高壓套管芯體高頻真空干燥工藝研究

張 朝，饒金海，盧宗慧，張 嚴(yán)，韓 亮

（北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100120）

0 引言

目前特高壓電網(wǎng)上使用的套管依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約我國(guó)國(guó)產(chǎn)特高壓套管的發(fā)展，影響特高壓電網(wǎng)重大裝備的國(guó)產(chǎn)化。套管制造的核心是電容芯體的干燥技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的突破對(duì)于特高壓交直流電容套管產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，具有非常重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外高壓套管真空干燥現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外高壓套管芯體干燥處理的方法主要為外熱干燥法，如熱油循環(huán)加熱干燥法和熱風(fēng)循環(huán)加熱干燥法等。此類方式干燥時(shí)間很長(zhǎng)，芯體絕緣紙老化嚴(yán)重，不僅影響使用壽命，而且存在套管芯體干燥不徹底的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)造成套管使用中的安全隱患。

以額定電壓126kV套管電容芯子為例，外熱干燥的特點(diǎn)如下：

1.1 干燥時(shí)間長(zhǎng)

為防止套管芯體內(nèi)部的電纜紙老化，真空罐壁溫度在干燥過(guò)程中一般不大于150℃，利用真空除去水分，可降低水的汽化點(diǎn)，但是真空罐內(nèi)沒有熱對(duì)流，僅靠輻射傳熱，使高壓套管芯體絕緣材料獲得熱量的速度很慢，降低了套管的干燥效率。套管芯體的電纜紙每隔2mm～3mm放置一層鋁箔，由于受到鋁箔的遮擋，干燥時(shí)水汽不能從芯體的徑向排出，只能沿軸向排出，大型套管芯體軸向長(zhǎng)度可達(dá)11米左右，這種結(jié)構(gòu)加大了套管芯體干燥的難度，導(dǎo)致套管芯體干燥的速度很慢。加熱時(shí)間長(zhǎng)，不僅損失大量的熱能，而且容易造成電纜紙的老化，影響套管的使用壽命。額定電壓126kV套管電容芯子，采用現(xiàn)行工藝干燥時(shí)間約300小時(shí)左右。

1.2 干燥不均勻

1.2.1 加熱溫場(chǎng)不均勻

真空罐壁為雙層結(jié)構(gòu)，夾層中通入油或熱蒸汽加熱，熱量在真空狀態(tài)下主要靠熱輻射傳導(dǎo)到套管芯體。距罐壁越遠(yuǎn)，溫度越低，罐內(nèi)溫度場(chǎng)越不均勻。此外，為提高設(shè)備使用效率，設(shè)備一次需要同時(shí)干燥多支芯體，對(duì)于同時(shí)進(jìn)行干燥的芯體產(chǎn)品，所在的溫場(chǎng)更加的不均勻。

1.2.2 傳統(tǒng)干燥方式造成不均勻

實(shí)際生產(chǎn)中套管芯體絕緣紙的局部含水量不同，外熱干燥法會(huì)造成套管芯體局部干燥不徹底且很難被發(fā)現(xiàn)，干燥不徹底的套管運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)介損回升的現(xiàn)象，導(dǎo)致套管運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱擊穿。

1.3 干燥系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用高,占地面積大,效率低，自動(dòng)化程度低

綜上，現(xiàn)行的外熱法干燥套管芯體造成不均勻、絕緣紙老化、品質(zhì)一致性差，嚴(yán)重影響套管整體質(zhì)量，這就需要研究其他方法來(lái)達(dá)到干燥套管芯體的目的。經(jīng)研究論證，高頻真空干燥工藝是一種可行的工藝方法。

2 高頻真空干燥原理

采用高頻進(jìn)行加熱、利用真空進(jìn)行除水的干燥方式，在木材干燥中已有所應(yīng)用。對(duì)高壓套管芯體采用高頻電場(chǎng)進(jìn)行加熱，與木材的真空干燥相比存在很大差異，木材干燥要求干燥后的絕對(duì)含水量在8%～10%左右，高壓套管芯體干燥要求含水量從正常環(huán)境中的8%～10%降至0.3%以下。

高頻真空干燥的原理，是將高頻電源加在套管芯體金屬管芯和外部金屬套之間，在套管芯體結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)高頻電場(chǎng)，水分子在該電場(chǎng)中吸能升溫并且汽化，形成內(nèi)高外低的溫度和壓力梯度，有利于材料內(nèi)水分向外排出，加快干燥速度，縮短干燥周期。干燥過(guò)程在真空罐中完成，真空環(huán)境可以對(duì)材料內(nèi)外形成一個(gè)壓力差。這種干燥工藝極有利于套管在內(nèi)熱下對(duì)套管芯體絕緣紙進(jìn)行干燥。

