特高壓變壓器絕緣油顆粒度檢測關鍵技術及應用

【摘要】顆粒度是指存在油品單位體積內不同顆粒徑的固體微粒的數目濃度，單位為個/100ml。本文重點對現場絕緣油顆粒度檢測進行簡述，對取樣前和取樣時環節關鍵技術以及可能存在的問題進行分析探討。可為特高壓變壓器現場顆粒度試驗工作提供參考。

【關鍵詞】NAS標準;顆粒度測量;取樣環節;數據問題分析;絕緣強度

引言

特高壓變壓器絕緣油是保證變壓器絕緣水平的重要組成部分，因此有及其嚴格的要求，如擊穿電壓強度、油中水分含量、油中含氣量、油中顆粒度含量等參數，已接近目前油務處理設備的能力極限。對于油中顆粒度在以往并沒有強制性指標要求，隨著近年我國經濟和工業的發展，電力需求持續增加，特高壓建設加快開展，為了確保電力穩定安全運行，對于特高壓設備有了嚴格而具體的要求。因此絕緣油顆粒度這一概念也被逐步重視起來。

特高壓設備用油量大，油務處理工作繁重，為了配合奉賢±800kV直流換流站建設，近期變電分公司建立了我公司第一個電力油化試驗室，對濾油全過程進行監控，從而能快捷、及時、準確地提供濾油處理結果。本文重點對現場試驗中絕緣油顆粒度檢測關鍵技術及問題進行分析探討。

1.顆粒度儀設備選型

變壓器電壓等級和容量的提高，對油的顆粒度提出了更加苛刻的要求。顆粒度與變壓器油生產、儲存運輸和變壓器箱體內部清洗、過濾機精度及機體內部環境處理、油品取樣前環節和取樣方法等都有極為密切的關系，直接影響顆粒度數值大小，因此顆粒度檢測是一項復雜而精細和需要反復現場實踐的工作。

絕緣油的許用場強主要取決于微水含量和懸浮顆粒總量。因此，對特高壓變壓器油中作出了嚴格要求，根據《±800kV換流站換流變壓器施工及驗收標準2008》規定每100ml油中含5～100μm顆粒數≤2000個。

表1 不同電壓等級變壓器新油在投運前應達到的指標

檢測項目 電壓等級/kV

500kV 750kV 800kV

耐壓（kV/2.5mm） ≥60 ≥70 ≥70

微水（μL/L） 10 8 5

含氣量% 1 1 1

介質損耗% 0.5 0.5 0.5

顆粒度（個/100ml） <2000 <2000 <2000

為滿足油中顆粒含量分析，我們在奉賢±800kV換流站現場配置了一臺進口顆粒含量分析儀，儀器基于國際液標委員會確定的遮光原理，系統中裝有32通道計數器和激光顆粒傳感器，傳感器全部采用高檔光學鍍膜鏡片，激光防護等級1級。完全滿足特高壓變壓器絕緣油中顆粒含量檢測要求。

2.顆粒度取樣關鍵技術

2.1 取樣瓶的清潔

顆粒度檢測是一項極為精細且對每部環節要求極高的工作，每個環節都要做到無雜質灰塵污染。首先對取樣瓶內部要進行顆粒度NAS-0級標準處理，全過程必須帶橡皮手套及口罩。我們使用石油醚作為清洗液，通過真空過濾裝置，依次用孔徑為0.65、0.45、0.3μm的濾膜過濾石油醚，至少循環2次。將取樣瓶、瓶蓋、塑料薄膜襯墊按GB/T7595規定方法清洗，向清洗后的取樣瓶中注入占總容積45%～55%的清洗液，墊上薄膜，蓋上瓶蓋后充分搖動，用自動顆粒數計數儀測定每100ml中粒徑>5μm顆粒不多于100粒。超過時則應重新清洗取樣瓶，直至顆粒數不超過100粒為止。或取樣瓶的顆粒污染度比被取油樣至少低兩級。將顆粒數乘以注入瓶內清潔液體積與瓶總容積之比值，并將結果記錄在取樣瓶的標簽上，作為該取樣瓶的清潔等級。在檢驗合格的取樣瓶底部留有約10～20ml清潔液，在瓶蓋與瓶口之間墊上薄膜，帶到現場。

圖1 小型空氣清潔裝置

2.2 現場取樣

取樣應避免大風、雨天、濕度大灰塵多的氣候環境。到達現場須帶橡膠手套及佩戴口罩，倒掉取樣瓶中保留的少量清潔液，用干凈綢布沾取石油醚擦凈取樣閥口，再打開、關閉取樣閥3～5次以沖洗取樣閥，使用與閥口匹配的潔凈塑料管，放出取樣管路內存留的油約7.5L，同時反復用油清潔塑料管口。在不改變通過取樣閥液體流量的情況下，移走污油桶，接入取樣瓶，塑料取樣管伸入瓶口2cm并不得觸碰到瓶壁進行取樣。現場建議采用小型空氣清潔裝置（如圖1所示），通過排風機阻斷外界環境干擾，進行全密封方式取樣，清潔裝置潔凈效率達90%以上，大大降低了環境因素對油樣的污染。

