凯仕伯科技有限公司1 - 环氧灌注变压器寿命设计及保障

环氧灌注变压器寿命设计及保障
摘要：电气产品的寿命设计和寿命保障是一项系统工程，它涉及下述6个方面：结构强度的设计及应力作用的力学老化；电场强度设计及电场作用的电老化；运行温度及其对绝缘结构的热物理作用的热老化；绝缘结构的额定初始性能的赋予；创伤的修复、自愈或再生工程；额定运行环境的保障。其中任何一个方面设计或处理不当都会影响产品总体寿命，任何一个环节产生的性能失效都将导致产品的寿命终结。固体树脂绝缘有其独特的绝缘成型工艺和独特的性能特点，本文针对上述6个环节，阐述固体绝缘的寿命特性，及环氧浇注型干式变压器的设计、制造和使用中应当考虑的问题。同时阐述了一些易混淆的概念或术语，以期读者在商务谈判及技术交流中得到裨益。
    关键词：变压器、树脂绝缘、可靠性、老化。
    一、前言
    电气产品的可靠性和使用寿命始终是制造商和用户共同关心的课题，电气产品额定寿命的设计在不同的电气应用领域和不同的时代有不同的概念和要求，它要考虑到本领域的技术进步的速度和总体的社会经济效益性，不能太短，但也不会无限长。正如由于损耗水平或噪声标准的不断改进及绝缘技术的不断提升使得老式的变压器不断被淘汰的结果一样，因为他们太过时了，尽管它们可能还能用。其实一台新系列的变压器在其投运的几年内其节能效益已远高于报废一台旧式变压器所付出的代价。
    所以，寿命设计原则上应该在技术进步相对迟缓的有限时段内最大程度地提高产品的寿命。
    电气产品的寿命设计和寿命保障是一项系统工程，它涉及下述6个方面的专题：结构强度的设计及应力作用的力学老化；电场强度设计及电场作用的电老化；温升控制及其对绝缘结构的热物理作用的热老化；绝缘结构的额定初始性能的生命赋予；创伤的修复、自愈或再生工程；电气产品额定运行环境的保障。其中任何一个方面设计或处理不当都会影响其总体寿命，任何一个环节的失效都将导致电气产品的寿命终结。
    二、树脂绝缘干式变压器生命周期概念：
    生命周期：从全部性能的赋予开始到主体性能的完全丧失的全过程。
    一种绝缘材料、一个绝缘结构甚至到一台电气产品，都不是一个简单体，需同时具备多个构成要素，诸如电性能、力学性能和理化性能等。在其生命期内，任何一个必备要素的失效均导致其寿命的终结。所以，寿命终结有时会表现为自然老化型，有时则表现为意外的突发性。影响寿命的因素很多。自然，有内部的和外部的因素，外部因素通过内部因素起作用。
    从组成结构上看，树脂绝缘干式变压器的寿命由电磁结构的寿命、绝缘结构的寿命、结构紧固件的寿命三部分构成。实践证明，起决定性作用的要素在于绝缘结构的寿命。对于树脂绝缘干式电力变压器，其绝缘结构中除SiO²(一般为玻璃纤维或硅微粉填料)无机材料外，其余全部为有机高分子材料，且有机材料(环氧树脂)占绝缘结构体积含量的40％-60％。对SiO²材料来说在屏蔽氧和水以及在有机物分解温度以下的工作环境，其寿命几乎是永恒的。所以，树脂绝缘干式电力变压器寿命主要取决于线圈绝缘结构中的树脂部分。
    影响绝缘结构寿命的因素很多。主要有：电场的分布及强弱；电动力的作用及强弱；运行温度和内应力状态；绝缘结构的组成及其组成材料的性能优劣；产品的运行环境。所以，实现变压器的寿命，提倡从“胚胎”做起。变压器的生命由制造商赋予，由用户养育。
    三、有机固体绝缘材料的力学性能、电性能的温度效应。
    1、同材料耐热性相关的几个重要概念：
    Δ Tg－玻璃化转变温度：是指非晶体高分子物质(线型或体形分子结构)发生相变时的温度(例如，玻璃由固体转变为流体时存在一个有一定宽度的转变温区，通过技术处理得到的温度点)。它是一种固态材料失去承力能力的重要标志。Tg测定一般利用DSC差热扫描方法通过量热测定相变能方法得到，也可通过TDA或DMA法测定。
    Δ HDT－热变形温度：是固体材料在特定弯曲负荷下达到规定形变时对应的温度值。它实质上代表了材料在工程领域力学应用的极限参考温度。
    Δ TI－温度指数及HIC－半差：是根据IEC216标准来衡量材料的长久耐热性的两个指标，其基本定义的内涵是：通过高温加速热老化试验，采用数学处理外推的方法，获得某性能衰减并失效的判据下材料寿命时间为20000h对应的温度点；HIC是在相同的失效判据前提下，寿命时间缩短或延长一倍时对应的老化温度的变化值，通俗讲是造成半衰期需要的温差。性能衰减的终点判据IEC216标准推荐选择初始值的50％(或75％，或25％)，性能指标可以是力学指标、电气指标或其它需要关注的指标。对同种材料，根据不同的性能指标和失效判据会得到不同的TI值和HIC值。故TI值的比较是有条件的。而HIC的大小则反映了材料性能衰减的速度。
    Δ RTI－相对温度指数：根据IEC216标准，从具有满意运行史的已知TI及HIC的绝缘结构或材料和具有相同老化机理的材料的对比试验获得温度指数，该值称为相对温度指数RTI。
    Δ 绝缘“耐热等级”概念，根据GB11021－89《电气绝缘的耐热性评定和分级》(eq. IEC85－1984)划分为Y、A、E、B、F、H、200等若干级梯(见表1)。标准中简单使用“温度”这个术语，但通常是基于材料的温度指数TI值划分的耐热级别。

