输方便、清洁、易维护等优点，电站大都采用干式变压器；对于容量相对较大、电压等级相对较高的SFC输入、输出变压器，目前大部分电站采用油浸式变压器，也有少数电站采用干式变压器（如西龙池、黒糜峰、琅琊山抽水蓄能电站）。本文将讨论干式变压器在SFC输入、输出变压器的应用。
1 SFC输入、输出变压器运行特点
静止变频装置（SFC）是抽水蓄能电站特有设备，采用可控硅、IGBT等电力电子元件组成的无转动部件的变频装置，是一种可以产生连续的、可变频信号的电源，用于机组抽水（抽水调相）工况启动，主要由输入单元、变频单元、输出单元、控制单元、辅助单元几部分组成。
根据国内抽水蓄能电站运行特点，机组抽水工况大都在电网低谷时间段，用于消纳风电及系统多余的电能。SFC只在机组抽水工况启动时运行，也就是说SFC输入、输出变压器大多数时间都在停电状态，而其他变压器（如主变压器及厂用变压器）或空载运行、或负载运行，在非检修状态下都带电，这是SFC输入、输出变压器区别于厂内其他变压器的最重要的一点。以4台300MW装机的抽水蓄能电站为例，每台机抽水工况启动大约需要7分钟，那么SFC输入、输出变压器每天的带电时间不会超过1小时，绝大多数时间，SFC输入、输出变压器都处于相对低温的状态下。这就对干式变压器的防潮性能提出了要求。
SFC输入变压器属于整流变压器，输出变压器属于逆变变压器，且每台机组抽水工况启动都伴随着SFC输入输出变的冲击、停电，变压器运行时间短、启动频繁。这也对干式变压器的抗冲击性提出了要求。
2干式变压器的发展轨迹
油，做为一种绝缘介质，曾广泛应用与电力电缆、断路器设备，由于充油设备的防燃、防暴性能差，所以油断路器和充油电缆也逐渐退出了历史舞台。随着城市电网供电要求的不断提高和变压器技术的进步，干式变压器在我国的使用已经很普遍。
2.1 SG型干式变压器
20世纪60年代以前的干式变压器主要是B级绝缘的敞开式干式变压器，产品型号为SG型。当初还没有箔式线圈时，低压多数为多根并绕的层式或螺旋式线圈，高压为饼式线圈，导线为双玻璃丝包线或单玻璃丝包缩醛漆包线，其余绝缘材料多数为酚醛玻璃纤维类材料。其浸渍工艺为常温、常压下用B级绝缘浸渍漆分别对高、低压线圈浸渍并进行中温干燥（干燥温度不超过130℃）。此种干式变压器虽然比油浸式变压器在防燃、防爆性能上有了很大进步，但它的防潮、防秽性能令人担忧，尤其是对于SFC输入、输出变压器这种长期处于停电状态的变压器，更应注意变压器的防潮性能。目前已不再生产。尽管如此，它成功的电、磁、热计算和结构设计却给以后发展起来的新H级绝缘变压器奠定了很好的基础。
美国的一些变压器厂研制出一种采用美国杜邦公司的NOMEX聚酰芳胺作主要绝缘的干式变压器。它的低压线圈为箔式或多根并绕层式，匝间绝缘和层间绝缘都采用NOMEX；高压线圈为饼式，导线也采用NOMEX纸包扎，线饼之间不用常规的撑条加垫块的结构，而采用梳状撑条，这样使得饼间的最高电压降低了一半，也大大提高了高压线圈的轴向抗短路能力。
在欧洲，干式变压器的发展比较多样化，除了环氧树脂真空浇筑和缠绕工艺外，其他还有类似于我国SCR型非浇注固体绝缘包封式变压器和SG型敞开通风式变压器的品种。
表1 不同SG型敞开式干式变压器绝缘材料的区别
Tab. 1 The difference between different SG type open type dry transformer insulation material
2.2 SC及SCB型干式变压器
从上世纪八十年代中期，广东顺德特种变压器厂率先从德国引进了环氧树脂浇注型干式变压器以来，干式变压器在国内得到了非常快速的发展。截至到2000年，全国共生产干式变压器1250kVA，其中绝大多数是F级环氧树脂浇注型变压器。2000年以后，国内又出现了以杜邦NOMEX纸为主绝缘的材料的H级OVDT型干式变压器，与传统环氧树脂浇注型干式变压器相比，这种OVDT型干式变压器体积更小，重量更轻，耐热等级更高废旧线圈容易回收等环保方面的特性。
干式变压器的最关键技术之一就是绝缘材料的选择，它们的品种也很多，一些厂用的绝缘材料、耐热绝缘等级与温度的关系见表2。
表2 绝缘材料的部分技术参数
Tab. 2 Some technical parameters of insulating materials
至于干式变压器在哪个部位选用何种绝缘材料，不能仅仅根据几项指标来定，而应当综合考虑其机械强度、加工的难易程度、电气性能及阻燃效果等。
变压器的设计人员在选择各部位的材料时，应充分考虑它们之间的相互配合，为了使电厂趋于均匀，须选择介电常数比较接近的材料。干式变压器周围介质是空气，介电常数接近于1，所以绝缘材料的选择势必要选择介电常数越小的材料越好。玻璃纤维和陶瓷都是无机材料，并且有很高的绝缘等级（C级），价格也较低，可它们是一种脆性材料且介电常数较大。其他如SMC、和环氧树脂等虽然有很好的电气强度，但由于它们介电常数大，在电厂中承担不着高场强，而电气强度差的空气却要承担高场强，因而易被电离或击穿。因而这些材料只能用于非关键部位。
NOMEX绝缘材料虽然价格较高，但确是一种高品质的绝缘材料。它不仅有卓越的力学和电气性能指标，而更为突出的是这些指标对周围湿度和温度不敏感。它在高温、低温以及较大湿度、严重盐雾污秽的情况下仍有优良的性能，这依赖于它稳定的分子结构和化学性能。它有很好的电气强度，又有很低的介电常数；它有很好的机械强度，不脆又易于机械加工；并且有很多规格，便于选择。
以常用的牌号T-410，厚度为0.25mm的NOMEX纸为例，按美国材料标准ASTM相关要求和监测方法分别对它在不同的湿度、温度下的电气性能和力学性能进行监测，其结果分别列于下表。