3.油中顆粒含量測量

3.1 自動顆粒計數法

自動顆粒計數法是依據遮光原理來測定油的顆粒污染度。當油樣通過傳感器時，油中顆粒會產生遮光，不同尺寸顆粒產生的遮光不同，轉換器將所產生的遮光信號轉換成電脈沖信號，再劃分到按標準設置好的顆粒度尺寸范圍內并進行計數。每年依據ISO11171校準一次自動顆粒計數儀及傳感器;更換傳感器元件時，也應依據ISO11171重新校準。

3.2 測量過程

觀察油樣，若油樣中有游離狀水，油有乳化現象，應在油樣（體積為VA）中加入適量清潔液使油樣透明，再進行測量。記錄加入溶劑的量（VB）。充分搖動油樣約5min，使內部顆粒分布均勻，將其置入超聲浴鍋中振蕩脫氣約10min。然后取出取樣瓶擦干外部，將其置入儀器壓力艙中，并開動攪拌器使油樣顆粒均勻分散，期間注意攪拌速度，不能產生氣泡。被測油樣的黏度過大，進入儀器傳感器的油達不到額定流量、或者油樣的顆粒濃度超過了傳感器允許的極限值時，應稀釋油樣后，重新脫氣測量。選擇的稀釋液要與被測油樣互溶，并且稀釋液不能溶解或凝聚油樣中的污染顆粒。測試后取下試瓶，用過濾后達到NAS-0級的石油醚清洗傳感器管道。

測試結果按式（1）計算，即：

（1）

式中：

C——被測油樣中某尺寸范圍的顆粒數量，個/100mL;

C'——某尺寸范圍的粒徑若干次平行測量結果的平均值，個/100mL;

Cb——稀釋液中某尺寸范圍的顆粒數量，個/100mL;

Va——油樣體積，mL;

Vb——稀釋液體積，mL。

三次平行測量中，大于 5μm顆粒總數的最大相對誤差為±6%，按NAS-1638顆粒污染度分級標準劃分顆粒度等級。

3.3 試驗問題分析

現場油務處理初始階段，經過濾機過濾2次油樣顆粒含量均達到5000以上。結果見表2所示。過濾4次約幾十小時處理后，顆粒含量仍然維持在3000～4000左右，見表3所示。

表2 過濾2次后顆粒度結果（個/100mL）

設備

檢測項目 油罐1 油罐2 油罐3 油罐4

顆粒度 6780 6578 7230 5870

表3 過濾4次后顆粒度結果 （個/100mL）

設備

檢測項目 油罐1 油罐2 油罐3 油罐4

顆粒度 3340 3460 3124 3097

經反復取樣試驗分析，發現顆粒度含量不下降的主要原因總結為以下幾點：

濾油機過濾精度及內部處理問題。經反復取樣試驗分析，發現為了配合特高壓變壓器高標準要求，現場使用的真空濾油機必須提高過濾精度，必須采用2級以上真空濾油機，其過濾器必須使用名副其實的0.5μm濾芯。真空濾油機必須具備如下功能：①同時具有真空濾油與注油功能。②進油泵、排油泵的流量和揚程必須與濾油機凈油能力和過濾系統的阻力相匹配。③具有強勁的真空提升能力，以適應油箱的大容積、高真空度。④具有全自動運行功能，適應長期連續不間斷運轉要求。⑤采用自動跟蹤調速變流技術。為避免油泵或供油電磁閥的頻繁啟停造成斷流與過沖、油泵頻繁供油不足、摩擦加劇、局部過熱而產生乙炔和過急的油流產生的流動帶點現象，濾油機的自動油路不應再采用全開全關的泵或閥。⑥濾油機應有再循環閥，以方便調節注油流速和提升注油壓力。⑦宜使用數字式或指針式真空計，以防止抽真空時麥式真空計水銀進入變壓器器身。后項目部考慮重新更換過濾濾網，清潔機身內部環境，經過3～5個循環后，過濾雜質能力有顯著提高。另外，為增強現場處理顆粒度能力，可以考慮在真空濾油機出口側串接精過濾器（如圖2所示）。精濾器采用三級精過濾器，第一級濾芯的過濾精度為10μm，第二級濾芯的過濾精度為1μm，第三級濾芯過濾精度為0.5μm，專門進行雜質及顆粒的精過濾處理。實踐證明，精過濾器的使用可有效縮短過濾油的時間，加快顆粒度達標。

