油浸式變壓器絕緣系統(tǒng)智能除水裝置的研制

張瑞亮 孫勇 呂剛 唐華東 王偉 謝志迅

摘要：變壓器是變電站中最核心的設(shè)備，變壓器絕緣的使用壽命和健康狀態(tài)決定了變電站的供電可靠性。變壓器的使用壽命主要取決于其絕緣系統(tǒng)特別是絕緣油紙的使用壽命，而影響變壓器絕緣油紙壽命的三大要素是水分、氧氣和溫度，其中水分的作用最明顯。為此，設(shè)計(jì)了一種基于分子篩吸附原理的變壓器絕緣系統(tǒng)智能除水裝置，其可以實(shí)現(xiàn)變壓器的在線干燥。

關(guān)鍵詞：變壓器;油紙絕緣;絕緣老化;分子篩;過濾;除水;智能干燥

0 引言

變壓器是變電站的核心設(shè)備，變壓器的使用壽命主要取決于其絕緣系統(tǒng)的使用壽命。變壓器的絕緣系統(tǒng)主要由油和絕緣紙板組成，纖維質(zhì)的絕緣紙對絕緣系統(tǒng)使用壽命影響最大，影響變壓器絕緣紙使用壽命的三大要素是水分、氧氣和溫度，其中水分的作用最明顯。

變壓器絕緣材料從生產(chǎn)完成之后就開始了或快或慢的老化過程。傳統(tǒng)的變壓器運(yùn)行維護(hù)都是基于對變壓器絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)、介質(zhì)損耗、繞組泄漏電流、油中微水等參數(shù)的檢測，分析變壓器是否受潮，判斷絕緣是否降低或老化，然后采取離線檢修或在線濾油的方式對絕緣系統(tǒng)進(jìn)行翻新維修，通過真空濾油、熱油循環(huán)、低頻加熱或氣相干燥等方法，去除油中的雜質(zhì)、氣體以及水分等。這種定期、被動(dòng)的變壓器維護(hù)方式，已經(jīng)落后于目前國際大電網(wǎng)會(huì)議組織提倡的設(shè)備狀態(tài)檢修和主動(dòng)運(yùn)維的理念。

為了更好地維護(hù)變壓器，延長變壓器使用壽命，本文針對現(xiàn)有傳統(tǒng)干燥技術(shù)存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一種油浸式變壓器絕緣系統(tǒng)智能除水除水裝置。

1 變壓器絕緣老化機(jī)理

1.1? ?變壓器絕緣老化因素

變壓器中的水分、氧氣、油老化產(chǎn)生的酸和各種顆粒會(huì)在絕緣系統(tǒng)中緩慢擴(kuò)散，并在熱、電、電磁場及其應(yīng)力的影響下，明顯縮短變壓器的使用壽命。變壓器絕緣老化模型如圖1所示。

1.1.1? ? 水分

變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中存在的水分主要來自于3處：（1）變壓器在工廠生產(chǎn)干燥期間未去除的殘留水分;（2）變壓器安裝及運(yùn)行過程中，空氣進(jìn)入油箱所含水分;（3）變壓器絕緣紙纖維和油的老化分解產(chǎn)生水分。變壓器絕緣遭水污染的主要來源是大氣濕氣，濕空氣的滲入或游離水在密封不良且壓力作用下進(jìn)入油箱，例如下雨降溫時(shí)，變壓器內(nèi)部壓力快速下降，如果密封不足，部分雨水可能在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)被快速吸入變壓器內(nèi)部。另外，絕緣材料在接觸到空氣時(shí)，絕緣材料受潮也是變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中存在水分的一個(gè)重要因素。在絕緣材料溫度升高的情況下，絕緣老化也會(huì)產(chǎn)生水分并破壞絕緣性能。大部分情況下，水分會(huì)在繞組熱點(diǎn)附近生成。水會(huì)溶解在油里，隨著油的極性老化，油的氧化性也變大，其水溶性也會(huì)增加。

