變壓器微水在線控制與延長變壓器壽命技術的研究

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(1.國網瀘州供電公司，四川 瀘州 646000；2.國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

眾所周知，油浸式變壓器的壽命主要是由絕緣材料的老化程度決定的。據統計，因各種類型的絕緣故障引起的事故約占全部變壓器事故的85%以上[1-3]。根據國外理論計算及實驗研究數據表明，當油浸式變壓器始終保持在干燥狀態且溫度持續在95 ℃，理論壽命將可達400年[4]。而制造廠的設計要求和技術指標，一般把變壓器的預期壽命定位30年,運行實例表明，維護很好的變壓器，實際壽命能達到50～70年[5]。因此，保持變壓器的正常運行并加強對絕緣系統的合理維護，可以有效地保證變壓器具有較長的使用壽命。

變壓器油中微水含量是影響變壓器絕緣強度的最重要因素，油的絕緣強度將隨油中含水量的增加而快速下降。監測變壓器油中微水含量，不僅可以防止變壓器絕緣系統的絕緣強度降低至危險水平，同時可以對變壓器整體絕緣狀況進行評估[6-9]。近年來，對變壓器微水含量在線監測的研究日益受到重視，微水在線監測設備逐步在電力系統中投入使用。但是目前國內集變壓器微水在線監測與處理的設備在電力系統運用還非常少，下面介紹了變壓器微水在線監測與處理系統在國網瀘州供電公司的運行情況，研究了分子篩吸附技術在控制變壓器油的微水含量，提高絕緣性能、延長壽命方面的作用。為減少員工工作量、提高變壓器的智能化水平等方面提供了有益的參考。

1 微水對變壓器絕緣性能的影響

變壓器的絕緣性能主要是靠變壓器油和絕緣紙的共同作用。純凈干燥的變壓器油極易吸潮。水在變壓器油中有兩種存在形式：懸浮狀態和溶解狀態。一般而言，變壓器油中水分含量的增加，會使得絕緣油的擊穿電壓逐漸降低，從而影響絕緣油的絕緣特性。此外，由于絕緣紙的主要組成是纖維素，分子式為(C6H10O5)n，其中n為聚合度，表示纖維素是由多少個葡萄糖基構成，一般新絕緣紙的聚合度為1 200～1 800。干燥絕緣紙的強度主要取決于纖維的狀況、強度及其化學鍵，絕緣性能穩定。由于纖維素分子結構中存在氫氧根，即羥基，而纖維素的無定形區，鏈分子中僅有部分羥基形成氫鍵，而其余均以游離羥基存在。由于羥基是極性基團，易于吸附極性的水分子，在水份存在的情況下，極易與吸附的水分子形成氫鍵結合，因此絕緣紙和紙板的吸濕能力比變壓器油大得多。與此同時，由于纖維素大分子的葡萄糖基以β-苷鍵聯結，使纖維素大分子對水解作用的穩定性降低，在酸或高溫條件下與水作用吋，可使苷鍵斷裂，纖維素大分子鏈長度降低，從而使固體絕緣發生降解。因此纖維絕緣材料中所含水分越多，纖維素水解速度越快，即絕緣紙的老化速率越快，從而嚴重危及絕緣紙優異的絕緣性能，對變壓器的絕緣系統造成致命的破壞[10，11]。相關資料表明：含水量為1%的絕緣紙的老化速 率 是 含 水 量 為0.1%絕緣紙的10倍;在變壓器運行溫度下，含水量為4%的絕緣紙的老化速率是含水量為0.5%的絕緣紙的20倍;絕緣紙中水份含量每增加0.5%，纖維素絕緣的壽命縮短為原來的一半。

此外，水是強極性液體，易向高場強區聚集，因此在變壓器最危險的高場強區反而聚集了大量的水分，但其介電常數比紙和油高得多，所以當變壓器負荷發生突變時，就極易形成極性通道，導致變壓器發生故障的概率大大增加。另外，固體絕緣含水量増加，會増加損耗和漏電流，從而使變壓器發熱，運行溫度升高，加速絕緣材料的老化，降低變壓器使用壽命。

