變壓器充氣露點檢測及絕緣含水量判定

田子九

西安西電變壓器有限責任公司　西安　710077

變壓器充氣露點檢測及絕緣含水量判定

田子九

西安西電變壓器有限責任公司西安710077

摘要：介紹了大型電力變壓器在進行充氣運輸及儲存過程中，通過檢測氣體露點值來實現實時判斷絕緣含水量的方法。從實際應用情況來看，該方法既能保證變壓器的性能，提高安全性，又能降低生產成本，其技術可行，經濟效益好，值得推廣應用。

關鍵詞：變壓器； 露點； 絕緣含水量

Abstract：Described the method to judge insulation moisture in real-time by detection of gas dew point during inflated transportation and storage of large-scale power transformers. From its practical application, this method can guarantee the transformer performance, improve reliability and reduce the production costs. It is worthy for promotion and application owing to its technical feasibility and sound economic returns.

Key Words：Transformer； Dew Point； Insulation Moisture

現階段電力變壓器的運輸及儲存主要有兩種方式： 注油和充氣。為了有效減輕變壓器運輸時的載重量，大型電力變壓器一般都采用充氮氣(或干燥空氣)運輸，以降低產品運輸成本。充氣運輸及儲存的變壓器依靠氣體隔離潮氣，但受其工藝過程、儲存環境及油箱泄漏率的影響，其內部絕緣件仍有受潮的風險，過高的絕緣材料含水量將嚴重影響變壓器的電氣強度、可靠性和使用壽命。因此，國家標準對不同電壓等級和容量的變壓器中絕緣材料的含水量有明確規定，纖維絕緣材料的原始含水量一般為6%～8%，干燥結束后要達到平均含水量為0.5%～0.1%的標準。

近年來，隨著電力建設的迅速發展，大型電力變壓器充氣運輸已被廣泛應用，但相關標準只對其充氣壓力有要求，而對所充氣體狀態以及對應絕緣件含水量判斷并無相關說明。因缺乏有效、簡潔的方式來檢測充氣運輸及儲存的變壓器的絕緣件含水量，導致變壓器絕緣件局部受潮，引起現場運行事故頻發，所以，實時控制、檢測變壓器絕緣件的含水量是產品質量保證的關鍵因素。例如本公司給某公司生產的變壓器為廠內交貨，廠內試驗結束并試漏合格后，充正壓轉交用戶，由于用戶在現場保存時間過長，雖有充氣記錄，但最終仍出現表面受潮現象，不得不花費大量資金進行現場處理。如何在充氣儲存過程中就能判斷絕緣件是否受潮，是此次研究的目的。

我公司通過對故障變壓器充氣運輸狀態及故障原因分析，經過建模試驗和實際應用檢測，確認了運輸儲存狀態下充氣露點與變壓器絕緣件含水量的關系曲線，有效地預防了因運輸儲存受潮引發的現場事故。

1絕緣材料含水量對變壓器性能的影響

變壓器絕緣材料含水量直接影響到油-紙絕緣的可靠性和使用壽命，尤其是隨著特高壓大型變壓器的相繼出現，對絕緣材料的電氣絕緣性能及機械性能的要求日趨嚴格，可以說絕緣材料的含水量直接影響變壓器運行的安全性和可靠性。圖1所示為5mm層壓紙板的閃絡電壓與含水量的關系曲線，圖2所示為16mm層壓紙板的介質損失角與含水量的關系曲線。從圖1、圖2可以看出，隨絕緣件含水量增加，其電氣性能嚴重降低，所以實時檢測運輸及儲存過程中變壓器絕緣件的含水量是保證變壓器能正常運行的必要手段。

圖1　閃絡電壓與含水量的關系曲線

圖2　介質損失角與含水量的關系曲線

2絕緣材料含水量測量方法現狀

卡爾費休法： 直接精確測量絕緣材料中殘余含水量的方法。這是一種經典的微水測量方法，使用得當可以獲得較高的精度，它需要在試驗室從絕緣材料上取少量樣品，經甲醇萃取后測定。但是，對于變壓器儲存和運輸過程來說并不是理想的測量方法，因為存儲及運輸過程變壓器是密封的，取樣較為困難，取樣后需運回試驗室使用專用設備進行檢測，其過程保存難度大，檢測周期長。對于現場儲存和運輸的變壓器來說，受場地、環境、檢測條件等限制，可操作性、時效性均無法滿足實用要求。

絕緣電阻、吸收比測量方法： 通過測試產品的絕緣電阻及吸收比來間接判斷產品是否受潮，是現階段最常用的方式。但根據實際應用經驗發現，該方法受環境、檢測設備及產品結構影響較大，其檢測穩定性、準確度較差，無法有效判斷變壓器主絕緣件受潮的實際情況。