1.1.2? ? 顆粒物

變壓器油中的顆粒物來源主要有絕緣材料中的纖維、鐵、鋁、銅以及制造過程中產(chǎn)生的顆粒。

變壓器在正常或過載溫度下運(yùn)行會(huì)逐步老化并形成污泥顆粒，變壓器溫度超過500 ℃的局部過熱可能會(huì)形成碳顆粒，而金屬顆粒主要來自潛油泵軸承的磨損。

顆粒物污染是變壓器絕緣強(qiáng)度下降的主要因素，最危險(xiǎn)的顆粒是導(dǎo)電顆粒，包括金屬、碳以及濕纖維。大量變壓器故障都是顆粒物污染引起的，對顆粒物進(jìn)行識(shí)別和計(jì)數(shù)是變壓器狀態(tài)監(jiān)測和評估的重要依據(jù)，去除顆粒物則是變壓器油處理的重要目標(biāo)。

1.2? ? 變壓器絕緣老化過程

絕緣老化是一種化學(xué)現(xiàn)象，是水解、熱解和氧化各種機(jī)制同時(shí)作用造成的。絕緣老化過程如圖2所示。

水解是指化合物通過與水反應(yīng)而分解。絕緣材料的主要成分纖維素是由許多葡萄糖基借助1-4配醣鍵連接起來的大分子，容易在酸性水溶液和高溫水的作用下水解，從而生成呋喃型化合物，并最終分解成酸性物質(zhì)、氣體和水。

熱解是指由熱引起的化合物的分解或轉(zhuǎn)化。變壓器絕緣材料的纖維素在高溫下降解，使纖維素分解成水分子、酸性物質(zhì)和氣體。

氧化是指物質(zhì)與氧氣的結(jié)合。變壓器油氧化會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，酸性物質(zhì)會(huì)破壞絕緣紙的纖維素和絕緣油的介電強(qiáng)度，促使纖維素水解。

以上3種反應(yīng)中最主要的是水解和熱解，由于熱解活化能量是水解活化能量的1.4～2.0倍，變壓器在120 ℃以內(nèi)時(shí)，影響絕緣老化的主要因素是水解過程。水的存在是纖維素老化的最重要因素。

1.3? ? 變壓器絕緣老化故障

絕緣材料老化生成的水、酸性物質(zhì)和氣體，會(huì)使變壓器絕緣失效，進(jìn)而出現(xiàn)絕緣擊穿和局部放電故障。

（1）水分會(huì)增強(qiáng)絕緣材料的導(dǎo)電性能，降低絕緣材料介電強(qiáng)度，導(dǎo)致絕緣擊穿或局放故障。

（2）水是強(qiáng)極性液體，所以絕緣材料中游離態(tài)的水會(huì)被高場強(qiáng)吸引，特別在高電場區(qū)往往會(huì)聚集較多的水，最后造成絕緣擊穿等故障。

（3）變壓器運(yùn)行中隨著溫度上升，絕緣材料逐步老化產(chǎn)生氣體，同時(shí)水分也在溫度作用下汽化而形成氣泡，氣泡首先發(fā)生游離放電，游離出的帶電粒子再碰撞油分子，使油又分解出氣體，氣體體積膨脹會(huì)使游離放電進(jìn)一步發(fā)展，最終降低油的擊穿電壓和局部放電場強(qiáng)，引發(fā)絕緣擊穿故障和局部放電故障。