綜上所述，水分是決定變壓器油絕緣性能的重要因素，被認為是變壓器油紙絕緣老化的“頭號殺手”。因此如何檢測和控制變壓器油中水分含量是保證變壓器安全運行，延長使用壽命的關鍵措施。

2 分子篩吸附的基本原理

圖1 分子篩晶體微觀結構

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，通常分子篩分子由鋁硅酸鹽礦組成。晶體具有蜂窩狀的結構(如圖1所示)，晶體內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。只有那些直徑比較小的分子才能通過孔道被分子篩吸附，而構型龐大的分子由于不能進入孔道，則不被分子篩吸附。特定的分子篩對水有較強的吸附能力，即使在很低的分壓或溫度下仍有相當高的吸附容量，一個分子篩能吸附高達其自身重量22%的水分。具有吸附容量高、吸附速度快、熱穩定性能好、操作循環穩定、與液體接觸不碎裂等特性。

分子篩吸附小于它孔徑的分子，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，免除了共吸附的問題。由于沒有這種共吸附的作用，更加提高了吸水性能。同時，由于分子篩具有優良的再生特性，水合的分子篩在特定的條件下活化時迅速脫水，活化后的晶體又可以可逆地吸水，循環再利用。

3 變壓器微水在線控制實例

為了保障老舊變壓器的安全穩定運行，延長重負荷變壓器的運行年限，國網瀘州供電公司從美國引進基于分子篩吸附技術的變壓器微水在線監測與控制系統，其工作原理如圖2所示。

圖2 微水在線控制系統原理圖

該系統由3個(根據需求)干燥罐組成，每個干燥罐中含有一種專門設計的高吸附性材料。當變壓器油從干燥罐中流過的時候吸除其中的溶解水分，變壓器絕緣材料中的水分隨著油循環通過干燥罐時基本上被吸收；與此同時，由于該分子篩的孔徑僅適合水分子通過，而氣體分子由于體積大，則不會被吸附。此外，這種高吸附性分子篩材料只有在溫度加熱到180 ℃的時候才有水分子釋放出來，因此吸附性能穩定，且能循環利用。

圖3 微水在線控制系統現場圖

通過前期對1號主變壓器的建模分析、設計和后期制造，2013年11月16日，成功安裝在瀘州220 kV楊橋變電站1號主變壓器(型號：SFPSZ8-120000/220，生產廠家：保定變壓器廠，投運時間：1998年11月)上并順利投運，如圖3所示，截止到目前為止，該系統運行正常。

4 實驗結果與分析

國網瀘州供電公司試驗人員對該系統進行了長期跟蹤取樣分析，試驗結果如下。

4.1 微水含量分析

變壓器油的微水含量分析結果如下(注：進口離線數據是指微水在線監測與處理裝置的油樣入口處的取樣分析結果，反應了變壓器本體微水的含量；出口離線數據是指在微水在線監測處理裝置的油樣出口處取樣分析的離線測試數據，下同)。

圖4 1號變壓器油微水含量趨勢圖(單位：mg/L)

從圖4可以看出，該裝置自投運以來，持續在線運行，截止到2014年1月23日，進口離線數據(變壓器本體油微水含量)從最初的9 mg/L逐步下降至3.8 mg/L。經過微水在線監測與處理系統處理過的微水含量從6.5 mg/L持續下降至2.9 mg/L，效果明顯；同一時間段內微水處理系統進口與出口初微水含量差從2.5 mg/L下降至0.9 mg/L。根據以上數據可以判斷，該變壓器微水在線監測與處理系統確實可以緩慢濾除變壓器油中的微水。進口和出口微水含量差在逐漸減小，說明該系統中的分子篩吸附劑還在起作用，吸附能力逐漸趨向飽和。

圖5 1號變壓器油微水含量趨勢圖(單位：mg/L)

從圖5可以看出，微水在線數據表明，變壓器本體微水從安裝之日起的10 mg/L，經過微水在線監測處理系統的處理，不到2個月的時間，微水含量下降到約4 mg/L。與圖4對比分析，可以看出離線測試數據與在線檢測數據基本一致。