高頻真空干燥紙芯的最高溫度控制在100℃左右，干燥時(shí)間比傳統(tǒng)的干燥時(shí)間大幅度縮短，更好的保證了紙的性能。高頻介質(zhì)加熱不同于高頻感應(yīng)加熱，極板間只有電場(chǎng)，不會(huì)產(chǎn)生渦流，電容芯子中的鋁箔不會(huì)被加熱造成溫度過(guò)高現(xiàn)象。

3 高頻真空干燥工藝

高壓套管芯體干燥工藝從5個(gè)方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究：

1）裝載方式對(duì)干燥特性的影響。

2）高壓套管芯體在干燥中的高頻電場(chǎng)的建立。

3）溫度變化分析。

4）真空度變化分析。

5）高頻頻率、功率對(duì)干燥特性的影響。

高壓套管芯體的裝載方式、高頻電場(chǎng)的建立對(duì)干燥的影響較大，本工藝采用每支套管芯體單獨(dú)裝載在專用金屬管中的方式，配合單獨(dú)的高頻發(fā)生器，便于對(duì)干燥功率的控制。

套管芯體溫度變化對(duì)于其排水有較大影響，通過(guò)對(duì)頻發(fā)生器干燥頻率的選擇、功率的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)套管芯體溫度的有效控制。排水過(guò)快容易造成套管芯體紙卷的“松卷”，影響使用。通過(guò)對(duì)不同溫度對(duì)排水的影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定出最終的加熱升溫的工藝曲線，解決了上述問題，取得的良好的效果。

此外，高壓套管芯體干燥要到達(dá)好的效果，需要在真空度較高的真空環(huán)境下進(jìn)行，高頻在真空下會(huì)放電，本工藝采用了循環(huán)變壓法的工藝方式，成功的解決了此問題。

4 高頻真空干燥的設(shè)備

設(shè)備是工藝的載體，工藝通過(guò)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。為驗(yàn)證上述工藝的可靠性，我們研發(fā)制造了一臺(tái)用于高壓套管芯體高頻真空干燥的自動(dòng)化干燥設(shè)備，由真空系統(tǒng)、自動(dòng)排水系統(tǒng)、高頻干燥發(fā)生器、物料小車及軌道、芯體冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成如圖1、圖2所示。

圖1 設(shè)備總圖

圖2 設(shè)備主體照片

4.1 真空系統(tǒng)

由真空罐、真空管道、真空閥門、真空機(jī)組、水冷系統(tǒng)等組成。真空罐、真空管道、真空閥門材質(zhì)均為不銹鋼。整個(gè)真空系統(tǒng)不允許無(wú)水運(yùn)行，無(wú)水時(shí)發(fā)出缺水報(bào)警，機(jī)組不能啟動(dòng)。前級(jí)閥、充氣閥互鎖保護(hù)，保護(hù)真空系統(tǒng)安全。

4.1.1 真空罐

干燥罐體的直徑φ2000mm、長(zhǎng)度約4000mm，材質(zhì)采用不銹鋼。罐體極限真空度達(dá)到＜3Pa，真空系統(tǒng)空載泄漏率：≤10Pa.L/S；真空系統(tǒng)極限真空度：≤1Pa（麥?zhǔn)嫌?jì)測(cè)量）。

罐門開閉操作自動(dòng)、簡(jiǎn)單、輕便，同時(shí)充分考慮滿足未來(lái)干燥大尺寸套管的需要，采用多個(gè)罐體串聯(lián)運(yùn)行的方式用于大型套管的干燥，該設(shè)備預(yù)留了串聯(lián)接口。在罐體上預(yù)留了高壓套管芯干燥所需的高頻發(fā)生器接線口，套管芯體加熱溫度監(jiān)控接口等。套管芯體干燥前，需要先把組裝好套管芯體放入工件車（如圖3所示）。

圖3 設(shè)備側(cè)剖圖

4.1.2 罐門自動(dòng)開閉

研制罐門自動(dòng)開啟、關(guān)閉系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)，是安全、可靠及操作方便。為此，設(shè)計(jì)時(shí)在罐門的底部采用萬(wàn)向球及定向限位結(jié)構(gòu)，以方便罐門能在所需的方向輕便的移動(dòng)。罐門的松開和壓緊采用四組氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，罐門的平移由伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

