Tendències actuals i de desenvolupament de materials aïllants per als transformadors

El material d’aïllament és un dels materials més importants en els transformadors.

En primer lloc, el seu rendiment i la seva qualitat afecten directament la fiabilitat de l’operació del transformador. Reliabilitat i vida del servei de transformadors. En les dues últimes dècades, els nous productes de transformador, les noves tecnologies i les noves teories en els materials d’aïllament del dispositiu estan constantment emergents i desenvolupant -se, fent que els materials d’aïllament del transformador i la seva aplicació formin un tema molt important.

1. La situació actual dels materials d’aïllament del transformador a la Xina

1.1 Visió general dels materials d’aïllament del transformador

Amb la indústria del transformador nacional que millora mitjançant la introducció de tecnologies estrangeres avançades, assimilitzant i innovant de manera independent i ampliant la capacitat de producció, la varietat, la qualitat i la capacitat dels productes transformadors han vist millores importants. Segons la taxa de consum mitjà d’aïllament actual dels equips elèctrics, és de 65 tones per 10 MW de capacitat d’energia instal·lada. A partir d’això, podem estimar que els materials d’aïllament representen una proporció important d’equips elèctrics. Al mateix temps, la fiabilitat i la vida útil dels transformadors es determinen en gran mesura pels materials d’aïllament utilitzats. Els materials d’aïllament reben una atenció creixent dels dissenyadors i fabricants de transformadors.

Els materials d’aïllament, també coneguts com a materials dielèctrics, són substàncies amb alta resistència i baixa conductivitat. Aquests materials s’utilitzen per aïllar parts conductores a diferents potencials elèctrics, garantint que el corrent elèctric flueix en una direcció específica. En els transformadors, els materials d’aïllament també tenen un paper en la dissipació de calor, el refredament, el suport, la fixació, la supressió d’arc, la millora dels gradients de tensió, la prevenció de la humitat, la prevenció de motlles i la protecció del conductor.

Els materials d’aïllament es classifiquen pels seus nivells de resistència tèrmica de la següent manera: Y (90 graus), A (105 graus), E (120 graus), B (130 graus), F (155 graus), H (180 graus) i C (per sobre de 180 graus). El nivell de resistència tèrmica dels materials d’aïllament del transformador fa referència a la temperatura màxima que el material d’aïllament pot suportar en un transformador. Si els materials s’utilitzen correctament, poden assegurar -se una vida útil 20-. En cas contrari, la seva vida útil s’escurçarà segons la regla de 8 graus (per exemple, la vida de l’aïllament de la classe A es redueix a la meitat per cada augment de la temperatura de la temperatura, l’aïllament de la classe B es redueix en 10 graus i la classe H es redueix en 12 graus). Aquesta regla es coneix com la "regla d'envelliment tèrmic de 8 graus".

El rendiment dels materials d’aïllament està estretament relacionat amb la seva composició i estructura moleculars. Hi ha molts tipus de materials d’aïllament del transformador, generalment classificats per la seva forma com a materials d’aïllament gasosos, líquids i sòlids.

1.2 Materials d’aïllament gasós

El material d’aïllament gasós més utilitzat en transformadors és SF6 (hexafluorur de sofre). SF6 és un gas no flamable amb propietats físiques i químiques altament estables. Els avantatges d’utilitzar SF6 com a material d’aïllament en transformadors són significatius, tal com s’exposa a continuació:

Prevenció d'incendis: L’avantatge principal dels transformadors aïllats al gas SF6 (GIT) són les seves propietats resistents al foc superiors. SF6 és un gas no combustible i les seves propietats físiques i químiques són molt estables.

Alta tensió i gran capacitat: Els transformadors aïllats de gas SF6 són l'únic tipus capaç d'assolir altes tensions i grans capacitats en transformadors resistents a desastres i resistents al foc. Fins a la data, els transformadors resistents al foc en ús a tot el món són majoritàriament transformadors de tipus sec (incloent transformadors secs de resina epoxi i transformadors secs de ventilació H-Classe H-Classe) i Gits. La tensió més alta per als transformadors de tipus sec es reconeix generalment com a 35 kV, amb una capacitat de 20 MVA, mentre que els Gits poden arribar a 275-500 kV i 300 MVA. A les actualitzacions actuals de la xarxa urbana de la Xina, moltes ciutats requereixen la creació de subestacions 110-220 KV als centres de la ciutat (algunes de les subestacions subterrànies), que probablement augmentaran la demanda de Gits.

Estalvi d’espai: La petjada d’un Git és aproximadament la mateixa que la d’un transformador immersa d’oli de la mateixa capacitat i nivell de tensió i no requereix equips addicionals de supressió d’incendis. Tanmateix, quan es combina amb commutador completament tancat (SIG), els Gits poden connectar -se directament amb SIG, eliminant la necessitat de caps de cable i altres accessoris, reduint significativament l’espai necessari per a les subestacions. Moltes subestacions a l'estranger han demostrat aquest benefici.