耐热等级	温度℃
Y	90
A	105
E	120
B	130
F	155
H	180
200	200
220	220
250	250

    标准如是说：“由于习惯上的原因，目前无论对绝缘材料、绝缘结构和电工产品均笼统地使用“耐热等级”这一术语。但今后的趋势是，对绝缘材料推荐采用“温度指数”和“相对温度指数”这两个术语；对绝缘结构则推荐采用“鉴别标志”这个术语，绝缘结构的“鉴别标志”只和所设计的特定产品发生联系；而对电工产品则保留采用“耐热等级”这个术语。”标准还指出：在电工产品上标明的耐热等级，通常表示该产品在额定负载和规定的其它条件下达到预期使用期时能承受的最高温度。标准未对“预期使用期” 给予限定，可以惯指20000h，也可以是合同约定的值。可见，“使用期”长短和“耐热等级”高低发生直接关系。相比之下，绝缘材料的温度指数TI则有对应2000h的明确含义。
    2、有机固体绝缘材料的力学性能、电性能的温度效应。
    对有机高分子基体材料普遍存在随温度的升高力学性能、电性能特性下降的规律，一般都遵循一定温度范围内的指数规律变化。有些指标的变化是有益的有些是不希望的。高温，使有机高分子材料的力学强度下降或丧失，冲击韧性增加，使介电强度下降，介电损耗增加等。表2部分列举了常温和100℃高温下的材料数据，以给读者一个概念性认识。材料性能在运行温度下的衰减是产品设计中首要考虑的因素。
表2 材料温度效应

性能指标	单位	温度	纯树脂浇注体	玻纤增强树脂
弯曲强度	MPa	23±2℃/ 100±2℃	8０.8/ 0.774	189/ 36.4
拉伸强度	Mpa	23±2℃/ 100±2℃	50.6/ 7.13	106/ 16.2
介电损耗Tan δ	%	23±2℃/ 100±2℃	0.3-0.4/1.3-1.7	2-3/8-10
相对介电常数εr	-	23±2℃/ 100±2℃	3-3.5/3.3-3.7	3.5-4.3/5.4-5.8
体积电阻率ρ	Ω·cm	23±2℃/ 100±2℃	1016/1014	1016/1015

