我国变压器用绝缘材料的现状及发展趋势

07-I-04 我国变压器用绝缘材料的现状及发展趋势
郭振岩
(沈阳变压器研究院 沈阳 110179)
摘要：总结分析了我国目前变压器用绝缘材料的种类、现状，列举了各种绝缘材料的成分和功能，结合市场和技术发展需要，提出了变压器用绝缘材料的发展趋势。

关键词：绝缘材料；现状；发展趋势
0 引 言
绝缘材料是变压器中最重要的材料之一，其性能及质量直接影响变压器运行的可靠性和变压器使用寿命。

近二十年来，变压器绝缘材料方面的新产品、新技术、新理论不断地涌现和发展，从而使变压器绝缘材料及其应用形成了一门很重要的学科。

1 我国变压器绝缘材料的现状
1.1 变压器绝缘材料概述
随着国内变压器行业通过引进国外先进技术，消化吸收、自主创新、扩大生产能力，使变压器产品品种、水平及变压器容量都有了大幅度的提高。

按我国现有发电设备装机容量及与之配套的电工设备的绝缘材料消耗定额平均为65吨/10兆瓦，由此可推算出绝缘材料在电工设备中所占比例是很大的。

同时，变压器运行的可靠性和使用寿命在很大程度上取决于其所使用的绝缘材料。

绝缘材料越来越为从事变压器设计和制造人员所重视。

绝缘材料又称电介质，是电阻率高、导电能力低的物资。

绝缘材料可用于隔离带电或不同电位的导体，使电流按一定方向流通。

在变压器产品中，绝缘材料还起着散热、冷却、支撑、固定、灭弧、改善电位梯度、防潮、防霉和保护导体等作用。

绝缘材料按耐热等级分类：一般分为：Y(90℃)、A(105)、E(120℃)、B(130℃)、F(155℃)、H(180℃)、C(大于180℃)。

变压
器绝缘材料的耐热等级是指绝缘材料在变 压器中所允许承受的最高温度。

如果正确地使用绝缘材料，就能保证材料20年的使用寿命。

否则就会依据8℃定律降低使用寿命(A级绝缘温度每升高8℃，使用寿命降低一半、B级绝缘是10℃，H级是12℃。

这一规律被称为热老化的8℃规律)。

绝缘材料性能与其分子组成和分子结构密切相关。

变压器绝缘材料品种很多，按其形态一般可分气体绝缘材料、液体绝缘材料、固体绝缘材料。

1.2 气体绝缘材料
目前变压器的气体绝缘材料最为常用的是SF6。

SF6气体是不燃性气体，且物理、化学性能都十分稳定。

将其应用于变压器的绝缘其优点十分显著，重要的有下面几个方面。

(1)SF6气体绝缘变压器(以下简称GIT)
的主要优点是它的防火性能最优。

SF6气体是不燃性气体，且物理、化学性能都十分稳定。

(2)在防灾型变压器中，它是唯一一种能
实现高电压与大容量的。

迄今为止，在世界上采用的防火、防灾型变压器中，主要是干式变压器［包括环氧浇注式干变与H级敞开通风式(OVDT)干变］与GIT两大类型。

但前者公认的最高电压为35kV，容量为20MVA；
而后者却可达275～500kV以及300MVA。

在我国当前的城网改造中，许多城市都要求在市中心建立110～220kV级的变电所(其中一部分为地下变电所)，显然这必将促进对GIT 的需求的增加。

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(3)GIT的占地面积大致与同容量、同电压等级的油浸式变压器相当，但无需另设消火设备，仅从这点看，GIT节省变电所占地面积的效果并不大。

但当配电装置采用全封闭组合电器(GIS)时，如采用GIT与GIS直接相连，则可省去电缆头等附属设备，从而使变电所的占地面积大为缩减。

国外许多变电所的实例都证明了这点。

(4)GIT由于没有储油柜，故相对油浸变压器而言，可使其高度降低20%，这对降低地下变电所的土建投资十分有利。

(5)GIT虽然总体结构与油浸式变压器相同，但SF6气体的绝缘特性受气压大小、电场均匀度、尘埃含量等的影响较大，因而GIT不仅结构较复杂且对生产车间的环境条件与加工工艺等都要求较高。