Reducció de l'alçada: Els Gits no requereixen dipòsits d’emmagatzematge de petroli, de manera que tenen aproximadament un 20% d’alçada inferior a l’alçada en comparació amb els transformadors immersos del petroli, cosa que és avantatjosa per reduir els costos d’enginyeria civil a les subestacions subterrànies.

Estructura complexa i elevat cost: Si bé l'estructura general dels Gits és similar a la dels transformadors immersos del petroli, les propietats aïllants del gas SF6 es veuen molt afectades per factors com la pressió del gas, la uniformitat de camp elèctric i el contingut de pols. Com a resultat, els GIT no només són més complexos en l'estructura, sinó que també exigeixen estàndards més alts per a entorns i processos de producció. A més, a causa de la menor capacitat de dissipació de calor de SF6 en comparació amb l’oli del transformador i el fet que la carcassa exterior és un recipient a pressió, aquests factors contribueixen a majors costos de matèries primeres, cosa que fa que els Gits siguin més cars.

Soroll: Si bé el soroll bàsic dels Gits és d’uns 3 dB inferiors al dels transformadors immersos d’oli, el soroll dels aficionats pot ser força elevat. Per tant, no es pot dir de manera concloent que els Gits sempre són més tranquils que els transformadors amb petroli.

Capacitat de sobrecàrrega: A causa de la mala capacitat de dissipació de calor del gas SF6, la capacitat de sobrecàrrega dels Gits és només aproximadament dos terços de la dels transformadors immersos del petroli.

(8) Per a Gits amb regulació de tensió de càrrega, s'ha d'utilitzar un canviador de tap de càrrega al buit. Per a aquests canviadors de tap de càrrega que s’utilitzen en aplicacions d’alta tensió i de gran capacitat, actualment hi ha dificultats per produir-los a nivell nacional. Basar -se en les importacions augmentarà inevitablement el cost global.

1.3 Materials d’aïllament líquids

El material d’aïllament líquid primari utilitzat en els transformadors és l’oli de transformador, que serveix per proporcionar aïllament, dissipació de calor i supressió d’arc.

1.3.1 Oli de transformador tradicional

L’oli de transformador tradicional és un subproducte de la refinació del petroli. Els seus components principals inclouen alcans, hidrocarburs saturats naftènics i hidrocarburs insaturats aromàtics.

Actualment, els olis transformadors més utilitzats són 25# (amb un punt d'abocament no superior a -25 grau) i 45# (amb un punt d'abocament no superior a -45 grau). A continuació, es mostren els requisits de rendiment típics dels olis de transformador:

Densitat baixa: Això ajuda a garantir que l’aigua i les impureses del petroli s’estableixin.

Viscositat moderada: Una viscositat massa alta afectarà la dissipació de la calor convectiva, mentre que massa baixa baixarà el punt de flaix.

Punt flash alt: L’ideal seria que el punt de flaix no hagi de ser inferior a 136 graus.

Punt d'abocament baix: Això garanteix que el petroli es mantingui eficaç a temperatures baixes.

Baix contingut d’impuresesCom ara àcids, bases, sofre i cendra: s’han de minimitzar per evitar la corrosió de materials d’aïllament, cables i dipòsits d’oli.

Baix grau d’oxidació: L'oli no ha de patir una oxidació excessiva.

Estabilitat adequada: L'estabilitat s'indica generalment per la prova del nombre d'àcids, que representa la capacitat de l'oli de resistir l'envelliment.

1.3.2 Oli de flama-representant

S'han desenvolupat olis retornats de flama a causa de la insuficient resistència al foc dels transformadors. A principis dels anys 70, durant la recerca d’alternatives al petroli transformador, el requisit era que el punt d’incendi del petroli substitut no fos inferior a 300 graus i no hauria de propagar un incendi. Tot i que 300 graus és un valor de temperatura arbitrari, es va acceptar àmpliament com a indicador adequat per al retard de la flama, ja que és més del doble del punt de foc de l’oli del transformador.