表3 湿度对NOMEX纸电气性能的影响
Tab. 3 Effect of humidity on the electrical performance of NOMEX paper
表4 温度对NOMEX纸电气性能的影响
Tab. 4 Effect of temperature on the electrical properties of NOMEX paper
表5 湿度对NOMEX纸力学性能的影响（沿轧纸方向）
Tab. 5 Effect of humidity on the mechanical properties of NOMEX paper（Along the rolling direction of pape）
表6 温度对NOMEX纸力学性能的影响（沿轧纸方向）
Tab. 6 Effect of temperature on the mechanical properties of NOMEX paper（Along the rolling direction of pape）
我们在上述表中可以看出，温度与湿度对NOMEX纸的电气性能影响较小；随着湿度与温度的增加，纸的延伸率得到改善。
NOMEX纸在300℃时的限氧指数还大于20.8%，有很好的阻燃性，即使在被燃烧时，在烟雾中检测不到有害物质，安全性好。用它制造的干式变压器可以像油浸式变压器那样检修，寿命结束后能降解回收，环保性好。
3 SFC输入、输出变压器的选型
3.1油浸式变压器
油浸式变压器的绝缘耐热等级大多为A级，是因为油浸式变压器都配套相应的外循环水冷却系统，对绝缘介质的耐热性要求较低。
根据抽水蓄能电站设备布置特点，SFC输入、输出变压器大多与主变压器布置于同一层，这也有利于事故油池位置的选择；另外，油浸式变压器造价低、制造工艺成熟，所以大多数已建成电站大多选择油浸式变压器。
油浸式变压器的冷却方式为油循环冷却，采用油道散热，所以每台油浸式变压器都要附带油箱，它的特点是散热性能好。但是与干式变压器相比较，油浸式变压器防火、防暴性能差，需经常维护，定期检测油样，且对环境有一定污染。
3.2干式变压器
干式变压器产品的特点为安全、难燃、防火、无污染，可直接安装在负荷中心；免维护、安装简便、综合运行成本低；防潮性能好，可在100%湿度下正常运行，停运后不经预干燥即可投入运行。损耗低、局放量低、噪音小、散热能力强，强迫风冷条件下可以150%额定负载运行；配有完善的温度保护控制系统，可进行变压器三相巡检，控制冷却风机的启停，为变压器的安全稳定运行提供了可靠的保障。
目前的干式变压器的制造工艺已经很成熟，从绝缘处理、冷却系统、保护系统等都有可靠的保障。
表7 干式变压器常见的五种工艺的区别
Tab. 7 The difference between five types of technology of dry type transformer.
目前广泛应用的是用环氧树脂真空浇注干式变压器，其高压侧使用环氧树脂浇注，低压测使用NOMEX纸包绝缘，其电压等级可达到35kV，绝缘耐热等级可达到H级。
3.3干式变压器与油浸式变压器对比
干式变压器一般适用于配电系统中，容量小，目前电压等级最高到35kV电压等级，最大容量可达到50000kVA；而油浸式变压器可以从小到大做到全部容量，电压等级也做到了所有电压等级，所以目前从用量来说，还是油变较多.
就冷却系统而言，大容量的油浸式变压器都配置强迫油循环水冷系统，部分小容量变压器配置散热片，采用强迫风冷或自然风冷；环氧树脂浇注的干式变压器配有风机及加热器，根据变压器线圈及铁芯温度自动启停，由于干式变压器的绝缘耐热等级较高，所以冷却系统相对简单。对于变压器线圈、铁芯的温度控制，干式变压器远不及油浸式变压器，这也是干式变压器无法做到大容量、高电压等级的原因。
干式变压器为固态绝缘材料，其绝缘耐热等级高，有更强的抗冲击能力；在变压器安装及运输方面，干式变压器的运输及安装更为简单，没有渗油点，不需要事故油池；在日常运维工作中，干式变压器的日常运维工作及预防性试验项目也较油浸式变压器少（如不需要定期取油样等）。
4.结论
干式变压器在电站的厂用系统中已有广泛应用，但作为SFC输入、输出变压器用量较少，使用干式变压器作为SFC输入、输出变压器在同类型电站已有成功的运行经验，其稳定的电气性能及防火、防爆、防潮性能都优于相同电压等级、相同容量的油浸式变压器；干式变压器也必定会成为一种趋势在抽水蓄能电站得到更广泛的应用。
参考文献
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WENG Yonghua.Winding pouring process of epoxy resin casting dry-type transformer[J].TRANSFORMER,2001,(03).
作者简介
李成玉（1986—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站电气一次管理。E-mail：chengyu-li@sgxy.sgcc.com.cn
孙建业（1990—），男，助理工程师，主要研究方向：水机方向。
高岩涛（1990—），男，助理工程师，主要研究方向：水机方向。
论文作者:李成玉,孙建业,高岩涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/27
标签：变压器论文; 干式变压器论文; 电站论文; 等级论文; 绝缘材料论文; 性能论文; 线圈论文; 《电力设备》2018年第23期论文;