由于缺少一種方便、有效的測試方法，各大變壓器生產廠都只能根據經驗制定變壓器充氣運輸及儲存的時間，認為變壓器充氣的庫房儲存時間需≤6個月，否則應注油保存。GBJ148—1990《電氣裝置安裝工程高壓電器施工及驗收規范》要求變壓器、電抗器到達現場后，現場露天儲存時間需≤3個月，否則應在1個月內注油保存。然而該基于經驗的規定無法定性地說明其合理性，并且在實際生產應用過程中，受生產計劃、運輸線路及工程周期等因素的影響，多數產品無法有效地執行該項規定。

3變壓器充氣露點檢測及絕緣件含水量判定的研究

3.1　基本原理

在變壓器運輸及儲存過程中，油箱內所充氣體的露點值，反應了器身絕緣周圍空間氣體含水量。氣體中水分與器身絕緣殘余水分在一定溫度下，經過一段時間可逐步接近平衡狀態，如果能得出絕緣材料殘余含水量和充氣露點對應的平衡關系，便可以通過測量油箱氣體露點來判定絕緣材料的殘余含水量。

3.2　試驗目的

通過在試驗室內模擬變壓器充氣狀態下絕緣材料與所充氣體含水量的均衡狀態，用卡爾費休法標定不同受潮狀態下絕緣紙板的含水量，并同時測試該狀態下所充氣體的露點值，應用統計方法得出絕緣材料殘余含水量和充氣露點對應的平衡關系曲線，并將該曲線應用于實際。

3.3　試驗模型

根據實際設計經驗，變壓器產品隨電壓等級、容量的增大，其油箱內充氣體積與絕緣件體積也對應增加。選取典型產品分析其絕緣紙板體積與油箱內充氣體積的關系，發現油箱內充氣體積約為絕緣紙板體積的10～11倍，見表1。

表1　油箱內充氣體積與絕緣紙板體積的關系

注： 計算過程中可認為油箱內充氣體積等于變壓器油填充體積。

根據上述數據統計，可將變壓器油箱與絕緣紙板體積按比例縮小，在試驗室中建立模擬受潮及露點檢測模型。選取試驗油箱，體積為8m3，其內放置標準絕緣紙板樣塊，體積為0.8m3，該油箱設置充氣接頭、檢測接頭、注油閥門及放油閥門。

由于理想氣體露點值受其溫度及壓力影響，為避免數據偏差，試驗過程設定環境溫度20℃，充氣壓力20kPa。統一使用材料及設備： 瓶裝干燥空氣(標況下，露點≤-60℃)，合格變壓器油(含水量≤5mg/kg)，露點測試儀。檢測模型示意如圖3所示。