3、“时温等效”原理－有机物普遍遵循的生命法则。
对有机高分子材料组成的绝缘结构，实践证明都遵循Arrhenius定律，即著名的“时温等效”原理，简言之就是：对特定的有机高分子材料或结构，其寿命时间t的对数和材料承受的绝对温度的倒数存在线性关系。所以材料承受温度每下降(或上升)寿命半差温度HIC，其寿命相应延长(或缩短)一倍。不同的材料按相同的诊断因子或相同的材料按不同的诊断因子得到的半差HIC不同，环氧树脂体系一般为10℃左右，也称10度法则。由此，可以利用高温加速老化进程获得的数据来推测实际低温运行时的寿命，从而评估电工产品的热寿命。
    Arrhenius定律(也称热寿命方程)用公式表示为：LOG(t)=a+b*(1/T) 其中t：寿命时间，T：试验材料承受的绝对温度，a、b：常数。由此通过作图法很容易得到某种材料的耐热图。并直接得到温度指数TI和寿命半差HIC值，当然，也可利用下式计算TI及HIC。TI=(b/log20000-a)-273HIK=log2/bHIC=Tr*HIK Tr为参考点绝对温度，一般取对应TI或RTI的热力学温度。实质上HIC值随温度是变化的。按IEC216标准对一种材料按弯曲强度衰减50％为终点判据得到的Arrhenius曲线。试验取得的3个数据点(IEC标准规定，试验最低温度点A须保证该温度下，失效时间大于5000h，试验最高温度点C须保证该温度下，失效时间不小于100h，且不得超过材料的性能转变点温度)，D为寿命为20000h对应的曲线上的外推点，该点对应的温度F值即为温度指数TI。同样可以得到对应寿命为10000h的温度点G，G点和F点的温差即为寿命半差值HIC。
    4、从上述几个概念出发，我们可以推论出以下几个值得重视的命题：
    Δ 孤立地讲Tg或HDT是有意义的。Tg或HDT反应材料的力学性能的绝对耐热性。Tg或HDT值越高，材料的高温力学性能越好，如表3中树脂体系III，其Tg可达150℃，但树脂体系I，其Tg只有93℃。对比树脂体系I/II/III的100℃弯曲强度保留率分别为0.93%/26.7%/61.6%。可见树脂体系I在100℃基本丧失弯曲强度。
    应该注意高聚物基体材料和纤维增强高聚物基体复合材料的性能有显著差异。
    无论线型的还是体形的高分子聚合物材料，其力学强度及弹性模量随温度变化大约呈指数关系，当达到其Tg温度后，分子结构发生粘流态变化，即认为丧失强度。对力学结构来讲，可以说Tg是高分子材料应用的极限使用温度。但是，对于玻璃纤维增强的高聚物基复合材料(或称复合绝缘结构)来讲，由于复合效应，高分子基体的Tg不代表复合绝缘结构的最高使用温度，其最高使用温度应该是复合绝缘结构的HDT。如：单纯环氧浇注体基体材料，一般Tg比HDT高10℃-20℃；但对纤维增强环氧浇注体复合材料(如挤拉撑条)，HDT可能比Tg高出许多，视纤维复合结构不同其结果相差悬殊。再如表4的工程塑料，其纤维增强材料的HDT要比基体的HDT高出许多。同样，环氧树脂和玻纤增强环氧树脂几乎有相同的Tg值(基于DSC测试)，但后者的HDT远远高于纯树脂材料的HDT。
    所以，工程应用中，用HDT指标作比较更有实用意义。
    Δ 孤立地讲TI是没有意义的。因为材料的TI值的获得是相对的、有前提的。不同的诊断因子和不同的终点判据可得到不同的TI结果，所以必须指出测定TI时依据的条件，否则不同材料的TI对比没有意义。从表3中可以看出，不同树脂体系及不同的测定判据获得的TI值显著不同。
    Δ TI对绝缘结构的耐热等级划分有意义，电气产品一般以其绝缘结构为依托采用相同的划分方案。但必须清楚该意义的内涵。
    一个绝缘结构或电气产品必须同时具备多个性能指标要素，那么必须使按每个指标要素获得的TI值都达到相应耐热等级温度点才行。当然，按该耐热等级设计绝缘结构或电气产品时,必须依照测定TI时相同的失效终点判据进行,两者必须一致，如果设计考虑的是按50％初始弯曲强度值为设计控制要素，而供应商的TI数据是热失重判据获得的，该TI值对你的设计没有意义。所以，当材料供应商称其某种材料为H级或F级耐热水平时，不要笼统地接收，一定要提供其相应的温度指数TI和测定TI的方法，否则，产品的设计是盲目的。如果供应商提供的是其材料的RTI值，那么，还必须出示其获得RTI时参考材料的TI及HIC值，最直观的资料是其试验获得的耐热图。

