變壓器的設(shè)計師需要滿足許多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求,這些要求可能因絕緣材料的限制而受到很大的影響。設(shè)計師通過采用耐高溫的絕緣材料,可以在
變壓器的電、機(jī)械、熱和環(huán)境性能方面獲得更大的靈敏性和自由度。
在考慮這種可擴(kuò)展靈活性的同時還應(yīng)考慮許多因素以確保設(shè)計能夠保證在評估溫度下的可靠性。一般來說,采用基于芳族聚酰胺材料的高溫絕緣系統(tǒng)可以使設(shè)計師通過減少通常的冷卻空間來制造更緊湊的變壓器。在除去這個空間的同時設(shè)計師還應(yīng)考慮對變壓器的電和熱性能的影響。例如,因為干式變壓器要依賴用于冷卻的空氣間隙,所以必須注意避免對變壓器施加過大應(yīng)力以防止局部放電,局部放電會過早老化絕緣材料和導(dǎo)致早期故障。設(shè)計師還應(yīng)計算正確的間隙距離以避免沿表面及其周圍的爬電現(xiàn)象,防止以這種方式產(chǎn)生擊穿。這些問題可能比簡單的熱點(diǎn)溫度要求更受限制。
不僅要了解在實驗室中的室溫下獲得的測試值,而且還應(yīng)了解高溫條件下絕緣材料的性能,許多材料可能在實驗室中呈現(xiàn)出合格性能,但在變壓器的熱點(diǎn)溫度下工作時性能卻會降低。
Nomex牌芳族聚酰胺紙在加速老化溫度條件下的老化數(shù)據(jù)和熱老化的阿化尼烏斯曲線。這種信息對預(yù)測材料在設(shè)備中的預(yù)定運(yùn)行條件下的能力是必需的,例如,這個數(shù)據(jù)預(yù)測了220℃的熱壽命指數(shù)(外延可達(dá)100,000個小時)。此外,在過去35年中,這種材料一直使用在干式變壓器(熱點(diǎn)溫度為180℃至220℃)中并獲得了實際壽命特性。為此,這些材料一般用作其它材料確定其熱指數(shù)時所做的熱老化試驗的參考材料。
除熱壽命性能外,還有許多其它材料特性(這些特性會受到系統(tǒng)溫度的影響),在設(shè)備的運(yùn)行溫度下工作時必須對這些特性進(jìn)行考慮。圖2和圖3的數(shù)據(jù)顯示了材料的介電常數(shù)(電容率)和隨溫度變化的介質(zhì)損耗角(損耗角正切)的對應(yīng)關(guān)系。注意,材料A在大約150℃的溫度上就開始迅速變化,因此不得用于熱點(diǎn)溫度超過這個點(diǎn)的設(shè)備中。另一方面,材料B在高達(dá)220℃的溫度上仍呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能。這一特性對設(shè)計和工作應(yīng)力會產(chǎn)生重要影響。材料A的介質(zhì)損耗角會導(dǎo)致變壓器的電介質(zhì)溫度超過150℃。
此外,變壓器中應(yīng)力分布的設(shè)計與介電常數(shù)呈反比例。這種方案中的比較基準(zhǔn)是空氣,空氣的介電常數(shù)定義為1.0。固體材料越接近1.0,空氣冷卻間隙和固體絕緣材料之間分布的應(yīng)力就越均勻。因此,這個介電常數(shù)會影響變壓器的尺寸和緊湊性。介電常數(shù)較低的材料允許更多地減少空氣空間,因而可獲得更小的變壓器。在這種方案中,材料B展現(xiàn)了Nomex?芳族聚酰胺紙的優(yōu)越性能。
在這個新世紀(jì)中要考慮的另一個主要因素是變壓器的可燃性指數(shù)。這是不考慮設(shè)計變壓器所用的技術(shù)的情形。這需要具有不僅在室溫下可以阻燃而且在變壓器的運(yùn)行溫度下甚至在最熱點(diǎn)區(qū)域上也具有這種相同能力的絕緣材料。正如圖4中所概括的那樣,高溫芳族聚酰胺材料不支持250℃至300℃以下溫度上的燃燒。這份資料顯示了厚度為0.13毫米的410型Nomex?芳族聚酰胺紙隨溫度變化的極限氧指數(shù)(LOI)。這種制品即使在220℃的工作溫度下,也具有自熄性。之所以需要這些制品是因為,即使加熱到著火點(diǎn),它們也僅僅產(chǎn)生少量的透明、毒性較低的燃燒氣體。
的資料概括了Nomex?芳族聚酰胺紙在可燃燒性方面的一些全球證書。由于缺乏國際認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化程序,幾家機(jī)構(gòu)已制定了自己的測試方式來主觀評估各種材料的燃燒特性及其遇到火災(zāi)時的安全等級。在美國,UL可燃燒性試驗是以材料的耐火性能為基礎(chǔ)的(UL標(biāo)準(zhǔn)94)。在歐洲,有幾個國家如法國和意大利已制定了他們自己的標(biāo)準(zhǔn),例如NF F 16, 101 和 102。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)來對材料的燃燒特性進(jìn)行分類(M分類),和對累積氣體的不透明性和毒性進(jìn)行分級(F分級)。芳族聚酰胺材料被歸為M1和F1級,這是有機(jī)制品的最佳可能等級,并歸為UL等級下的V-0,即不支持燃燒,不流動或滴液,且具有消除火源后的無復(fù)燃性的材料。