另外，由于SF6气体的散热冷却能力较变压器油要差，加之，外壳箱体为受压容器，所有这些都将使变压器的原材料成本增加，因而，GIT的售价较高。

(6)就噪声而言，GIT的本体噪声可较油浸变压器平均降低3dB左右，但是风机的噪声较大，所以还不能笼统得出GIT的噪声较低的结论。

(7)由于SF6气体的散热能力较差，GIT 的过负荷能力仅为油浸变压器的三分之二左右。

(8)对于有载调压的GIT，必须采用真空式有载分接开关。

对用于高电压、大容量场合的这种有载分接开关，目前国产尚有困难，如依靠进口也必将使总成本增加。

1.3 液体绝缘材料
变压器用的液体绝缘材料主要就是变压器油，起到绝缘、散热、消弧等作用。

1.3.1传统变压器油
传统的变压器油是石油的一种分镏产物，它的主要成分是烷烃,环烷族饱和烃,芳香族不饱和烃等化合物。

目前25#(凝固点不高于-25℃)和45#(凝固点不高于-45℃)变压器油最为常用，并且对变压器油的性能通常有以下要求：
★密度尽量小，以便于油中水分和杂质沉淀。

★粘度要适中，太大会影响对流散热，太小又会降低闪点。

★闪点应尽量高，一般不应低于136℃。

★凝固点应尽量低。

★酸、碱、硫、灰分等杂质含量越低越好，以尽量避免它们对绝缘材料、导线、油箱等的腐蚀。

★氧化程度不能太高。

★安定度不应太低，安定度通常用酸价试验的沉淀物表示，它代表油抗老化的能力。

表1 各种变压器用油的性能指标
性能项目变压器
油
F油M油硅油β油α油聚α烯密度0.88 1.03 0.98 0.96 0.87 0.84 0.84 比热/g.cm-3 1.59 — 2.09 — 3.18 2.26 —导热系数/J.g.℃-10.00138 —0.00155 ——0.0013 —
膨胀系数(25-27)/℃-175x10-5 72x10-575x10-5—75x10-5 73x10-5—闪点/℃160 无257 300 270 266 275 燃点/℃170 不可燃310 330 308 308 304 凝点/℃-30 -33 -48 -55 -21 -54 -55
粘度(100℃以下)/10-6m2.s-12.5 — 6 16 12.83
8.48 8.4
绝缘强度(工频)/kv 60 ＞50 50 43 56 56 42 介电常数(20℃以下) 2.2 2.36 3.2 4.2 2.2 2.12 —
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1.3.2 难燃油
难燃油是因为变压器的防火性能不高而逐渐发展起来的，70年代初，在寻找变压器油的代用品的过程中，人们要求代用油的着火点不低于300℃，且不扩展火灾，300℃虽然是一个任选温度数值，但由于它比变压器油的着火点高一倍以上，因此，它作为表示油是难燃的恰当指标而被广泛接受。

早在上世纪50年代，美国就发明了硅油，1974年第一台硅油变压器问世，1977年英国GEC公司用难燃Midel7131合成脂(简称M 油)制造了第一台变压器，80年代初，英国开发了Formel油(简称F油)，第一台F油变压器也在1983年投产，美国DSI公司近年来陆续开发了石油类难燃油包括α油、β油、聚α烯等。

它们的性能指标见表1：1.3.3 植物油
2008年7月1日｜西门子能源(Siemens Energy)为德国电力公司EnBW开发出采用植物油绝缘液的变压器。

目前，EnBW正在德国西南部山林地区Bad Teinach-Zavelstein 附近的Teinach变电站部署采用这种新型绝缘液的变压器，旨在了解和记录这种变压器在实际工作条件下的运行性能。

