环氧树脂干式变压器防开裂技术研究.DOCVIP

PAGE 96 PAGE 103 环氧树脂干式变压器防开裂技术研究 金涛1,2，刘燕2，蔡定国2 （1. 福州大学电气工程与自动化学院，福建福州，350018） （2. 广东顺特电气有限公司技术开发部，广东顺德，528300） 摘 要：如何防止生产过程中干式变压器树脂线圈的开裂、缩孔、白斑等问题一直是个世界性难题。本文主要研究了产生开裂等缺陷的形成内因，并根据干式变压器线圈材料性能随温度变化的特性，采用非线性分析建立了线圈浇注、固化、冷却过程瞬态温度场、热应力场三维有限元模型，并确定温度场中初始条件、边界条件，设计了一种有效模拟干式变压器浇注、固化、冷却过程中三维温度场和应力场分布的方法模拟其内部分布，从而改进干式变压器的环氧树脂配方、工艺参数及工艺流程来减少开裂等缺陷的产生。 关键词：干式变压器；防开裂；有限元；数值模拟 我国于20世纪70年代引进了环氧树脂绝缘干式变压器生产技术，但发展和应用缓慢。到了20世纪90年代初，随着城网改造的需要和干变技术的提升，干式变压器得到了广泛采用与快速发展，国内干式变压器技术的发展也从消化吸收走向自我开发并达到国际先进水平。在环氧浇注干式变压器的生产中，耐开裂性是一个非常重要的指标。开裂使产品的电气性能、机械性能、力学性能等急剧下降，从而导致击穿、脱落等，使产品的寿命和可靠性受到严重损害。所以如何解决干式变压器浇注、固化、凝固过程中温度场和应力场的变化引起内应力并导致线圈开裂、缩孔等现象，一直是困扰干式变压器生产行业的一个难题[1,2]。本论文采用理论和实验相结合的方法研究了环氧树脂干式变压器绝缘体开裂的原因，并初步提出了环氧树脂绝缘干式变压器开裂的解决办法。 1 干式变压器线圈开裂的现状 干式变压器是电气主要设备之一，它主要包括线圈、铁心、绝缘件、辅件等部分，图1是干式变压器的生产流程。依据理论分析和以及实际的考查，目前环氧树脂浇注干式变压器线圈在浇注、固化、冷却过程中的主要缺陷是开裂、收缩、白斑等问题，严重影响了产品的质量和企业的经济效益。据统计，某变压器生产厂2004年共浇注线圈13635个，发生收缩的线圈有630个，出现白斑的有约330多个，出现开裂的由于是重大质量问题需马上进行修理等补救工作统计数目不详，但估计在100个左右。总之，有问题的线圈大约占干式变压器浇注线圈的8%左右，其中开裂和收缩的部位绝大部分出现在凸台、硅钢片和线圈中上部约高度的三分之二处，白斑出现在线圈的内外表面的中上部居多。 图1 干式变压器生产流程 Fig.1 Production flow of dry-type transformer 要研究干式变压器开裂的原因和解决措施，必须了解干式变压器的线圈和绝缘机构部分。目前世界上干式变压器的高压线圈大多采用铜导线，一般有风道及凸台，其上部在内模的左端；低压采用导线和箔式，一般只有2个引线头，其上部在内模中间。内模加脱模油，绝缘材料主要是玻璃纤维和毡、布带及布（包括短切毡、连续毡、纤维带、无纺布、粗纱布）等。线圈绕制的层数、匝数、段数、方向有标准图纸而绝缘材料绕制随机，图2是一个典型的线圈绕制结构。 图2 一个典型的线圈绕制过程 Fig.2 A typical wrap process of dry-type transformer coin 干式变压器线圈生产中用到的环氧树脂是一种高分子的热固性材料，通过交联反应来形成绝缘物。在干式变压器的生产过程中，由于化学反应、温度变化以及外部的应力作用等因素的影响，绕组线圈容易产生白斑、收缩、开裂等现象[3]。图3分别是干式变压器线圈浇注、固化、冷却过程中的不同位置形成的开裂、白斑等缺陷实物照片图。 图3 环氧树脂干式变压器线圈缺陷实物图 Fig.3 Faults produced in epoxy resin dry-type transformer 2 防开裂研究相关理论 干式变压器环氧树脂的反应机理，经研究可以分为两个基本类型级反应机理和自催化反应机理，级反应的速率大于自催化反应速率，其动力学方程如下式所示： 级反应机理： (1) 自催化反应机理： (2) 其中，表示固化反应的程度，是反应速率常数，小于，它们是温度的函数。为反应级数。只有使用在不同的加热速率或不同的恒温条件下进行的多次测量的数据，动力学所给出的预测结果才是可信度较高的。实验表明，固化剂、促进剂、环氧树脂固化时的配比对固化反应本身非常重要[4,6]。固化剂的含量太低，则浇注体的交联度减少；固化剂的含量过多，则固化剂本身之间可能发生反应从而减少了参与交联反应的官能团数目，影响固化过程。当采用酸酐作为固化剂时，酸酐用量可用下式表示：