應(yīng)用于變壓器在線監(jiān)測的絕緣油凈化技術(shù)

高赫

(江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇連云港222004)

電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測大大降低了維修周期內(nèi)的設(shè)備故障率，為設(shè)備狀態(tài)檢修提供依據(jù)并及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和異常征兆，確保設(shè)備安全運行，從而提高供電可靠性[1]。傳統(tǒng)的油絕緣變壓器維護(hù)采用以時間為基準(zhǔn)的TBM（Time Based Monitoring）方式，按照預(yù)防性試驗規(guī)程定期進(jìn)行例行檢查，既不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和潛在的故障風(fēng)險，也浪費大量的人力財力，同時還影響電力系統(tǒng)為用戶提供長期穩(wěn)定電源的能力。因此依托在線監(jiān)測技術(shù)的以實時狀態(tài)為基準(zhǔn)的CBM（Condition Based Monitoring）維護(hù)方式成為電網(wǎng)檢修發(fā)展的方向[2]。目前對于油絕緣變壓器的在線監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)有較多成果，但是對絕緣油的凈化處理較難滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求[3，4]。

變壓器油是變壓器的重要組成部分之一，他的絕緣可靠性直接影響線圈、分接開關(guān)等關(guān)鍵部位能否正常工作，關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)內(nèi)曾多次出現(xiàn)變壓器因油質(zhì)劣化問題造成變壓器退出運行的案例[5]。目前對變壓器絕緣油的例行試驗項目主要包括擊穿電壓、水分含量、介質(zhì)損耗因數(shù)、酸值和油中含氣量，以上檢測項目主要在常規(guī)例行離線檢測或者新投運交接檢測時完成。隨著電力變壓器在線監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，其裝用量已達(dá)到一定的規(guī)模，在線監(jiān)測裝置的檢測精度和穩(wěn)定性顯得尤為重要，也對絕緣油的凈化技術(shù)提出了更高的要求[6]。

1 在線監(jiān)測中絕緣油凈化技術(shù)原理

對于新投運變壓器或?qū)诵牟考M(jìn)行解體性檢修后重新投運的變壓器，需要對注入的變壓器油進(jìn)行凈化處理，以達(dá)到去除油中水分、機(jī)械顆粒雜質(zhì)、可燃性烴類和CO，CO2等雜質(zhì)氣體的目的，提高變壓器油的耐壓能力和絕緣強(qiáng)度。作為絕緣油在線監(jiān)測裝置的一項重要組成部分，需要滿足在規(guī)定的時間內(nèi)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)不同的電壓等級，及其對應(yīng)的絕緣油技術(shù)指標(biāo)，絕緣油凈化系統(tǒng)需要能夠提供不同的處理能力。

絕緣油凈化技術(shù)中提高凈化效率的關(guān)鍵在于油溫和真空度，尤其對于330 kV及以上等級的變壓器絕緣油，一般需要將含水量達(dá)到≤15mg/L（注意值）、含氣量達(dá)到≤3%（≤2%，750 kV）、顆粒雜質(zhì)半徑1μm以下，此時需要對絕緣油進(jìn)行深度脫水和脫氣處理。適當(dāng)提高油溫可以降低油黏度，提高雜質(zhì)被凈化劑吸收的速度，從而增加凈化效率，但是油溫過高會導(dǎo)致絕緣油自然老化加快，且油中摻雜的抗氧化劑損耗加劇，降低油的品質(zhì)。因此凈化過程中應(yīng)該將油溫控制在50～60℃，最高不可超過80℃。真空度的提高一般通過多級真空泵級聯(lián)的形式來實現(xiàn)，利用絕緣油飽和蒸汽壓強(qiáng)遠(yuǎn)低于溶解氣體的特性進(jìn)行凈化，因此需要增大絕緣油的表面積，提高氣體逸出效率，同時要及時地排除分離出的雜質(zhì)氣體，保證真空分離室的工作環(huán)境。另外，為了滿足在線監(jiān)測的實時性需求，需要在過濾油路的前端增加絕緣油質(zhì)量檢測模塊，根據(jù)檢測結(jié)果實現(xiàn)對各凈化子模塊的實時控制。