綜上所述，去除水分、氧氣和油老化產(chǎn)物是修復(fù)變壓器絕緣系統(tǒng)和延長變壓器使用壽命最有效的方法。

2 變壓器水分含量分析

變壓器中水分的分布并不均勻，大部分水存在于絕緣紙板中。實(shí)際上，穩(wěn)定運(yùn)行的變壓器中97%～99%的水存在于絕緣材料中，剩余的水才是以溶解態(tài)存在于變壓器油中。新變壓器的油經(jīng)處理后的工藝要求水含量達(dá)到10 μL/L，而變壓器絕緣材料經(jīng)處理后的含水量在0.2%～0.5%，所以變壓器絕緣材料中的水是油中水的上百倍，并維持一個(gè)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，油紙絕緣中微水的分布與溫度有著密切的關(guān)系，水分在油和紙中會(huì)經(jīng)過滲透遷移而達(dá)到平衡，最終絕緣紙的水蒸氣分壓等于油中水蒸氣分壓，根據(jù)相對濕度相等的理論和大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到不同溫度下油紙絕緣的微水穩(wěn)態(tài)分布曲線，如圖3所示。

圖3給出了油溫在0～100 ℃的各主要溫度點(diǎn)，油微水含量（X軸）對應(yīng)的絕緣紙水的飽和含量（Y軸）。根據(jù)平衡曲線，如變壓器運(yùn)行溫度在40 ℃時(shí)，其油微水含量在10 μL/L時(shí)，對應(yīng)平衡的絕緣材料含水量應(yīng)該為2.5%，而變壓器器身干燥后的器身水含量要求一般為0.2%～0.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平衡曲線的2.5%。變壓器投入運(yùn)行后的很長一段時(shí)間內(nèi)，油紙絕緣系統(tǒng)要達(dá)到水平衡，必將是水分從油中持續(xù)不斷地向纖維素材料中轉(zhuǎn)移。變壓器油中通過內(nèi)部分解和外部受潮產(chǎn)生的新水分就會(huì)經(jīng)過平衡過程進(jìn)入纖維材料，而變壓器油中的含水量仍然維持在原有水平并未發(fā)生明顯變化。如變壓器運(yùn)行溫度在70 ℃時(shí)，運(yùn)行若干年后，絕緣材料已經(jīng)從初始的0.2%～0.5%含水量通過平衡上升到1%。根據(jù)平衡曲線，油中微水仍舊不會(huì)超過10 μL/L，但絕緣材料纖維中的水已經(jīng)飽和了。假如1臺(tái)220 kV的變壓器絕緣材料總量為7 000 kg，其絕緣材料實(shí)際吸收了7 000×（1%-0.2%）=56 kg的水，變壓器油微水含量測量值為10 μL/L，與初始狀態(tài)相同，而變壓器絕緣材料的干燥度已經(jīng)與原來完全不同了，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在絕緣材料中微水含量每增加0.5%，其絕緣老化速度將會(huì)是原來絕緣水平的1倍。

綜上所述，運(yùn)維人員不能單從傳統(tǒng)的變壓器油微水含量來判斷變壓器絕緣老化狀態(tài)，即使運(yùn)行良好的變壓器，其絕緣老化產(chǎn)生的水也可能導(dǎo)致變壓器內(nèi)部發(fā)生絕緣事故;反之，即使絕緣老化，但變壓器油也可能是合格的，其擊穿電壓也能達(dá)到規(guī)定的要求，甚至更高。而這種情況是無法僅通過變壓器油中微水含量監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)的，需要進(jìn)一步測量變壓器繞組的絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)、介質(zhì)損耗、繞組泄漏電流等，從而確定變壓器是否需要進(jìn)行干燥處理。

3 變壓器傳統(tǒng)絕緣干燥方法和效果分析

變壓器器身絕緣系統(tǒng)中的水分長期運(yùn)行會(huì)逐步導(dǎo)致絕緣性能降低，當(dāng)絕緣性能降至不安全數(shù)值時(shí)，為確保電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，變壓器必須從系統(tǒng)中退出，進(jìn)行干燥處理。

傳統(tǒng)變壓器絕緣現(xiàn)場干燥處理的基本原理都是將絕緣材料中的水分轉(zhuǎn)移到周圍介質(zhì)，并將周圍介質(zhì)中的水分通過一定的措施排出油箱。

