油浸式變壓器絕緣系統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備，變壓器絕緣的使用壽命和健康狀態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，設計了一種基于分子篩吸附原理的變壓器絕緣系統智能除水裝置，其可以實現變壓器的在線干燥。

關鍵詞：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備，變壓器的使用壽命主要取決于其絕緣系統的使用壽命。變壓器的絕緣系統主要由油和絕緣紙板組成，纖維質的絕緣紙對絕緣系統使用壽命影響最大，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完成之后就開始了或快或慢的老化過程。傳統的變壓器運行維護都是基于對變壓器絕緣電阻、吸收比、極化指數、介質損耗、繞組泄漏電流、油中微水等參數的檢測，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進行翻新維修，通過真空濾油、熱油循環、低頻加熱或氣相干燥等方法，去除油中的雜質、氣體以及水分等。這種定期、被動的變壓器維護方式，已經落后于目前國際大電網會議組織提倡的設備狀態檢修和主動運維的理念。

為了更好地維護變壓器，延長變壓器使用壽命，本文針對現有傳統干燥技術存在的缺陷，設計了一種油浸式變壓器絕緣系統智能除水除水裝置。

1 變壓器絕緣老化機理

1.1? ?變壓器絕緣老化因素

變壓器中的水分、氧氣、油老化產生的酸和各種顆粒會在絕緣系統中緩慢擴散，并在熱、電、電磁場及其應力的影響下，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

變壓器絕緣結構中存在的水分主要來自于3處：（1）變壓器在工廠生產干燥期間未去除的殘留水分;（2）變壓器安裝及運行過程中，空氣進入油箱所含水分;（3）變壓器絕緣紙纖維和油的老化分解產生水分。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入油箱，例如下雨降溫時，變壓器內部壓力快速下降，如果密封不足，部分雨水可能在幾個小時內被快速吸入變壓器內部。另外，絕緣材料在接觸到空氣時，絕緣材料受潮也是變壓器絕緣結構中存在水分的一個重要因素。在絕緣材料溫度升高的情況下，絕緣老化也會產生水分并破壞絕緣性能。大部分情況下，水分會在繞組熱點附近生成。水會溶解在油里，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生的顆粒。

變壓器在正常或過載溫度下運行會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度下降的主要因素，最危險的顆粒是導電顆粒，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，對顆粒物進行識別和計數是變壓器狀態監測和評估的重要依據，去除顆粒物則是變壓器油處理的重要目標。

1.2? ? 變壓器絕緣老化過程

絕緣老化是一種化學現象，是水解、熱解和氧化各種機制同時作用造成的。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、氣體和水。

熱解是指由熱引起的化合物的分解或轉化。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、酸性物質和氣體。

氧化是指物質與氧氣的結合。變壓器油氧化會產生酸性物質，酸性物質會破壞絕緣紙的纖維素和絕緣油的介電強度，促使纖維素水解。

以上3種反應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 ℃以內時，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、酸性物質和氣體，會使變壓器絕緣失效，進而出現絕緣擊穿和局部放電故障。

（1）水分會增強絕緣材料的導電性能，降低絕緣材料介電強度，導致絕緣擊穿或局放故障。

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

（3）變壓器運行中隨著溫度上升，絕緣材料逐步老化產生氣體，同時水分也在溫度作用下汽化而形成氣泡，氣泡首先發生游離放電，游離出的帶電粒子再碰撞油分子，使油又分解出氣體，氣體體積膨脹會使游離放電進一步發展，最終降低油的擊穿電壓和局部放電場強，引發絕緣擊穿故障和局部放電故障。

綜上所述，去除水分、氧氣和油老化產物是修復變壓器絕緣系統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。實際上，穩定運行的變壓器中97%～99%的水存在于絕緣材料中，剩余的水才是以溶解態存在于變壓器油中。新變壓器的油經處理后的工藝要求水含量達到10 μL/L，而變壓器絕緣材料經處理后的含水量在0.2%～0.5%，所以變壓器絕緣材料中的水是油中水的上百倍，并維持一個穩定的平衡狀態。