綜上所述，對絕緣油的凈化處理包括在線監(jiān)測模塊以及真空脫氣模塊、分級雜質(zhì)過濾模塊和精確控制脫水模塊，各功能模塊通過在線監(jiān)測模塊獲取的油品數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在線監(jiān)測模塊的關(guān)鍵技術(shù)是保證檢測數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，因此常規(guī)的油色譜分析無法滿足要求，油品的測試通過檢測水分含量和耐壓強(qiáng)度來進(jìn)行。從結(jié)構(gòu)上來說，為了防止超過30μm以上的機(jī)械顆粒雜質(zhì)干擾在線監(jiān)測的穩(wěn)定運行，將分級雜質(zhì)過濾模塊中的第一級粗過濾器設(shè)置在進(jìn)油口到在線監(jiān)測裝置之間。同時，根據(jù)不同的變壓器油流速差異，進(jìn)油口設(shè)置進(jìn)油流量調(diào)節(jié)閥，選擇合理的進(jìn)油速度達(dá)到優(yōu)化凈化處理效率的目的。某些低電壓等級變壓器對凈化能力要求不高，無須使用高真空的分離室脫氣，而選用高分子復(fù)合濾芯同時濾除水分和雜質(zhì)顆粒，這種情況下在線監(jiān)測模塊將取消真空脫氣模塊，直接將粗過濾后完成油品檢測的絕緣油直接送入分級雜質(zhì)過濾模塊中。在線監(jiān)測模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

絕緣油經(jīng)過粗過濾器后已經(jīng)去除大顆粒和金屬屑，再經(jīng)過紅外加熱器加熱到合適的溫度，進(jìn)入真空分離室，在噴淋裝置轉(zhuǎn)化下分散成霧狀，并且在分離室沿著蜂巢形結(jié)構(gòu)形成很薄的油膜向下流動，從而產(chǎn)生較大的揮發(fā)面積和滯留時間，使水分與雜質(zhì)氣體充分的逸出。實現(xiàn)凈化后的絕緣油通過油泵進(jìn)入分級過濾模塊，水分與雜質(zhì)氣體通過排氣裝置排出。真空脫氣模塊的流程框圖如圖2所示。

圖2 真空脫氣模塊的流程框圖

真空脫氣模塊主要應(yīng)用于較高電壓等級的變壓器絕緣油凈化處理，為了達(dá)到高效分離雜質(zhì)氣體的目的，需要滿足以下條件：良好的真空提升能力，使用三級真空泵組成的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，迅速將真空分離室抽到較高真空度；帶溫度監(jiān)控的自動加熱裝置，保證油路循環(huán)到真空分離室時能達(dá)到合適的工作溫度；高效率的排氣排水裝置，將凈化過程中分離出的水分和雜質(zhì)氣體迅速排出凈化系統(tǒng)，適應(yīng)長期不間斷的在線運行要求。

為實現(xiàn)以上功能，當(dāng)絕緣油通過在線監(jiān)測模塊后，首先接入紅外加熱裝置，根據(jù)不同的流速計算相應(yīng)的加熱功率，利用溫度控制儀控制加熱器功率保證溫度在50～60℃。加熱后的絕緣油經(jīng)過霧化噴淋裝置送入真空分離室，在蜂巢形結(jié)構(gòu)的閃蒸塔充分滯留分離氣體雜質(zhì)，凈化后的油液從底部經(jīng)過冷卻送入分級過濾模塊中。揮發(fā)出的氣體雜質(zhì)和水蒸汽的混合物首先通過水氣分離裝置將主要的水分冷凝成液態(tài)排出，再通過多級級聯(lián)的真空泵組抽出氣體成分，保證真空分離室足夠的真空度。真空脫氣模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 真空脫氣模塊結(jié)構(gòu)圖