Ja a la dècada de 1950, els Estats Units van inventar oli de silicona i el primer transformador d’oli de silicona es va introduir el 1974. El 1977, la companyia GEC del Regne Unit va produir el primer transformador mitjançant el sintètic sintètic de flama Midel7131 (referit a M Oil). A principis de la dècada de 1980, el Regne Unit va desenvolupar Oil Formel (conegut com a O Oil), i el primer transformador de petroli F es va produir el 1983. En els darrers anys, la Companyia dels Estats Units DSI ha desenvolupat successivament olis de flama basats en petroli, inclosos oli, oli i poli {{9} olefines. Els seus indicadors de rendiment es mostren a la taula 1:

1.3.3 Oli vegetal

L’1 de juliol de 2008, Siemens Energy va desenvolupar un transformador mitjançant un líquid d’aïllament basat en oli vegetal per a ENBW, una companyia elèctrica alemanya. Actualment, ENBW està desplegant transformadors amb aquest nou líquid d’aïllament a la subestació de Teinach, situat a prop de Bad Teinach-Zavestein, al sud-oest d’Alemanya. L’objectiu és avaluar i registrar el rendiment operatiu d’aquests transformadors en condicions del món real. El líquid d’aïllament utilitzat en el nou transformador de Siemens està format per èsters naturals derivats d’olis vegetals com ara colza, soja, gira -sol, etc. Això augmenta molt el punt flash del líquid i garanteix una biodegradabilitat completa. A més, aquests líquids no provoquen cap contaminació de l’aigua, cosa que els fa adequats per a zones amb normes mediambientals estrictes.

A més, aquests transformadors estan estretament segellats per evitar que l’oxigen de l’aire entri en contacte amb el líquid d’aïllament, cosa que podria causar efectes negatius. Aquest segellat amplia la vida útil del transformador i augmenta la seva capacitat de càrrega, reduint així els costos operatius de la utilitat.

1.4 Materials d’aïllament sòlids

Els materials d’aïllament sòlid utilitzats en transformadors es refereixen a materials aïllants que es troben en forma sòlida o que s’han transformat en estat sòlid mitjançant canvis químics o físics. Hi ha una gran varietat de materials d’aïllament sòlids, com ara paper aïllant, tauler aïllant, fusta laminada elèctrica, taulers de tela epoxi de vidre, taules laminades de baixes baixes de baixada, vernís aïllant, adhesiu aïllant, cinta de tela de cotó, cinta de compressió, cinta de polièster sense teixit, etc. Per als transformadors immersos en oli, els materials d’aïllament sòlid més importants són els següents:

1.4.1 Paper aïllant

El paper aïllant es divideix en dues categories: paper de fibra vegetal i paper de fibra sintètica. Les diferents estructures moleculars de la cel·lulosa determinen la diferent impregnabilitat, les propietats mecàniques i les propietats elèctriques del paper aïllant.

1.4.1.1 Paper aïllant de polpa de fusta de sulfat pur

Els tipus comuns de paper aïllant a la Xina inclouen:

Paper de cable d'alimentació: S'utilitza per a l'aïllament en transformadors de potència o altres productes elèctrics amb 35 kV i inferiors. Aquest producte es divideix en tres graus: DLZ-V, DLZ-A i DLZ-B, amb gruixos de 80 μm, 130 μm i 170 μm. Està disponible en rotllos.

Paper de cable d’alta tensió: S'utilitza per a transformadors de 110 kV i 330 kV, també disponibles en rotllos.

Paper d’aïllament de bobinatge del transformador: Un tipus de paper de cable d’alta tensió però amb un millor rendiment, adequat per a transformadors, transformadors i reactors de 500 kV.

Paper telefònic: Fabricat a partir de polpa de fusta de sulfat sense blanquejar, utilitzada principalment en la producció de cables telefònics, tot i que alguns fabricants de transformadors també la utilitzen en la producció de transformadors. També s'utilitza com a paper base per aïllar paper crepe. El paper telefònic es classifica en tres graus: A, B i C, amb graus A i B utilitzats per a cables de comunicació. Es presenta en dues especificacions: dh -50 i dh -75, en forma de rotlle.

Paper crep aïllant: Fabricat a partir de paper aïllant elèctric que s'ha processat per crear plecs. Els plecs s’estenen quan s’estén el paper. El paper Crepe està disponible en diverses taxes d’allargament i s’utilitza habitualment per a l’aïllament de bobinats transformadors immersos en petroli, com ara ploms, cables i embolcalls aïllants.

1.4.1.2 Paper aïllant nitrat

Paper Denison, també conegut com a paper nitrat, es produeix afegint diciclohexilamina, cianur d’etilè i altres productes químics a la polpa de paper. Produït per la Companyia dels Estats Units Denison, aquest article presenta una bona força mecànica i una allargament adequada després de l’enrenou i el calendari. És un material ideal per aïllar els bobinats del transformador, garantint un embolcall ajustat sense inflor.

1.4.1.3 Paper de fibra sintètica

Paper Nomex, produït per DuPont als Estats Units, és un paper de fibra sintètica resistent a la calor. El seu component principal és la poliamida aromàtica, que ofereix excel·lents propietats d’envelliment tèrmic. Fins i tot a temperatures altes de 250 graus, manté una alta resistència superficial (10¹³ ω/cm²) i la resistivitat del volum (10¹¹ity ω/cm³). Les propietats elèctriques del paper d’aïllament NOMEX® són excel·lents i es poden resumir de la manera següent:

Pèrdua dielèctrica baixa de 0. 01 En un ampli rang de freqüència a temperatures de fins a 200 graus.