4.2 擊穿電壓結果分析

變壓器油擊穿電壓取樣分析結果如圖6所示。

圖6 1號變壓器油擊穿電壓趨勢圖

從圖6可以看出，微水在線監測與處理系統進口處變壓器油的擊穿電壓(可代表本體油的擊穿電壓)從安裝之日的61.6 kV上升至70.1 kV，提高了約8.5 kV，效果明顯，間接驗證了微水含量的降低；而該系統出口處的擊穿電壓從68.5 kV上升至72 kV，呈緩慢上升趨勢；進出口擊穿電壓逐漸趨于一致，也說明了分子篩吸附劑逐漸趨于飽和。

4.3 在線濾油系統對油色譜分析的影響

對變壓器油中溶解性氣體進行色譜分析，是發現變壓器潛伏故障的有效手段。為了研究微水在線監測與處理系統對色譜分析的影響，試驗人員進行了長期的跟蹤對比分析，取樣分析試驗結果如圖7～12(單位：μL/L)所示。

從變壓器油色譜跟蹤分析可以看出，通過對比測試發現甲烷含量約為20 μL/L，乙烯含量約為0.7 μL/L，乙烷約為4.3 μL/L，乙炔約為0 μL/L，氫氣為3.0 μL/L左右，總烴在25 μL/L左右，各種成分含量均比較穩定。且每一次進口和出口的測試值基本一致，因此可以認為該系統對色譜分析沒有影響。

圖7 1號變壓器油甲烷趨勢圖

圖8 1號變壓器油乙烯趨勢圖

圖9 1號變壓器油乙烷趨勢圖

圖10 1號變壓器油乙炔趨勢圖

圖11 1號變壓器油氫氣趨勢圖

圖12 1號變壓器油總烴趨勢圖

此外，其他試驗數據也基本保持不變，具體試驗結果如表1所示。

表1 微水在線監測與處理系統投運前后

5 結 論

從以分子篩吸附技術為核心的變壓器微水在線監測與控制系統在220 kV楊橋變電變電站1號主變壓器上的運行情況可以得到以下結論：(1)使用特定的分子篩吸附劑可以有效地將運行變壓器油中的微水含量控制在極低水平，使得變壓器油擊穿電壓明顯提高，大大減緩了絕緣紙的降解老化速度，起到延長變壓器壽命的作用；(2)使用該技術不會影響色譜分析等其他測試結果，表明該分子篩只吸附水分子，不會吸附其他氣體和液體分子；(3)該系統

運行穩定可靠，減少了試驗人員工作量，提高了供電可靠性和智能化水平，可在電力系統中推廣。

[1] 朱德恒，談克雄.電絕緣診斷技術 [M].北京：中國電力出版社，1999.

[2] 嚴璋.油浸電力變壓器固體絕緣老化的診斷及其應用[D].西安：西安交通大學，2003.

[3] 尚勇，錢政，楊敏中，等.高電壓設備絕緣老化及狀態維修的實現[J].高電壓技術，1999，25(3)：40-42.

[4] 宋偉.變壓器絕緣老化與壽命評估[D].濟南：山東大學，2005.

[5] 申翰林.基于回復電壓法的油浸式變壓器狀態檢測關鍵技術的研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[6] 朱德恒，嚴璋，談克雄.電氣設備狀態監測與故障診斷技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[7] 王昌長，李福琪，高勝友. 電力設備的在線監測與故障診斷[M].北京：清華大學出版社，2006.

[8] C.G 瓦修京斯基.崔立君，杜思田，等譯.變壓器的理論與計算[M].北京：機械工業出版社，1983.

[9] Schuert P J,Nevin J H. A Polyimide-based Capacitive Humidity Sensor[J]. IEEE Transactions on Electron Devices,1985,32(7):1220-1223.

[10] 王洪亮，周利軍，吳廣寧. 不同含水量對油紙絕緣老化速率影響的研究[C].第十屆全國工程電介質學術會議論文集，2005.

[11] 劉敏. 不同含水量對油紙絕緣老化速率的影響[J].絕緣材料，2008，41(3)：40-42.