變壓器器身絕緣材料和周圍介質(zhì)之間的水分存在兩個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程和影響動(dòng)態(tài)平衡的參數(shù)。

當(dāng)變壓器器身絕緣材料周圍介質(zhì)為液相絕緣油時(shí)，在油紙絕緣結(jié)構(gòu)中，絕緣材料中含水量和油中含水量之間始終存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程，當(dāng)油紙接觸溫度升高時(shí)，絕緣材料中的水分將向油中遷移，當(dāng)油紙接觸溫度降低時(shí)，油中水分將向絕緣材料中遷移。該平衡過程受變壓器油的流動(dòng)影響，油處于動(dòng)態(tài)下的平衡速度比靜態(tài)時(shí)快，油的流動(dòng)會(huì)加速水分在兩者之間的平衡。

當(dāng)變壓器器身絕緣材料周圍介質(zhì)為氣相水蒸氣時(shí)，器身絕緣材料中的水分與周圍空間中的水蒸氣之間存在一個(gè)平衡。當(dāng)水蒸氣壓力降低時(shí)，水分從絕緣材料內(nèi)層轉(zhuǎn)移到表面，然后擴(kuò)散到周圍介質(zhì)中去，水分的轉(zhuǎn)移向著水蒸氣壓力較小的方向進(jìn)行。

常用的變壓器絕緣現(xiàn)場干燥處理方法有熱油循環(huán)干燥法、熱油噴淋干燥法以及氣相真空干燥法，氣相真空干燥設(shè)備如圖4所示。選取干燥工藝參數(shù)時(shí)，既要有利于絕緣材料中水分的去除，又要注意避免其對器身絕緣的負(fù)面影響。溫度的選取原則是，既要對絕緣無破壞作用，又要得到較高的干燥效果。無油干燥時(shí)，變壓器器身溫度不得高于95 ℃，在這個(gè)溫度下油、紙都不會(huì)遭到熱破壞。在帶油干燥時(shí)，為避免油質(zhì)老化，油溫不得高于80 ℃。影響干燥工藝的另一個(gè)重要因素是水蒸氣分壓，干燥過程中絕緣材料纖維中的水分只能通過蒸汽的形式經(jīng)由絕緣材料的纖維毛細(xì)管向外擴(kuò)散。為了克服蒸汽經(jīng)由纖維毛細(xì)管向外擴(kuò)散過程中的流阻，必須在絕緣材料中汽化部位和外表面之間形成一個(gè)壓差，蒸汽壓差越大，材料表面所排出水分的速度就越快，顯然獲得蒸汽壓差的最簡易方法，就是在干燥過程中斷續(xù)抽真空，將絕緣材料排出的水分排出箱外。當(dāng)被干燥處理的變壓器可以承受高真空時(shí)，宜采用較高的真空度，否則應(yīng)采用較低的真空度。通過提高變壓器箱內(nèi)真空度，還可以降低水分的汽化溫度，這樣既可使變壓器器身的加熱溫度相應(yīng)降低，減緩變壓器絕緣材料及絕緣油在高溫下的老化，又可使變壓器絕緣材料中的水分在較低溫度下汽化。由于油的流動(dòng)可加速平衡，為促使油在箱體內(nèi)部流動(dòng)，油流進(jìn)出口應(yīng)對角布置，強(qiáng)迫循環(huán)冷卻變壓器在熱油循環(huán)干燥過程中應(yīng)定期啟動(dòng)潛油泵。

絕緣干燥是油浸式變壓器制造和運(yùn)行過程中的重要工序，該環(huán)節(jié)對于變壓器的整體質(zhì)量有著直接影響。若干燥處理不充分，很可能導(dǎo)致絕緣材料中殘留水分，導(dǎo)致絕緣材料性能受到影響。若過度干燥，則會(huì)導(dǎo)致絕緣材料中的影響強(qiáng)度的結(jié)合水分子也被排出，從而降低絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度，反而導(dǎo)致絕緣材料老化和性能下降。