研究發現，油紙絕緣中微水的分布與溫度有著密切的關系，水分在油和紙中會經過滲透遷移而達到平衡，最終絕緣紙的水蒸氣分壓等于油中水蒸氣分壓，根據相對濕度相等的理論和大量相關實驗數據，可以得到不同溫度下油紙絕緣的微水穩態分布曲線，如圖3所示。

圖3給出了油溫在0～100 ℃的各主要溫度點，油微水含量（X軸）對應的絕緣紙水的飽和含量（Y軸）。根據平衡曲線，如變壓器運行溫度在40 ℃時，其油微水含量在10 μL/L時，對應平衡的絕緣材料含水量應該為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%，遠遠低于平衡曲線的2.5%。變壓器投入運行后的很長一段時間內，油紙絕緣系統要達到水平衡，必將是水分從油中持續不斷地向纖維素材料中轉移。變壓器油中通過內部分解和外部受潮產生的新水分就會經過平衡過程進入纖維材料，而變壓器油中的含水量仍然維持在原有水平并未發生明顯變化。如變壓器運行溫度在70 ℃時，運行若干年后，絕緣材料已經從初始的0.2%～0.5%含水量通過平衡上升到1%。根據平衡曲線，油中微水仍舊不會超過10 μL/L，但絕緣材料纖維中的水已經飽和了。假如1臺220 kV的變壓器絕緣材料總量為7 000 kg，其絕緣材料實際吸收了7 000×（1%-0.2%）=56 kg的水，變壓器油微水含量測量值為10 μL/L，與初始狀態相同，而變壓器絕緣材料的干燥度已經與原來完全不同了，根據試驗數據證明，在絕緣材料中微水含量每增加0.5%，其絕緣老化速度將會是原來絕緣水平的1倍。

綜上所述，運維人員不能單從傳統的變壓器油微水含量來判斷變壓器絕緣老化狀態，即使運行良好的變壓器，其絕緣老化產生的水也可能導致變壓器內部發生絕緣事故;反之，即使絕緣老化，但變壓器油也可能是合格的，其擊穿電壓也能達到規定的要求，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測來發現的，需要進一步測量變壓器繞組的絕緣電阻、吸收比、極化指數、介質損耗、繞組泄漏電流等，從而確定變壓器是否需要進行干燥處理。

3 變壓器傳統絕緣干燥方法和效果分析

變壓器器身絕緣系統中的水分長期運行會逐步導致絕緣性能降低，當絕緣性能降至不安全數值時，為確保電網的安全可靠運行，變壓器必須從系統中退出，進行干燥處理。

傳統變壓器絕緣現場干燥處理的基本原理都是將絕緣材料中的水分轉移到周圍介質，并將周圍介質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之間的水分存在兩個動態平衡過程和影響動態平衡的參數。

當變壓器器身絕緣材料周圍介質為液相絕緣油時，在油紙絕緣結構中，絕緣材料中含水量和油中含水量之間始終存在一個動態平衡過程，當油紙接觸溫度升高時，絕緣材料中的水分將向油中遷移，當油紙接觸溫度降低時，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影響，油處于動態下的平衡速度比靜態時快，油的流動會加速水分在兩者之間的平衡。

當變壓器器身絕緣材料周圍介質為氣相水蒸氣時，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平衡。當水蒸氣壓力降低時，水分從絕緣材料內層轉移到表面，然后擴散到周圍介質中去，水分的轉移向著水蒸氣壓力較小的方向進行。

常用的變壓器絕緣現場干燥處理方法有熱油循環干燥法、熱油噴淋干燥法以及氣相真空干燥法，氣相真空干燥設備如圖4所示。選取干燥工藝參數時，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，變壓器器身溫度不得高于95 ℃，在這個溫度下油、紙都不會遭到熱破壞。在帶油干燥時，為避免油質老化，油溫不得高于80 ℃。影響干燥工藝的另一個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由絕緣材料的纖維毛細管向外擴散。為了克服蒸汽經由纖維毛細管向外擴散過程中的流阻，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抽真空，將絕緣材料排出的水分排出箱外。當被干燥處理的變壓器可以承受高真空時，宜采用較高的真空度，否則應采用較低的真空度。通過提高變壓器箱內真空度，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。由于油的流動可加速平衡，為促使油在箱體內部流動，油流進出口應對角布置，強迫循環冷卻變壓器在熱油循環干燥過程中應定期啟動潛油泵。