4.1.3 真空機(jī)組

該設(shè)備的真空機(jī)組由水環(huán)泵、羅茨泵、機(jī)械泵和分子泵組成。水環(huán)泵獲取的真空較低，用于套管紙芯干燥的初期除水，由于水環(huán)泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，除水時(shí)不會(huì)發(fā)生泵密封油脂被水乳化的現(xiàn)象，從而減少了設(shè)備換油維修，提高干燥設(shè)備的效率和可靠性。分子泵的使用，可以在套管紙芯干燥末期獲取較高的真空，且無(wú)“返油”污染真空罐的現(xiàn)象，提高了套管紙芯干燥品質(zhì)。分子泵運(yùn)行時(shí)的功率小，節(jié)能效果明顯。

4.2 自動(dòng)排水系統(tǒng)

自動(dòng)排水系統(tǒng)由排水管道、閥門、儲(chǔ)水罐等組成。在干燥初期，套管紙芯含水較高，出水較多，排出的汽態(tài)水遇到真空罐壁凝結(jié)成水，積結(jié)于真空罐底部，為快速排除積水，在真空罐的底部設(shè)計(jì)有排水管道，將水引入下面的儲(chǔ)水罐，排水管與儲(chǔ)水罐裝有截止閥便于控制。儲(chǔ)水罐裝有自動(dòng)稱重系統(tǒng)，可以自動(dòng)稱取儲(chǔ)水罐中水的重量，自動(dòng)計(jì)算出套管紙芯的出水速率，據(jù)此可以判斷干燥初期的階段是否結(jié)束。套管紙芯出水的速率做為重要的控制反饋信息，再結(jié)合對(duì)高頻加熱速度、套管紙芯溫度、真空度等變量的控制，進(jìn)而對(duì)套管紙芯出水速率進(jìn)行有效的控制，意義在于解決了套管紙芯出水過(guò)快對(duì)紙張?jiān)斐傻牟焕绊憽?/p>

可以在系統(tǒng)中制定紙芯出水速率的標(biāo)準(zhǔn)工藝曲線，計(jì)算機(jī)據(jù)此自動(dòng)完成對(duì)干燥過(guò)程的控制。

4.3 高頻干燥發(fā)生器

高頻發(fā)生器的工作頻率范圍為4～12MHz，是高頻干燥的核心部件。使用高頻干燥發(fā)生器加熱，套管芯體升溫迅速，不存在間接加熱的延遲效應(yīng)，加熱溫度控制也更加精準(zhǔn)可靠，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

4.4 物料小車及軌道

真空罐體內(nèi)的底部設(shè)置有導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，沿罐體的長(zhǎng)度方向延伸至開口，物料小車的底部具有與導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)配合的滾輪，當(dāng)物料小車推至真空罐體的開口處，即可與導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)配合，直接推入真空罐體內(nèi)，并且，傳統(tǒng)的高壓套管芯體干燥廠房為了在一定時(shí)間內(nèi)干燥高壓套管數(shù)量最大化，而將真空罐體豎直放置，從而能夠在同等面積的廠房?jī)?nèi)容置更多的真空罐體，還需配備專門的吊裝裝置將高壓套管芯體提升或下放入真空罐體內(nèi)，采用高頻干燥，由于干燥周期大大縮短，可將真空罐體水平放置，也不會(huì)降低產(chǎn)量，能夠直接采用導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)將物料小車送入真空罐體內(nèi)即可，更加方便安全。

將制作好的套管放入專用的物料車，物料車一次可裝載12支套管（φ114mm，長(zhǎng)2340mm）。

4.5 芯體冷卻系統(tǒng)

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性決定了套管芯體中部溫度偏高。為避免由于中部溫度過(guò)高對(duì)油紙層產(chǎn)生損傷，采用了在真空中空氣冷卻的方式進(jìn)行降溫，以最大限度提升設(shè)備的干燥效率。

4.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)

整套系統(tǒng)由工控計(jì)算機(jī)和控制組柜組成。控制功能兼有自動(dòng)和手動(dòng)控制功能。運(yùn)行監(jiān)控，套管加熱溫度、真空度等在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)設(shè)定和顯示，并能傳送到中央控制室。

每支套管芯體均有獨(dú)立加熱系統(tǒng)，采用先進(jìn)的紅外測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)每一支套管芯體溫度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)選取關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，來(lái)實(shí)現(xiàn)芯體獨(dú)立進(jìn)行加熱控制。干燥過(guò)程的實(shí)時(shí)狀態(tài)、溫度等進(jìn)行了可視化設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 套管芯體干燥過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控