Una constant dielèctrica relativa de només 1. 5-2. 5, inferior a molts materials aïllants d'ús comú.

Una tensió de desglossament dielèctrica de 35 kV/mm a freqüència de potència, amb una alta tensió d’iniciació per a la descàrrega de superfície.

Bones propietats mecàniques, resistència a la humitat i retard de la flama.

1.4.1.4 Materials d’aïllament per blindatge d’elèctrodes

Paper de cable semiconductiuestà elaborat amb polpa de fusta sulfat 100% sense blanquejar. Inclou fibres de carboni o altres materials que controlen la resistivitat de la superfície a entre 10⁴ ω i 10⁶ ω. El paper de cable semiconductiu, també conegut com a paper semiconductor, està disponible tant en tipus monocrom com en bicolor. S'utilitza principalment per blindar cables d'alta tensió i dispositius elèctrics d'alta tensió per assegurar la uniformitat del camp elèctric.

Paper crepe metalitzat: El paper base és paper de cable de colors, amb paper d'alumini per un costat. El paper de cable i la làmina d’alumini s’adhereixen juntament amb un adhesiu i després s’enfilen. S'utilitza per a plaques electrostàtiques aïllants i blindatge, pantalles estàtiques, anells finals, cables i terminals foraborda.

Paper metalitzat: El paper base és {{0}}. S'utilitza per a blindatge de terra i estàtic.

1.4.2 Junta aïllant

El cartró laminat està fabricat amb polpa de fusta sulfat. S’utilitza per a buits d’oli, espaciadors, tubs de cartró, paper ondulat, aïllament del jou i aïllament final per a bobinatges del transformador. Està disponible en tipus de baixa densitat (T3 Soft Pardboard), de densitat mitjana (cartró T1) i tipus d’alta densitat (paperera dura T4). Segons el procés de formació del tauler, es pot produir com a cartró premsat en calent o calendari.

Tubs aïllants: Es disposen de cartró suau i dur, cartró de resina fenòlica, tubs de vidre epoxi i tubs de fibra de vidre. Formen l’esquelet i l’aïllament dels enrotllaments.

Cartró ondulats'utilitza per substituir els espaciadors i formar buits d'oli entre els tubs de paper. Aquesta estructura d’aïllament ajuda a estalviar material d’aïllament alhora que garanteix un bon rendiment d’aïllament. Es presenta en dos tipus: grans corrugacions intermitents i petites corrugacions contínues.

Els productes laminats elèctrics estan elaborats amb paper, tela i xapes de fusta com a materials de base, impregnats amb diversos adhesius i, a continuació, pressionats per calor o ferides en estructures laminades. Aquests productes inclouen taulers laminats i fusta laminada. El rendiment dels productes laminats depèn de la naturalesa del material base, l’adhesiu i el procés de modelat. Actualment, la fusta laminada elèctrica i el cartró laminat d’alta qualitat s’utilitzen àmpliament en grans transformadors.

1.4.3 parts aïllants modelades

La uniformitat dels camps elèctrics en parts aïllants modelat és crucial. No obstant això, el nivell de producció i la capacitat per a les peces aïllants modelades a la Xina han estat limitats, especialment per als materials aïllants clau utilitzats en l'aïllament de la línia de transformació del convertidor, on els dispositius de sortida sencers encara confien en les importacions.

2. Tendència de desenvolupament dels materials d’aïllament del transformador a la Xina

Amb el ràpid desenvolupament de l’economia de la Xina i l’estratègia de desenvolupament occidental, sobretot després de la crisi econòmica l’any passat, la inversió a gran escala del govern a la indústria elèctrica ha estimulat molt el creixement de la indústria transformadora. Els nivells de tensió han augmentat ràpidament de 500 kV a 750 kV i 1, 000 kV i ± 500 kV i ± 800 kV de transformadors de convertidors han passat amb èxit. La demanda de materials d’aïllament clau, com ara un cartró aïllant de gran format d’alta densitat, peces aïllants modelat i dispositius de sortida complets per als transformadors de convertidors continua creixent i es manté en poca oferta.

Es calcula que l’any passat, la indústria del transformador a la Xina va requerir 30 tones de cartró aïllant de gran format d’alta densitat per a transformadors d’alt tensió. Tanmateix, la producció domèstica és limitada, amb només Taizhou Weideman produint més de 8, 000 tones a l'any, requerint importacions substancials.

En particular, la tecnologia de producció per a un cartró aïllant de gran format de gran densitat continua controlada per empreses estrangeres, afectant greument i restringint la producció de transformadors de converses d’alt tensió i convertidors a la Xina a la Xina