材料种类性能指标	纯树脂体系I	纯树脂体系II	纯树脂体系III	纯树脂体系IV	硅微粉填料环氧体系I	玻璃毡增强环氧体系I
有机(基体)材料	双酚A环氧/酸酐，高温固化体系	双酚A环氧/酸酐，高温固化体系	双酚A环氧/芳香胺，高温固化体系	双酚F环氧/芳香胺，室温固化体系	双酚A环氧/酸酐，高温固化体系	双酚A环氧/酸酐，高温固化体系
由弯曲强度判据得到的温度指数TI(℃)	158.0	146.0	150.4	152.4	184.5	*
由弯曲强度判据得到的抗热老化能力的半差HIC(℃)	11.7	12.6	14.0	10.1	15.3	*
由失重判据得到的温度指数TI(℃)	155.0	165.0	168.0	*	160.0	158.0
由失重判据得到的热老化能力的半差HIC(℃)	15.0	12.8	10.4	*	13.4	11.8
200℃/5000h后电击穿强度变化	无	无	下降30%	*	无	无
室温初始弯曲强度Mpa	82.8	104	87.2	*	114	189
100℃高温弯曲强度Mpa	0.774	27.8	53.7	*	10.1	36.4
玻璃化转变温度Tg(℃)	93	110	150	120	93	93

    仅对比较材料的TI来评估材料的耐热性好坏不够充分，还必须兼顾寿命半差HIC。从表3中可以看出，不同树脂体系及不同的测定判据获得的HIC值显著不同。对比纯树脂体系I/II/III的HIC，由弯曲强度判据和由失重判据获得的值趋势相反，分别对比为：/11.7/12.6/14.0/vs./15.0/12.8/10.4/。
    为延长变压器的寿命或增加可靠性，如图2示意，材料1和材料2具有相同TI值，但材料2的HIC大于材料1的。考虑到实际使用温度，不难理解对相同TI但不同HIC的材料优选原则：若绝缘结构经常在TI温度之上工作，HIC值越大的材料越好，若在TI温度之下使用，HIC值越小的材料越好。
    Δ 绝缘结构或电气产品设计必须同时兼顾TI值和Tg或HDT，作出综合考虑。
    一方面，TI达到155℃的绝缘结构，其使用温度不一定能达到155℃，可能行，也可能不行。例如表3中的树脂体系I的Tg只有93℃，却是F级环氧树脂，但在没有玻纤增强时浇注的线圈由于温度大于93℃后没有力学强度，线圈是不可能在93℃以上安全运行的，但纤维增强后，100℃温度下可有36Mpa的弯曲强度(强度保留率由1％提高到20％)。另一方面，Tg只有100℃的F级环氧树脂经玻纤增强后的复合结构的HDT可能达到180℃，TI可能变成大于180℃，该绝缘结构甚至可以在200℃使用(但寿命会缩短)。比如拉挤工艺成型的玻璃钢绝缘拉杆。这就是材料的复合效应。
     绝缘用工程塑料的典型实例。可以看出，聚甲醛的热变形温度比尼龙6高60℃，但其长期耐热温度却比尼龙6低25℃。聚甲醛可以在100℃以上当结构件使用，但尼龙6不能，但30％玻纤增强尼龙6却能在更高的温度如150℃以上使用，但因为其TI只有115℃，故只能短期使用。同时看出，玻纤增强的工程塑料使得HDT和TI同时得到提高，但玻纤对HDT贡献远远大于对TI的贡献，因为TI值主要取决于有机基体材料。