現(xiàn)有的變壓器除水干燥技術(shù)存在缺陷有：

（1）傳統(tǒng)除水方式采用加熱和真空處理的干燥工藝，在控制不好的情況下，有可能過度干燥，高溫和壓力會(huì)影響絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度，可能加速油紙絕緣老化。

（2）傳統(tǒng)除水方式需要變壓器停電并人為監(jiān)控除水過程，而且停電時(shí)間較長，影響電力生產(chǎn)，成本較高。

（3）傳統(tǒng)除水方式會(huì)影響油中氣體含量，導(dǎo)致對變壓器健康狀況誤判。

（4）傳統(tǒng)除水方式需要用到真空設(shè)備，有可能損壞其他組件，安全性不夠。

因此，需要設(shè)計(jì)更安全、可控和智能的變壓器油紙絕緣干燥除水系統(tǒng)，在線監(jiān)測絕緣干燥相關(guān)參數(shù)，并調(diào)整含水量指標(biāo)，確保變壓器的安全、健康運(yùn)行。

4 變壓器絕緣系統(tǒng)智能除水裝置研制

英國的Transec和美國的Drykeep是最早的基于分子篩過濾除水技術(shù)的變壓器在線干燥裝置，在歐美和印度等地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用推廣。近幾年，西門子和MR公司也根據(jù)用戶在線除水需求推出了自己的產(chǎn)品，結(jié)合變壓器運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)、材料和算法上做了部分改進(jìn)。目前國內(nèi)雖然在這方面做了少量的科研應(yīng)用，但尚未推廣，也沒有推出國產(chǎn)化產(chǎn)品。

分子篩是一種包含有精確和單一的微小孔洞的材料，可用于吸附氣體或液體，通常分子篩由鋁硅酸鹽礦組成。晶體具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，晶體內(nèi)的晶穴和孔道相互溝通，并且孔徑大小均勻、固定，與通常分子的大小相當(dāng)。只有那些直徑比較小的分子，才能通過孔道被分子篩吸附，而構(gòu)型龐大的分子不能進(jìn)入孔道，不被分子篩吸附。分子篩結(jié)構(gòu)如圖5所示。

特定的分子篩對水有較強(qiáng)的吸附能力，即使在很低的分壓或溫度下，仍有相當(dāng)高的吸附容量，一個(gè)分子篩能吸附高達(dá)其自身重量22%的水分。相比于常規(guī)硅膠材料，分子篩具有吸附面積大、吸附容量高、吸附速度快、熱穩(wěn)定性能好、操作循環(huán)穩(wěn)定、與液體接觸不碎裂等特性。

分子篩吸附小于其孔徑的分子，通過選用合適的分子篩類型，除水以外的所有流體成分都可以不被吸附，避免了共吸附問題，更加提高了吸水性能。同時(shí)，分子篩具有優(yōu)良的再生特性，水合的分子篩在特定的條件下活化時(shí)迅速脫水，活化后的晶體又可以可逆吸水，循環(huán)再利用。

本文提出了一種變壓器絕緣系統(tǒng)智能除水裝置設(shè)計(jì)方案，對現(xiàn)有的同類產(chǎn)品及其材料進(jìn)行了改進(jìn)。

（1）選用合成晶體硅酸鹽材料制作分子篩，其多孔的材料結(jié)構(gòu)能成功過濾小分子的水分子，而對變壓器主要?dú)怏w組分和油分子不具有過濾作用，而且不需要加熱和抽真空，對變壓器的運(yùn)行安全不產(chǎn)生影響。

（2）該裝置采用一體化設(shè)計(jì)，包括外部循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，支持現(xiàn)場安裝，方便投入和退出正在運(yùn)行的變壓器，充分考慮裝置啟動(dòng)時(shí)的進(jìn)油和排氣方式，方便除水罐體的更換，不會(huì)對變壓器絕緣油產(chǎn)生二次污染，不影響變壓器正常運(yùn)行。