圖3　檢測模型示意圖

試驗模型油箱內氣體含水量計算：

Wq=0.008g/m3×8m3=0.064g

標況下氣體含水量的露點溫度與體積比對照表見表2。

試驗模型油箱內變壓器油含水量計算：

Wy=5×10-6×895×103g/m3×8m3=35.8g

其中變壓器油密度為895×103g/cm3。

試驗模型油箱內絕緣件含水量計算：

Wj=0.005×0.8m3×1.2g/m3×106

=4.8×103g

其中合格絕緣件含水量為每克絕緣件含水0.005g，絕緣件密度為1.2×106g/m3。

按絕緣件含水量為0.5%計算：

Wq/Wy=1.79×10-3

Wq/Wj=1.33×10-5

由以上計算結果可知：

1) 露點為-60℃干燥空氣的含水量小于合格變壓器油含水量，所以在工藝控制得當的情況下，可以使用干燥空氣代替變壓器油進行運輸。

2) 絕緣件中水分的含量遠超過干燥空氣中水分的含量，所以平衡過程應為絕緣件中的水分向干燥空氣中躍遷。平衡后干燥空氣中水分含量會相應增加，從而露點溫度將升高。

表2　標況下氣體含水量的露點溫度與體積比g/m3對照

3.4　試驗過程

3.4.1干燥空氣與絕緣件樣塊含水量平衡時間測定

① 將絕緣紙板樣塊進行氣相干燥處理，出爐后應用卡爾費休法檢測其含水量，并進行記錄。

② 按照如圖3所示檢測模型示意圖，將含水量一致的絕緣件樣塊取0.8m3放入油箱中，從注油閥注入合格變壓器油，將油箱內空氣排盡，絕緣浸油24h。

③ 打開充氣閥門注入露點為-60℃干燥空氣，將油箱內變壓器油從排油閥排盡，保證內部空間充滿-60℃干燥空氣，并充氣至20kPa。

④ 使干燥空氣與絕緣件樣塊充分接觸，每放置6h，連接露點儀檢測油箱內部干燥空氣露點，并進行記錄。

重復①～④，觀察露點變化，發現露點值在36h后趨于平衡。為方便工程應用，確定干燥空氣與絕緣件樣塊含水量平衡時間為48h。

3.4.2絕緣樣塊含水量與露點值對應關系曲線測定

① 將絕緣紙板樣塊進行氣相干燥處理，出爐后應用卡爾費休法檢測其含水量，并進行記錄。

② 按照如圖3所示檢測模型示意圖，將含水量一致的絕緣件樣塊取0.8m3放入油箱中，從注油閥注入合格的變壓器油，將油箱內空氣排盡，絕緣浸油24h。

③ 打開充氣閥門注入露點為-60℃干燥空氣，將油箱內變壓器油從排油閥排盡，保證內部空間充滿-60℃干燥空氣，并充氣至20kPa。

④ 靜置48h以上，使干燥空氣與絕緣件樣塊充分接觸平衡后，連接露點儀檢測油箱內部干燥空氣露點，并進行記錄。

⑤ 將氣相干燥處理后的緣件樣塊放置在潮濕空氣中暴露受潮，每6h應用卡爾費休法檢測其絕緣含水量，并進行記錄。

重復進行①～⑤，并記錄采集數據，得到各階段絕緣樣塊含水量與露點值對應關系，根據理想狀態氣體方程換算出不同溫度下的對應關系，建立20kPa時充氣露點和絕緣樣塊含水量的關系曲線如圖4所示。

圖4　20kPa時充氣露點和絕緣樣塊含水量的關系曲線圖

4產品試用

筆者應用試驗模型所得的曲線對30臺大型電力變壓器充氣運輸及儲存過程進行驗證，在產品油箱內放置絕緣樣塊，經檢測，該曲線與實際測試結果一致，為避免測量誤差造成質量風險，應用該曲線時，檢測產品絕緣件的含水量需≤0.5%。經過對上述產品實際運行狀況跟蹤，均滿足現場投運要求，運行質量良好。

通過對變壓器浸油后的產品運輸、儲存實踐經驗，將該項試驗模型曲線應用到器身干燥后直接充氣運輸的產品，以露點測定來判定變壓器絕緣件的含水量，并成功在國網公司特高壓直流項目換流變壓器上進行實踐。此臺變壓器，由于運輸道路的封閉問題，必須在規定時間通過運輸道路，運抵西電常變。故此臺產品在器身干燥后直接進行油箱裝配(器身未浸油，線圈為白皮線圈)，充干燥空氣運輸到異地進行總裝、真空注油及試驗。該變壓器未浸油直接運輸，這在西變運輸上是第一次，防止絕緣件受潮以及判斷絕緣件是否受潮成為第一工作要務，在采取專門密封措施后，采用上述干燥空氣露點測量法進行絕緣件含水量的判斷，在氣體平衡后，經測量運輸前環境溫度和充氣壓力，以及運輸后環境溫度和充氣壓力值，并與圖4對比后，絕緣含水量均小于0.5%。在后續安裝附件和相關工藝要求下，此臺±800kV特高壓直流變壓器產品一次通過全部試驗。為進一步減輕大型變壓器載重量和變壓器跨區域制造、試驗提供理論依據及實踐基礎。

該項試驗結論將相關標準的理論內容進行融合，并有效地應用到生產當中。對變壓器絕緣受潮故障的判斷及預防有實際意義，而且為實現大型變壓器無油干燥運輸奠定理論依據。

參考文獻

朱英浩，計宏偉，鄭時伊.新編變壓器實用技術問答.沈陽： 遼寧科學技術出版社，2001.

趙靜月，張慶，康運河.變壓器制造工藝.北京： 中國電力出版社，2009.

GBJ 148—1990.電氣裝置安裝工程電力變壓器、油浸電抗器、互感器施工及驗收規范.

GB/T 5832.2—2008.氣體中微量水分測定.

GB/T 11605—2005.濕度測量方法.

Tri T Le, David J T Hill, Mat Darveniza. Aging of Transformer Insulation Paper. Journal of Macromolecular Science Part A-pure and Applied Chemistry. 1996,33(12): 1885-1895.

Ahmed E B, Abu-Elanien, M M A Salama. A Monte Carlo Approach for Calculating the Thermal Lifetime of Transformer Insulation. Electrical Power and Energy Systems, 2012,43(1)：481-487.

A Bahadori. Prediction of Saturated Air Dew Points at Elevated Pressures Using a Simple Arrhenius-Type Functiom.Chemical Engineering & Technology, 2011,34(2): 257-264.

文章編號：1674-540X(2015)04-009-05

中圖分類號：TM405

文獻標識碼：B

作者簡介：田子九(1969-)，男，工程師，主要從事變壓器裝配技術的研究工作

收稿日期：2015年6月