真空浇注技术在变压器线圈制造中的应用

真空应用 阳水才 顺德特种变压器厂

  本文着重介绍了树脂真空浇注技术在干式变压器线圈制造领域的应用,强调了制造优质的、具有固体绝缘特征的变压器线圈,必须有一套完整的、与线圈结构相适配的树脂体系和浇注设备。

1、前言

  自从环氧树脂诞生以来,应用树脂浇注技术成型绝缘结构的电气产品越来越多,尤其近年来出现的真空浇注技术的开发应用更是得心应手,而且从浇注设备到浇注原材料都有了质的飞跃。绝缘结构、树脂体系、浇注设备三者的结合,就叫作树脂真空浇注技术。真空浇注技术虽然是一个相对陈旧的课题,但在传统技术基础上发展起来的真空压力浇注、带填料浇注等都是相对前沿的制造技术,应用不当,会造成产品品质的下降或劳动生产率的低下。以固体绝缘为特征的树脂浇注干式变压器是一种极具生命力的城网终端变压器,以其寿命长、免维护、可靠性高、不会有灾难性事故发生等一系列的性能优势快速取代着油浸变压器。良好的运行经验和记录证实了其生命力。树脂绝缘干式变压器的最关键的部件是线圈,线圈的制造技术决定了线圈的性能和寿命。局放是固体绝缘结构中必须考核的项目,树脂真空浇注技术就成为减小或避免局放的最主要的途径。

2、固体绝缘及线圈结构

(1)具有固体绝缘特征的树脂绝缘技术

  用环氧树脂成型线圈导体间的固体绝缘,相比于液体油或空气绝缘,可以使绝缘距离大大缩小而节约材料,最重要的是这样成型的线圈是一个坚固的块体,抵御短路冲击的能力非常优越,因此具有极高的可靠性,而且终生免维护,不会有爆炸、火灾等事故发生。这正是树脂绝缘干式变压器生命力之所在。但其缺点也自然存在,比如局部散热效果不如流体绝缘的对流效应好;偶然的局放则会造成永久的损伤(因此在制造过程中必须控制线圈内部的局放水平达到标准要求值);需要复杂的真空浇注设备;不能直接在户外使用等。但这些缺陷是相对的,可以通过设计技术和严格的工艺控制得到解决。真空浇注技术为成型固体绝缘提供了可行性。

(2)树脂浇注干式变压器线圈结构

  对于线圈绝缘结构,不同的设计方案就要求不同的适配工艺。从宏观结构上分,线圈绝缘结构可以分为2 类,一类属包封导体型,一类属包封绕组型。包封导体型线圈的特征是,线圈的匝间、层间和段间通通要求树脂材料完全渗透,灌封密实。所以,浇注后的线圈匝间和段间没有空隙。这就要求树脂浇注料粘度足够低, 匝间和段间的绝缘材料要求有良好的渗透性和浸润性。这种结构常见于玻璃纤维增强的薄绝缘线圈。如图1所示。

  包封绕组型线圈的特征是,线圈的匝间和层间并不要求树脂材料完全渗透,树脂材料只灌封段间和绕组的内外表层。所以, 浇注后的线圈匝间和层间存在有真空空隙(实际是稀薄空气隙)。这种情况下树脂浇注料粘度可以适度提高。匝间和层间的绝缘材料要求有良好的绝缘性能,一般采用薄膜或复合箔材料。这种结构常见于带填料树脂浇注的线圈。如图2 所示。

真空浇注技术在变压器线圈制造中的应用

3、树脂真空浇注的原理

  真空浇注就是利用真空技术在工件的周围营造一个相对“真空”的氛围,然后让流体材料有序地充满需要填充的“真空”区域。

  绕组的树脂真空浇注就是在相对“真空”的绝缘间隙内填充树脂浇注料。这种处理能直接实现两个目的,一是无缺陷树脂绝缘, 二是导体间的粘接固定, 传递力学应力。

  为实现此无缺陷树脂绝缘目的,必须做到三点,一是白坯线圈必须干燥处理并处于真空状态下,二是树脂浇注料必须进行脱气处理,三是在真空状态下将树脂浇注料徐徐灌注到线圈导体的绝缘间隙中。真正理解和掌握这三点,并不那么简单,其中一系列的工艺参数需要通过实践和试验验证。其中,最基本的三个参数是温度、真空度、时间。而且有时这些关系是动态的,非常复杂。

真空浇注技术在变压器线圈制造中的应用

  举例说,树脂浇注料对线圈绝缘结构的渗透性以及树脂流动速度都和树脂的粘度有关, 而浇注料的粘度又和“温度+时间”相关,如图2 所示,浇注料是一个具有反应活性的材料,随着聚合反应进程的持续,逐渐形成高分子体形结构,浇注料的粘度会随时间呈指数规律变化,所以说,不同的绝缘结构或绝缘材料对浇注料的粘度范围有要求,不同的树脂体系有不同的粘度随“温度+时间” 变化的特性。

  再比如,组份材料或浇注料的温度和其饱和蒸汽压相关,这就限制到脱气或浇注时的真空度,而且气体的逸出需要时间,所以,材料的处理效果同样是“温度+真空度+时间”的函数。

  这一切说明,定型合理的工艺参数都需要统筹兼顾,作出合理的取舍。

  如果说线圈内只有导体和空隙,这种线圈则非常易于浇注。事实上,导体和树脂浇注料之间由于膨胀系数的显著差异,在变压器线圈的制造(特指高温凝胶固化)、存储低温、运行高温等温变状态下会产生巨大的内应力,甚至导致开裂。这就需要对“树脂相”作膨胀系数调整,使之和“导体相”的热膨胀系数相适配,必要时还需对线圈结构作局部力学增强; 另外, 为保证或加强导体间的绝缘,需要加大局部间隔或提高介质的耐电击穿而使用一些衬垫材料。这些引入的绝缘材料又对树脂浇注工艺提出新的适配要求。总之,真空状态下有利于树脂对增强材料的浸渍和提高渗透速度,可避免白斑或气泡的形成。即使线圈内部存在封闭的气隙,这种气隙处于真空状态,相对于空气气隙而言有相当强的耐电强度。