西门子全新变压器采用的绝缘液由基于植物油(如油菜籽、大豆、葵花子油等)的天然酯类液体构成。

这使得绝缘液的燃点大幅提高并且可以完全降解。

此外，这些液体不会对水造成任何污染，这意味着这些液体适用于环境法规要求严格的地区。

此外，这种变压器经过严格密封，可防止空气中的氧气与绝缘液接触并产生负面影响。

这延长了变压器的使用寿命，增大了变压器负载容量，从而降低了运营商的开支
1.4 固体绝缘材料
变压器所用的固体绝缘材料是指材料本身形态为固体的或经过化学反应、物理变化为固体的绝缘材料。

变压器固体绝缘材料种类繁多，如绝缘纸、绝缘纸板、电工层压木、环氧玻璃布板、低介损层压板、绝缘漆、绝缘胶、棉布带、紧缩带、网状无纬聚脂带等
等。

对我们油浸变压器来讲，我们最关心的是下面这些固体绝缘材料。

1.4.1绝缘纸
绝缘纸分为植物纤维纸和合成纤维纸两类。

不同的纤维素分子结构决定了绝缘纸不同的浸渍性、机械性能和电气性能。

1.4.1.1纯硫酸盐木浆绝缘纸
目前国内常见的绝缘纸包括：
电力电缆纸，用于35KV及以下的电力变压器或其他电器产品的绝缘。

产品分DLZ-V、DLZ-A和DLZ-B三级，厚度分80μm、130μm和170μm三种，为卷筒纸。

高压电缆纸，适用于110~330KV变压器，其为卷筒纸。

变压器匝绝缘纸，也是高压电缆纸的一种，只不过性能更好一些，可用于500kV变压器、互感器和电抗器。

电话纸，是用未漂硫酸盐木浆制造的，主要用于生产电话电缆，也有变压器厂把它用在变压器的生产上，电话纸还用做绝缘皱纹纸的原纸。

电话纸按质量分为A、B、C三等，其中A、B用于制造通讯电缆。

电话纸分为DH-50、DH-75两个规格，电话纸为卷筒纸。

绝缘皱纹纸，是由电工用绝缘纸经起皱加工而制成的。

沿其横向有皱纹，拉伸时皱纹被拉开。

因起皱加工程序不同，可制成伸长率不同的皱纹纸。

绝缘纸的厚度一般为
0.05mm~0.12mm,伸长率范围为5%~200%。

绝
缘皱纹纸常用于油浸式变压器的绕包绝缘，如绕组出头，引线及绝缘屏的绝缘包扎。

1.4.1.2加腈绝缘纸
丹尼森纸，又称为腈化纸，其在制造过程中，在纸浆中加入双腈胺、乙烯氰等。

由美国丹尼森公司生产，特点是该纸起皱后，经过压光，具有较好的机械强度和适当的延伸率，是大型变压器绕组匝绝缘的理想材料，用它包扎换位导线可保证包紧而不会出现胀包的现象。

1.4.1.3合成纤维纸
Nomex纸，是由美国杜邦公司生产的耐热合成纤维纸。

其主要成分是芳香聚酰胺，具
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有良好的热老化性。

在250℃的高温下仍具有很高的表面电阻率(1013 Ω/cm²)和体积电阻率(1011 Ω/cm³)； NOMEX®绝缘纸的电气性能非常突出，可以归纳为下面几点： ★在很宽的频率范围内，在200℃及以下温度时，介质损耗始终在0.01；
★它的相对介电常数只有1.5-2.5，比很多常用的绝缘材料都低；
★它的工频击穿电压达35kV/mm，并且沿面放电起始电压很高。

