美国H-J为风电场变压器推出高温环氧树脂套管

　　风力发电机设计的功率尺寸不断增加，同时减少了机舱区域中为变压器提供的空间。 这给变压器套管设计带来了若干挑战，其中之一是环境温度的显着升高。 因此，美国H-J 公司开发了一种用于变压器套管的新型高温环氧树脂，以帮助变压器制造商匹配其高温绝缘系统。

　　这种新型高温环氧树脂适用于在 155°C 下连续使用，从而允许用户的系统在更热的情况下运行，并将更高功率设备容入更小的空间中。美国H-J 目前生产的套管采用专有环氧树脂混合物，最高工作温度为 105、120 和 155°C。

　　由美国H-J 的工程团队撰写的以下论文将提供有关这个非常重要主题的详细信息，我们很高兴与您分享。

　　摘要

　　由于电力行业应用的需求快速变化，电绝缘组件设计变得越来越具有挑战性。 降低成本和提高性能要求对传统绝缘解决方案提出了新的挑战。 现代绝缘元件设计必须突破介电性能的极限，同时最大限度地提高各种环境中的机械强度特性。 特别是，太阳能和风能等可再生能源的使用、尺寸和规模的最新进展需要能够在高温环境中提供高介电强度和机械强度的增强性能的环氧树脂绝缘材料。

　　本文总结了环氧树脂组件绝缘的简要历史和现状，并评论了在高温应用中需要增强材料性能的应用所取得的进步。

　　索引词：环氧树脂、高温、绝缘子、套管、电力变压器、开关设备。

 

　　Ⅰ.介绍

　　自 1960 年代以来，环氧材料一直用于北美的电气绝缘应用。 材料的进步导致了性能的提高，自那时起，环氧树脂在绝缘组件设计中的使用稳步增长。

 

组件类型	典型应用	材料/环境
开关和母线（Standoff）绝缘子	开关设备 母线槽	Bis-A 环氧树脂 – 封闭式应用 脂环族环氧树脂 – 户外应用
顶部进入式或顶盖安装式套管	开关设备 配电断路器	脂环族环氧树脂 – 户外应用
变压器套管	配电变压器 电力变压器	Bis-A 环氧树脂 – 封闭式应用 脂环族环氧树脂 – 户外应用
可分离连接器（Deadbreak 套管）	配电变压器 开关设备	脂环族环氧树脂 SF6 兼容环氧树脂

　　

　　与传统绝缘材料相比，使用浇注树脂系统带来的设计灵活性具有许多优势。 随着脂环族环氧树脂材料的开发，最初在基本封闭应用中使用双酚 A (Bis-A) 材料的应用演变为户外、紫外线暴露应用。 现在，环氧树脂材料广泛用于各种环境中的电气绝缘应用，包括户外、紫外线暴露; 高污染环境; 高环境温度环境; 以及气体绝缘系统，例如 SF6。

　　典型的环氧树脂材料和环境有：

• 双酚 A：室内应用或无紫外线照射的全封闭室外应用。
• 脂环族：暴露在紫外线下的户外应用。
• SF6 兼容：气体绝缘系统。

 

　　Ⅱ.趋势

　　设备设计的不断进步和新应用的发展产生了对环氧树脂材料的需求，这些材料在电气、热和机械性能方面表现出增强的特性。 最近，随着超过 105°C 和 120°C 的最常见工业温度等级的更高工作温度的趋势，需要开发能够在显著更高的 Tg(玻璃化转变温度)和 HDT(热变形温度)下工作的环氧树脂。 Tg 和 HDT 属性更明确的定义如下：

　　A.玻璃化转变温度 (Tg)

　　是材料改变状态的温度范围，从玻璃状的刚性固体到更柔韧的橡胶状化合物。

　　B.热变形温度 (HDT)

　　通常称为热变形温度或热畸变温度是聚合物在指定载荷下变形的温度。’HDT 是材料不能用于结构应用的温度极限的有用指标……’