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

現有的變壓器除水干燥技術存在缺陷有：

（1）傳統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，高溫和壓力會影響絕緣材料的機械強度，可能加速油紙絕緣老化。

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

（3）傳統除水方式會影響油中氣體含量，導致對變壓器健康狀況誤判。

（4）傳統除水方式需要用到真空設備，有可能損壞其他組件，安全性不夠。

因此，需要設計更安全、可控和智能的變壓器油紙絕緣干燥除水系統，在線監測絕緣干燥相關參數，并調整含水量指標，確保變壓器的安全、健康運行。

4 變壓器絕緣系統智能除水裝置研制

英國的Transec和美國的Drykeep是最早的基于分子篩過濾除水技術的變壓器在線干燥裝置，在歐美和印度等地區進行了應用推廣。近幾年，西門子和MR公司也根據用戶在線除水需求推出了自己的產品，結合變壓器運維經驗，在結構、材料和算法上做了部分改進。目前國內雖然在這方面做了少量的科研應用，但尚未推廣，也沒有推出國產化產品。

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。晶體具有蜂窩狀結構，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，而構型龐大的分子不能進入孔道，不被分子篩吸附。分子篩結構如圖5所示。

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。相比于常規硅膠材料，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，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吸水，循環再利用。

本文提出了一種變壓器絕緣系統智能除水裝置設計方案，對現有的同類產品及其材料進行了改進。

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

（2）該裝置采用一體化設計，包括外部循環系統、內部循環系統、自動控制系統。同時，支持現場安裝，方便投入和退出正在運行的變壓器，充分考慮裝置啟動時的進油和排氣方式，方便除水罐體的更換，不會對變壓器絕緣油產生二次污染，不影響變壓器正常運行。

（3）該裝置支持變壓器油溫度及微水含量的在線監測，根據油紙絕緣含水量平衡關系曲線進行閉環控制，同時支持用戶根據介電譜測量值自主設定控制策略，通過對絕緣油的循環過濾，能在變壓器運行時有效去除油中的微量水分，使油紙中的水分平衡在最優值，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功能，包括管路泄漏保護、設備溫度控制及保護、控制裝置自檢及電路保護。油溫異常升高時，除水裝置自動停止工作，從而保護分子篩材料不受高溫破壞，同時具有過濾顆粒物功能，實現了水分和顆粒物的同時去除，保障油路和絕緣系統的安全。

變壓器絕緣系統智能除水裝置包含以下主要部件：進油閥、回油閥、節流閥、過濾罐、濾油器、排氣罐、微水傳感器、油流指示器、油泵、控制器，具體結構如圖6所示。

變壓器絕緣系統智能除水裝置投入運行的工作流程如下：

（1）打開排氣罐的放氣口;

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

（3）關閉排氣罐的放氣口;

（4）打開回油閥，再完全打開進油閥;

（5）啟動油泵，確認油流指示器顯示油流正常;

（6）監視除水裝置正常運行20 min，確保沒有漏油，沒有其他異常現象;

（7）投入自動控制。

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

該裝置自動運行時，其主控單元會通過傳感器采集系統的水含量、溫度、壓力等狀態參數，并根據設定的控制策略自動啟動或停止除水濾油過程。該裝置具體運行操作界面如圖7所示。

5 結語

本文基于對變壓器絕緣系統中水分的分布及危害分析，設計了一種基于分子篩吸附原理的變壓器絕緣系統智能除水裝置，其能夠實時采集變壓器油溫及微水含量，并根據變壓器油紙含水量平衡曲線調整過濾速度和時間，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，該裝置樣機經過了試驗平臺測試，運行穩定。考慮到目前行業內存在的已經運行超過20年的大型變壓器都會有安全除水的需求，該裝置未來可以在電力行業中大力推廣應用，并不斷對其進行改進和完善。

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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，從事換流變壓器、平波電抗器等電力一次設備的檢修試驗及維護工作。