分級過濾模塊的第一級需要過濾大于30μm的機(jī)械雜質(zhì)，包括因碰撞脫落的大顆粒物以及維修或者運行磨損過程中產(chǎn)生的金屬碎屑等，設(shè)置于進(jìn)油口和在線監(jiān)測裝置之間。第二級過濾裝置需根據(jù)不同的電壓等級和凈化需求而定。當(dāng)電壓等級較低，例如110 kV以下的變壓器，一般只需雜質(zhì)顆粒不超過20μm即可，此時采用簡化的分級過濾設(shè)計，將第二級雜質(zhì)過濾合并到脫水模塊中，形成過濾、脫水復(fù)合過濾器，以水含量滿足要求為標(biāo)準(zhǔn)，將絕緣油處理合格后回送到變壓器中。此時分級過濾模塊及脫水模塊如圖4所示。

圖4 低凈化需求下的分級過濾模塊以及脫水模塊

對于高凈化等級的分級過濾模塊，需要在脫氣完成后再進(jìn)行兩級過濾，第二級過濾器去除10μm以上的固體雜質(zhì)，再通過第三級精密過濾器將雜質(zhì)水平降低到1μm以下。其中，第二級過濾器不僅實現(xiàn)前級過濾功能，同時對精密過濾器起到保護(hù)作用。過濾后的油樣通過取樣口連接到在線監(jiān)測模塊實現(xiàn)油品監(jiān)控，并送入精確脫水模塊。高凈化等級的分級過濾模塊如圖5所示。

圖5 高凈化等級的分級過濾模塊

精確脫水模塊一般在高凈化等級的情況下有較高的實用價值。因高電壓等級下絕緣油中水含量要求較高，超過0.01‰會導(dǎo)致絕緣油的耐電強(qiáng)度下降，變壓器中會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，而過于干燥條件下會導(dǎo)致變壓器繞組中夾件的夾緊力減小，在雷擊或者開關(guān)動作時變壓器經(jīng)受機(jī)械或電動沖擊力作用下，變壓器繞組易產(chǎn)生變形。而且過分干燥也會影響絕緣油添加劑和抗氧化劑的性能，導(dǎo)致變壓器油老化速率升高，因此，一般500 kV以上變壓器的水分含量不宜低于5mg/L。

基于上述需求，精確脫水模塊在傳統(tǒng)的脫水技術(shù)基礎(chǔ)上，通過內(nèi)置式微水檢測儀實時測定絕緣油中水含量，將該數(shù)據(jù)引入在線監(jiān)測模塊中，通過軟件來控制脫水模塊的工作狀態(tài)，當(dāng)微水含量介于5～10mg/L時停止脫水模塊的運行。

3 結(jié)束語

（1）整個技術(shù)方案為模塊化設(shè)計，可根據(jù)實際需要進(jìn)行組件選擇，可滿足不同油質(zhì)、不同電壓等級、不同凈化需求的變壓器進(jìn)行最優(yōu)組合，以合理的成本高效地完成絕緣油凈化。

（2）所有模塊的油品質(zhì)檢測和油凈化處理都具有實時性，能夠滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

（3）真空脫氣模塊采用級聯(lián)真空泵，能夠滿足高真空度的需求，達(dá)到高電壓等級變壓器的絕緣油凈化標(biāo)準(zhǔn)，而且高真空度有助于最短時間實現(xiàn)油氣分離，降低凈化系統(tǒng)的運行時間，提高利用效率。

（4）通過油中水含量檢測精確控制干燥的強(qiáng)度，避免由于過度凈化影響絕緣油的使用壽命。

綜上所述，應(yīng)用于在線監(jiān)測的絕緣油凈化技術(shù)能夠很好地滿足當(dāng)前基于在線監(jiān)測的檢修系統(tǒng)需求，在降低成本的基礎(chǔ)上提高油處理的效率，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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