圖2 三級精濾器

現場還發現儲油罐中顆粒含量指標合格的油在注入變壓器后，顆粒含量明顯增加，必須反復進行熱油循環后，才能最終達到規定的顆粒度指標。油中顆粒對變壓取油樣方式。經過反復試驗發現取樣點不同（濾油機出口、儲油罐取樣、本體取樣閥）、取樣容器不同（顆粒度儀專配的取樣瓶、普通磨口瓶、質量好的和質量差的針管注射器）、油樣是否靜止（在濾油過程中取樣、在本體熱油循環靜止48小時后取樣、在靜止油罐中取樣、取樣后油樣是否經震蕩脫氣去氣泡等）均對檢測結果有明顯影響。后經我試驗室組織相關單位分析討論決定：①不采用注射器取樣，統一采用顆粒度儀專配取樣瓶從本體底部出口閥取樣。②取樣瓶必須嚴格進行NAS-0級標準前處理，瓶身合格后方可取樣。④采用潔凈塑料管代替乳膠管取樣。取樣時佩戴口罩與手套。③油樣不靜止，取樣后10min內進行試驗。⑤試驗前嚴格按標準清洗顆粒度儀傳感器，做到NAS-0級標準方可進行油樣試驗。⑥每個樣品連續進行5次試驗，剔除前2次數據，采納后3次數據取算數平均值作為測試結果。取樣環境。雨天、大風、濕度大的天氣取樣數據無準確性與可靠性，應盡可能在晴天或良好氣候條件下取樣檢測。

4.絕緣油顆粒度幾個階段的檢測

在國網公司召開的特高壓直流變壓器絕緣油選用原則研討會上，對現場絕緣油顆粒度檢測取樣時間節點和取樣點作了明確規定。1）油在注入變壓器之前，每個油罐中取油樣;2）熱油循環后靜止48小時和168小時，在本體的油樣閥口進行取樣。

因特高壓變壓器對油中顆粒度要求嚴格，當油從油罐注入本體后必須利用熱油循環清除其內部的殘留雜質。經過反復循環，現場分別在靜置48h和168h后，從本體取樣進行檢驗，顆粒度及其他關鍵性試驗結果如表4。

表4 變壓器在靜置48h和168h后絕緣油的檢測值

靜置

時間/h 顆粒度

（個/100mL） 含氣量

% 微水

mg/L 擊穿電壓

kV 介損

%

48 785 0.6 5.3 78 0.046

168 662 0.3 5.6 77 0.048

5.顆粒對變壓器絕緣強度的影響分析

（1）顆粒度對不同絕緣結構會產生不同的影響。高電壓產品易受損的部位主要是高壓套管屏蔽處和高壓引線處，它們受損后在油隙中就無絕緣覆蓋，此時油中的顆粒會對變壓器的絕緣產生較大影響。電力變壓器的主絕緣低壓繞組和高壓繞組都有絕緣覆蓋，此時顆粒會產生較小的影響，而且表現出的擊穿過程和無絕緣的擊穿不相同。顆粒如果沉積在絕緣材料表面也會對設備的絕緣強度產生影響。

（2）顆粒種類不同對絕緣強度的影響不同。金屬顆粒對變壓器絕緣的影響要大于非金屬顆粒的影響。但是具我了解沒有因金屬顆粒污染引起變壓器的故障，原因是大金屬顆粒沉積在箱底和絕緣表面，一般不會對絕緣產生較大影響，易于及時發現予以處理。小金屬顆粒含量少，即使存在也會被抗氧化劑吸附失去活性。油中存在的顆粒主要是非金屬類雜質，其本身不會對變壓器絕緣產生較大影響。但有關專家研究表明：如果水分和雜質（尤其是纖維雜質）共同存在時，其對絕緣的影響會明顯增加。所以油中顆粒度的檢測要和微量水分含量同時進行，以便于對絕緣性能進行綜合分析。

（3）顆粒度在不同類型電壓下對絕緣強度影響不同。雜質顆粒在直流電壓作用下更容易產生定向運動，形成導電橋路，由此分析，變壓器油中雜質顆粒度對設備介電強度影響在直流電壓下要比交流電壓下大的多。所以此次我奉賢±800kV直流換流站直流變設備要求油中潔凈度達到NAS-3級以下，即顆粒度<2000個/100ml。

6.結論

根據現場經驗判斷，油樣顆粒度檢測結果大于50μm的顆粒較多，很可能是取樣環節受環境污染造成，若檢驗結果中5～25μm顆粒較多，則主要是油本身雜質含量高，需要進一步濾油處理。特高壓設備用油量大，將油中顆粒含量標準提高到“5～100μm的顆粒數<2000個/100mL無100μm以上顆粒”給油務處理帶來較大的工作量，因此現場必須配合精度較高的濾油設備，嚴格按顆粒度檢測工藝流程進行油務處理，熟練掌握顆粒度檢測的取樣前和取樣時環節，確保數據的及時、準確、可靠性。

參考文獻

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[3]于敏潮，肖福明.油中顆粒度對絕緣強度的影響[J].變壓器，2000（12）.

作者簡介：

李文（1972—），男，大學本科，工程師，華東送變電工程公司變電分公司副經理。

王賢（1982—），男，大學本科，工程師，現供職于華東送變電工程公司。