توسعه و ویژگی‌های فنی ترانسفورماتورهای خشک در مناطق مختلف

پیش از دهه ۱۹۶۰، ترانسفورماترهای خشک عمدتاً از عایق کلاس B در طراحی‌های با ورودی هوا باز استفاده می‌کردند، با مدل محصول به نام SG. در آن زمان، پیچاندن فولادی در دسترس نبود، بنابراین پیچ‌های ولتاژ پایین معمولاً با رساناهای چند سیمی در پیکربندی‌های لایه‌ای یا مارپیچی ساخته می‌شدند، در حالی که پیچ‌های ولتاژ بالا طراحی دیسکی داشتند. رساناهای استفاده شده شامل سیم‌های پیچیده با فیبر شیشه‌ای دوگانه یا سیم‌های پوشیده با فیبر شیشه‌ای تک‌لایه با پوشش رزین آلیک بودند.

بیشتر مؤلفه‌های عایق دیگر از مواد فنولیک فیبر شیشه‌ای ساخته شده بودند. فرآیند ترکیب شامل استفاده از ورنیس عایق کلاس B برای ترکیب پیچ‌های ولتاژ بالا و پایین در دمای محیط و فشار معمولی، به دنبال خشک کردن در دمای متوسط (با دماهای حداکثر ۱۳۰ درجه سانتیگراد) بود. اگرچه این نوع ترانسفورماتر خشک نسبت به ترانسفورماترهای غوطه‌ور در روغن از نظر مقاومت در برابر آتش پیشرفت قابل توجهی داشت، اما عملکرد آن در مقاومت در برابر رطوبت و آلودگی کافی نبود.

به عنوان نتیجه، تولید این نوع متوقف شده است. با این حال، طراحی موفقیت‌آمیز محاسبات الکتریکی، مغناطیسی و حرارتی آن، همراه با پیکربندی ساختاری، پایه‌ای محکم برای توسعه بعدی ترانسفورماترهای خشک با عایق کلاس H باز و با ورودی هوا فراهم کرد.

در ایالات متحده، برخی تولیدکنندگان مانند شرکت FPT در ویرجینیا، ترانسفورماترهای خشک با استفاده از ماده آرامید NOMEX® شرکت DuPont به عنوان عایق اصلی توسعه داده‌اند. FPT دو مدل محصول ارائه می‌دهد: نوع FB با سیستم عایق با دمای ۱۸۰ درجه سانتیگراد (کلاس H)، و نوع FH با دمای ۲۲۰ درجه سانتیگراد (کلاس C)، با افزایش دماهای پیچ ۱۱۵K (۱۲۵K در چین) و ۱۵۰K به ترتیب. پیچ‌های ولتاژ پایین از فولاد یا پیچ‌های چند سیمی لایه‌ای استفاده می‌کنند، با عایق بین دورها و لایه‌ها از NOMEX®.

پیچ‌های ولتاژ بالا از نوع دیسکی هستند، با رساناهای پوشیده شده با کاغذ NOMEX®. به جای بلاک‌های جداکننده معمولی بین دیسک‌های پیچ، از جداکننده‌های شکل مشط استفاده می‌شود که به طور مؤثری ولتاژ قله بین دیسک‌ها را نصف می‌کند و مقاومت کوتاه‌مداری محوری پیچ‌های ولتاژ بالا را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد—هرچند این کار پیچیدگی پیچ و زمان تولید را افزایش می‌دهد. پیچ‌های ولتاژ بالا و پایین به صورت هم‌مرکز پیچیده می‌شوند تا مقاومت مکانیکی را بهبود بخشند. برخی از طراحی‌ها نیز از تخته‌های عایق NOMEX® به عنوان جداکننده‌ها و بلاک‌ها استفاده می‌کنند.

اسیلوارهای عایق بین پیچ‌های ولتاژ بالا و پایین از کاغذبرد NOMEX® با ضخامت ۰.۷۶ میلی‌متر ساخته شده‌اند. فرآیند ترکیب از چندین دور ترکیب تحت فشار خلاء (VPI) به دنبال خشک کردن در دمای بالا (به دمای ۱۸۰-۱۹۰ درجه سانتیگراد) استفاده می‌کند. در FPT، این ترانسفورماترهای با حداکثر ولتاژ ۳۴.۵ kV و ظرفیت حداکثری ۱۰,۰۰۰ kVA تولید می‌شوند. این فناوری مجوز UL در ایالات متحده را دریافت کرده است.

در چین، برخی از تولیدکنندگان ترانسفورماتر مواد عایق NOMEX® شرکت DuPont و مشخصات ساخت مربوطه (مانند HV-1 یا HV-2) را همراه با استانداردهای فنی ترانسفورماتر Reliatran® برای تولید ترانسفورماترهای خشک با عایق کلاس H از نوع SG، مشابه نوع FB شرکت FPT، اتخاذ کرده‌اند. با این حال، برخلاف FPT، تولیدکنندگان داخلی معمولاً فقط پیچ‌ها را ترکیب می‌کنند و نه کل ترانسفورماتر. اگرچه ترکیب کامل بدنه ارتباط کلی بهتری فراهم می‌کند، اما ظاهری کمتر جذاب دارد و نیاز به انجام تمام آزمون‌های محصول قبل از درمان دارد. علاوه بر این، ورنیس ترکیبی بیشتر به آلودگی آسیب‌پذیر است، که ترکیب فقط پیچ‌ها را در زمینه چینی یک انتخاب عملی‌تر و منطقی‌تر می‌کند.

در اروپا، توسعه ترانسفورماترهای خشک مسیر متنوع‌تری داشته است. علاوه بر فناوری‌های ریخته‌گری خلاء اپوکسی و پیچ، انواع دیگری نیز ظهور کرده‌اند، از جمله ترانسفورماترهای خشک با عایق جامد غیرریخته‌گری SCR و ترانسفورماترهای خشک با ورودی هوا از نوع SG مشابه آنچه در چین وجود دارد. در دهه ۱۹۷۰، یک تولیدکننده سوئدی ترانسفورماترهای خشک با ورودی هوا با استفاده از عایق NOMEX® توسعه داد. بعدها، یک تولیدکننده دیگر NOMEX® را با فیبر شیشه‌ای و DMD جایگزین کرد تا هزینه مواد را کاهش دهد.

ساختار پیچ شبیه محصولات عایق کلاس B اولیه بود، با پیچ‌های ولتاژ پایین چند سیمی یا فولادی و پیچ‌های ولتاژ بالا از نوع دیسکی. عایق بین دورها از فیبر شیشه‌ای ساخته شده بود و جداکننده‌ها از سرامیک بودند. سایر مؤلفه‌های عایق از لایه‌های کتان شده با رزین ایتر ایتر دیفنیل (برای اسیلوارها) یا لایه‌های کتان شده با رزین پلی آمید-ایمید (برای اسیلوارها)، DMD، SMC و مواد مشابه تشکیل شده بود. روش پردازش پیچ از VI (ترکیب تحت فشار خلاء) بدون اعمال فشار در زمان ترکیب استفاده می‌کرد.

نقاط کلیدی این فرآیند شامل انتخاب صحیح ورنیس ترکیب (رزین) و پارامترهای فرآیند، همچنین تولید قطعات سرامیکی است. سرامیک‌های معمولی نرم، بدون آغشته، مستعد رطوبت و شکست در شرایط تنش نامساوی یا گرادیان‌های حرارتی هستند. بنابراین، آنها باید دارای چگالی و سختی بسیار بالا باشند—کیفیتی که در حال حاضر فقط از طریق مواد وارداتی قابل دستیابی است.