（3）該裝置支持變壓器油溫度及微水含量的在線監(jiān)測，根據(jù)油紙絕緣含水量平衡關(guān)系曲線進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)支持用戶根據(jù)介電譜測量值自主設(shè)定控制策略，通過對絕緣油的循環(huán)過濾，能在變壓器運(yùn)行時(shí)有效去除油中的微量水分，使油紙中的水分平衡在最優(yōu)值，有效提高油紙絕緣的安全性和可靠性，延長變壓器的使用壽命。

（4）該裝置支持異常保護(hù)功能，包括管路泄漏保護(hù)、設(shè)備溫度控制及保護(hù)、控制裝置自檢及電路保護(hù)。油溫異常升高時(shí)，除水裝置自動(dòng)停止工作，從而保護(hù)分子篩材料不受高溫破壞，同時(shí)具有過濾顆粒物功能，實(shí)現(xiàn)了水分和顆粒物的同時(shí)去除，保障油路和絕緣系統(tǒng)的安全。

變壓器絕緣系統(tǒng)智能除水裝置包含以下主要部件：進(jìn)油閥、回油閥、節(jié)流閥、過濾罐、濾油器、排氣罐、微水傳感器、油流指示器、油泵、控制器，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

變壓器絕緣系統(tǒng)智能除水裝置投入運(yùn)行的工作流程如下：

（1）打開排氣罐的放氣口;

（2）保持回油閥關(guān)閉，略微打開進(jìn)油閥，逐步排氣，確保裝置管道內(nèi)的氣體全部排出;

（3）關(guān)閉排氣罐的放氣口;

（4）打開回油閥，再完全打開進(jìn)油閥;

（5）啟動(dòng)油泵，確認(rèn)油流指示器顯示油流正常;

（6）監(jiān)視除水裝置正常運(yùn)行20 min，確保沒有漏油，沒有其他異?，F(xiàn)象;

（7）投入自動(dòng)控制。

該裝置在更換除水罐和濾油器時(shí)，需要先停止油泵，關(guān)閉進(jìn)油閥，關(guān)閉回油閥，之后關(guān)閉除水罐和濾油器兩端的管孔再進(jìn)行更換，更換完畢后按照工作流程重新投入運(yùn)行。

該裝置自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，其主控單元會(huì)通過傳感器采集系統(tǒng)的水含量、溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的控制策略自動(dòng)啟動(dòng)或停止除水濾油過程。該裝置具體運(yùn)行操作界面如圖7所示。

5 結(jié)語

本文基于對變壓器絕緣系統(tǒng)中水分的分布及危害分析，設(shè)計(jì)了一種基于分子篩吸附原理的變壓器絕緣系統(tǒng)智能除水裝置，其能夠?qū)崟r(shí)采集變壓器油溫及微水含量，并根據(jù)變壓器油紙含水量平衡曲線調(diào)整過濾速度和時(shí)間，從而保持變壓器絕緣材料的干燥水平，為用戶提供了一種安全、可靠的變壓器在線干燥除水方法。目前，該裝置樣機(jī)經(jīng)過了試驗(yàn)平臺(tái)測試，運(yùn)行穩(wěn)定?？紤]到目前行業(yè)內(nèi)存在的已經(jīng)運(yùn)行超過20年的大型變壓器都會(huì)有安全除水的需求，該裝置未來可以在電力行業(yè)中大力推廣應(yīng)用，并不斷對其進(jìn)行改進(jìn)和完善。

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收稿日期：2020-08-03

作者簡介：張瑞亮（1988—），男，山東日照人，工程師，從事?lián)Q流變壓器、平波電抗器等電力一次設(shè)備的檢修試驗(yàn)及維護(hù)工作。