★具有良好的机械性能，防潮性能和阻燃性
1.4.1.4用于屏蔽电极的绝缘材料
半导电电缆纸，用100%的本色硫酸盐木浆制造而成。

在其中加入碳纤维等使表面电阻率控制在104Ω~106Ω之间。

半导体电缆纸又称半导体纸。

分单色和双色两种。

半导体电缆纸主要用于高压引线和高压电器的屏蔽。

它可使电场均匀。

金属化皱纹纸，底纸为带色的电缆纸，单面有铝箔。

电缆纸和铝箔用黏合剂粘和后起皱制成。

用于包扎静电板、静电屏、端环及引线和出头的屏蔽。

金属化纸，其底纸为0.2mm厚的绝缘纸，铝箔厚度为0.02mm。

用于地屏及静电屏。

1.4.2 绝缘纸板
层压纸板由硫酸盐木浆抄纸制成。

用于饼式绕组的油隙垫块、隔板、纸板筒、瓦楞纸、铁轭绝缘、夹件绝缘和端绝缘绕组压板等。

按密度分为低密度纸板(T3软纸板)、中密度纸板(T1纸板)、高密度纸板(T4硬纸板)；按纸板成型工艺分为热压型纸板和压光型纸板。

绝缘筒有软、硬纸板筒、酚醛胶纸筒、环氧玻璃布筒和玻璃钢筒等。

形成绕组骨架和绝缘。

瓦楞纸板代替撑条形成纸筒间的油隙。

这种绝缘结构可在保证绝缘性能的基础上节省绝缘材料。

有间断大瓦楞和连续小瓦楞纸板两种。

电工层压制品是由纸、布及木质单板做底材，浸涂不同的胶粘剂，经热压或卷制而制成的层状结构的绝缘材料。

层压制品主要包
括层压板、层压木等。

层压制品的性能取决于底材和胶粘剂的性质及其成型工艺。

目前，优质的电工层压木、层压纸板已广泛用于大型变压器。

1.4.3 成型绝缘件
成型绝缘件均匀各部电场的作用不容忽视。

但前段国内成型绝缘件的制作水平和生产能力有限，尤其是用于换流变压器出线绝缘的整体出线装置等关键绝缘材料还依赖进口。

2.我国变压器用绝缘材料的发展趋势
随着我国经济的快速发展及西部大开发，特别是去年经济危机爆发后，国家在电力事业上的大手笔投资，极大的刺激了变压器行业的发展。

电压等级从500kV向750kV、1000kV飞速跨越，±500kV、±800kV换流变压器也陆续通过试验。

与之相配套的关键绝缘材料-高密度大张绝缘纸板、绝缘成型件、网侧阀侧整体出线装置等产品的需求量越来越大，始终供不应求。

据测算，去年我国变压器行业用于特高压，超高压变压器的生产需要30000吨高密度大张绝缘纸板，但是，国内仅有泰州魏德曼每年生产8000余吨，除大量进口外，别无其它选择。

特别是高密度大张绝缘纸板的生产技术始终控制在国外公司手中，严重的影响和制约了我国变压器生产，特别是特高压，超高压变压器的生产。

国家发改委明令特高压输变电设备国产化，换流变压器生产所用的绝缘材料也日益需求国产化。

尤其是沈西保几家在换流变生产过程中，都不同程度受到进口绝缘件不能按时到货，严重影响换流变压器生产进度的困扰，
用于特高压、换流变压器产品的高端绝缘件的国产化，成为变压器产品发展的当务之急。

2.1高密度大张绝缘纸板
真对这样严峻的局面，国内几家纸板
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生产厂家根据市场需要，瞄准国际先进水
平，自行开发了拥有自主知识产权的新一代
绝缘材料-高密度大张绝缘纸板。

高密度大张绝缘纸板系采用进口未漂
硫酸盐木浆为原料精制而成，具有机械强度
好，电气强度高，压缩系数小的特点，代替
进口大张纸板，用于特高压，超高压变压器
的绝缘。

目前，具备高密度大张绝缘纸板生产
能力的部分国内厂家例如：
常州英中电气有限公司：
产品规格：高密度大张绝缘纸板
产品尺寸：3000mm X 6000mm (宽X长)
产品厚度：1、1.5、2、3、4、5、6、
8mm
2009年生产能力：7000 吨
辽宁兴启纸业有限公司：
产品规格：高密度大张绝缘纸板
产品尺寸：2260mm X 4400mm (宽X长)
产品厚度：0.8、1、1.5、2、3、4、5、
6mm
2009年生产能力：3000 吨
2010年生产能力：4000 吨
湖南新邵县广信电绝缘材料有限公司：
产品规格：高密度大张绝缘纸板
产品尺寸：2100mm X 4200mm (宽X长)
3200mm X 4200mm (宽X长) 产品厚度：1～6 mm
2009年生产能力：2100mm X 4200 mm4000 吨 3200mm X 4200mm 3000 吨 2010年生产能力：2100mm X 4200 mm4500 吨 3200 mm X 4200 mm 4500 吨
山东潍坊中天纸业有限公司：
产品规格：高密度大张绝缘纸板
产品尺寸：2200 mm X 4400 mm(宽X
长)
产品厚度： 1、1.5、2、3、4、5、6 、
8 mm
2009年生产能力：5000 吨
辽阳赛伦工业纸板有限公司：
产品规格：高密度大张绝缘纸板
产品尺寸： 产品厚度：
2009年生产能力：12000 吨
2.2绝缘成型件
在超、特高压电力变压器和换流变压器中，为了提高变压器的电气性能，其线圈和引线绝缘部件均是按电场等位面来仔细设计的。