 

　　这种更高工作温度趋势的主要驱动因素是：

• 设备设计：降低成本和空间限制导致设备占地面积更小，冷却能力降低; 以及对在更高电流密度下运行的载流部件进行更高效的部件设计的要求。 因此，更高的环境温度和组件工作温度更为普遍。

　　

　　悬臂载荷试验

 

• 不断发展的技术和应用：太阳能和风能发电的显著增加给变压器和开关设计带来了新的挑战。 变压器设计变得更加紧凑以在高电流下运行，通常是在过载条件下。 超过 40°C 的极高环境温度很常见，在某些情况下，在无法使用传统冷却方法的外壳中连续运行时高达 75°C。

　　在所有情况下，这些操作条件都与典型的组件设计标准形成鲜明对比。

 

　　美国H-J 公司的化学工程师开发并实施了环氧树脂配方解决方案，以满足这些更苛刻的要求。 基本挑战是为组件设计一种能够承受高环境温度和高连续工作温度的配方。 从而开发出一种能够在这些特殊条件下运行的环氧树脂绝缘材料，同时保持所需的电气和机械性能。 该材料作为增强型双酚 A 环氧树脂，可提供高于 155°C 级操作要求的 Tg 和 HDT 性能。 这些材料允许组件在 155°C 或更高温度下运行，而不会对材料的结构性能产生不利影响。 是否适合在高于 155°C 的额定温度下运行可能因应用和组件几何形状而异。

　　

　　美国H-J 高压试验室

 

	标准	单位	数值
介电性能
体积电阻率	ASTM  D257	Ω-cm@25℃5.7	5.7×1015
介电强度	ASTM  D149-09	V/MIL0.125"THICK	680
介电常数	ASTM  D150-11	@23℃，600Hz	＞4.0
损耗因数	ASTM  D150-11	@23℃，600Hz	0.01
倾斜平面跟踪	ASTM  D2303	MINUTES@2.5KV	＞500
机械性能
抗弯强度	ASTM  D790-10procA	psi	13000
抗压强度	ASTM  D695-10	psi	＞22,000
抗拉强度	ASTM  D638	psi	7,600
IZOD抗冲击性	ASTM  D256-10 methodA	ft-lb/in2	0.32
连续工作温度，等级		℃	＞155
可燃性测试	ASTM  D3801，IEC707，ISO1210	1/4“Thickness	V0
吸水率	ASTM  D570	%wt.	0.10%

　　

　　Ⅲ.材料数据和测试总结

　　进行了一系列材料测试以验证增强型 Bis-A 环氧树脂系统在这些应用中的适用性。 下面总结的测试验证了材料的技术特性，并确认其适用于这些操作环境中的绝缘组件设计。 结果满足或超过本文档中概述的环境的要求。

 

　　Ⅳ.迄今为止的设计和应用：高工作温度和环境温度

　　如前所述，提高工作温度要求的主要驱动因素是包括风能和太阳能发电在内的新技术。

　　特定于这些部门的组件开发包括：

• 变压器套管：通常具有高载流能力或高电压应用，加上高环境温度。

　　

　　美国H-J 套管示例

 

• 高过载应用：客户需要常规环氧树脂无法满足的频繁过载能力和有限的寿命损失。
• 可分离的连接器，例如风电场变压器和太阳能应用中使用的deadbreak bushings.
• 太阳能逆变器应用中使用的电缆终端套管。

 

　　Ⅴ.总结和结论

　　更优化的产品设计和新技术应用的趋势继续推动材料研究，以确保组件设计中使用的绝缘材料能够应对这些挑战。 环氧树脂提供的设计灵活性，加上额定用于高工作温度和环境温度的材料的可用性，继续使环氧树脂绝缘解决方案成为现在和未来绝缘组件设计的首选。

　　网页： 聚合物特性数据库 2015, 可用:

　　https://polymerdatabase.com/ polymer%20physics/HeatDistortion.html

　　

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