对此类绝缘部件的形状、尺寸和技术性能均有极高的要求。

国内几家纸板厂用湿法成型技术制造成型绝缘件和异形件具有形状稳定，尺寸精确，机械强度好，电气性能高，压缩系数小的特点，可以替代进口材料。

湿法成型绝缘件采用高密度大张绝缘纸板的湿纸板，并且经过计算机控制的X射线成像仪的检测，因此，首先在原材料上对质量提供了保证。

在此基础上，采用铝摸，真空脱水，低温干燥等成型技术，保证了电气性能和机械性能。

目前，具备湿法成型技术制造成型绝缘件和异形件生产能力的部分国内厂家例如：
常州英中电气有限公司：
产品规格：湿法成型绝缘件。

包括整
体角环，引线屏蔽，复杂
绝缘成型部件等。

产品尺寸：按用户图样要求，最大达φ3000 mm。

产品厚度：按用户图样要求，最厚达
10 mm。

2009年生产能力：15000台套。

辽阳赛伦工业纸板有限公司：
产品规格：湿法成型绝缘件。

包括整
体角环，引线屏蔽，复杂
绝缘成型部件等。

产品尺寸：按用户图样要求
2.3 几种新型的绝缘纸
随着变压器产品的电压升高，容量增大，用途增多，传统的电缆纸已经难以满足其绝缘要求了。

几种更高性能的绝缘纸产品也就应运而生。

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2.3.1 芬兰纸
特点是纸的耐压水平是普通电缆纸的8-10倍。

2.3.2 杜邦NOMEX纸
随着磁浮列车和高频电机的发展，最近，杜邦公司在原有产品的基础上，又开发出许多新产品，其中有一些具有高频下耐电晕性能的产品比如NOMEX418等。

针对绝缘材料高频下绝缘性能试验和相关数据，国内一直也没有这一方面的资料这一问题。

今年年初杜邦公司从美国引进一台绝缘材料的测试试验设备。

对杜邦公司生产的绝缘材料进行相关的材料绝缘老化试验和耐受电压试验。

该试验项目向杜邦产品用户免费开放。

表2 几种NOMEX纸的电气性能2.3.3 3M纸
由美国3M公司开发生产，大多用于干式变压器。

2.3.4 GS 陵格绝缘纸(绵阳国顺电气有限公司)
纸板击穿电压比普通绝缘纸提高8倍左右。

介电系数与变压器油相当。

电气性能高于普通电缆纸。

3 结语
绝缘材料的制造水平，既可以制约变压器的发展，又能促进变压器的进步。

电力事业的蓬勃发展，给变压器制造行业带来了机遇，也迎来了挑战，只有充分认清形式，把握好方向，才会立于不败之地。

面对高压输变电设备国产化的挑战，许多国内绝缘件生产厂家都勇敢的迎接挑战，生产出具有自主知识产权的新一代绝缘材料，力争替代进口产品。

也希望我们的变压器生产厂家能给国内产品一定的机会，共同获得更快的发展。

作者简介：郭振岩(1964－)，男，工学博士后，教授级高工，变压器研究。

标称厚度
mm 全波冲击
电压
kV/mm
快速上升
电压
kV/mm
0.08 39 22 NOMEX
纸410 0.13 55 27
0.08 63 30.3 耐电晕
NOME纸0.13 63 35.5
6。