5 高頻真空干燥工藝的優(yōu)點(diǎn)

5.1 干燥周期短

高頻套管芯體干燥在真空環(huán)境下進(jìn)行，其表面的蒸汽壓力和溫度下降的很快，導(dǎo)致套管芯體內(nèi)部的蒸汽的壓力大于表面的壓力，芯體內(nèi)部的溫度大于表面溫度，形成的壓力梯度和溫度梯度方向是一致的，驅(qū)動(dòng)液態(tài)水和水蒸氣流向表面，因而干燥進(jìn)行得非常快。設(shè)備一次可以同時(shí)干燥12支額定電壓126kV 套管電容芯子，其含水量約8%～10%，采用高頻干燥，僅用了約72h，高壓套管獲得較低介損（0.4%）以下，時(shí)間約為傳統(tǒng)真空干燥周期300小時(shí)的1/4。

5.2 干燥品質(zhì)優(yōu)良

經(jīng)“高頻真空干燥工藝”處理的12支額定電壓126kV套電容芯子，按GB/T4109-2008《交流電壓高于1000V的絕緣套管》對(duì)于介質(zhì)損耗（tanδ）、電容量的測(cè)量、工頻干耐受試驗(yàn)、局部放電量的測(cè)量、抽頭絕緣試驗(yàn)及油色譜分析等指標(biāo)完成逐個(gè)試驗(yàn)。結(jié)果顯示，所有指標(biāo)均滿足相關(guān)要求，套管芯體介質(zhì)損耗檢測(cè)如表1所示。裝成套管介損0.344（20℃），滿足GB/T4109-2008中對(duì)套管要求（＜0.7%）。

表1 套管芯體介質(zhì)損耗檢測(cè)

根據(jù)干燥后解剖的四個(gè)套管芯體可以看出，芯體處理完成后外觀無(wú)開裂、伸縮異常等，產(chǎn)品內(nèi)部無(wú)物理和電氣損傷，絕緣紙與干燥前顏色一樣，無(wú)任何老化痕跡。

經(jīng)檢測(cè)絕緣紙老化程度DP值為1052。依據(jù)紙老化程度與干燥溫度和時(shí)間的相關(guān)曲線和系數(shù)，以及IEC 60076-7《油浸電力變壓器用裝備指南》中推薦紙老化公式（如圖5所示），經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，高頻干燥后紙聚合度應(yīng)在1000左右，實(shí)際樣品測(cè)量為1052，與理論計(jì)算相符。按GB/T 29305-2012《新的和老化后的纖維素電氣絕緣材料粘均聚合度的測(cè)量》中對(duì)不同紙樣聚合度值進(jìn)行評(píng)價(jià)如表2所示，紙樣聚合度應(yīng)屬于新鮮。

圖5 聚合度與時(shí)間

表2 紙樣聚合度評(píng)價(jià)表

電場(chǎng)對(duì)紙老化無(wú)明顯影響，紙干燥時(shí)溫度與持續(xù)時(shí)間是決定紙老化程度的關(guān)鍵因素，由于高頻干燥工藝干燥時(shí)間短（總時(shí)長(zhǎng)約72小時(shí)）、溫度低（最高溫度在100℃左右），對(duì)紙的老化程度（DP值）影響小。

5.3 套管芯體干燥均勻性好，產(chǎn)品干燥一次合格率高于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行所有干燥工藝

干燥開始的時(shí)候，芯體絕緣紙中含的水分量較大，從高頻電場(chǎng)中吸收的電場(chǎng)能量越大；隨著絕緣紙中水分的逐漸干燥減少，從高頻電場(chǎng)能吸收電場(chǎng)能量隨之減小，這就是高頻干燥的自適應(yīng)性。高頻干燥的自適應(yīng)性，從根本上解決了套管芯體局部干燥不徹底的缺陷。

5.4 節(jié)能高效，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯

加熱時(shí)套管芯體放在用不銹鋼制成的真空室內(nèi)，是個(gè)封閉的腔體，電場(chǎng)能量無(wú)外泄。這種干燥工藝可以讓電容型絕緣結(jié)構(gòu)整體均勻徹底地干燥，與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的油或熱風(fēng)循環(huán)加熱真空干燥相比較，生產(chǎn)能耗低，運(yùn)行成本低。高頻干燥工藝的成功運(yùn)用，將對(duì)特高壓交直流電容套管產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化起到關(guān)鍵作用。

5.5 減少環(huán)境污染

該設(shè)備運(yùn)行時(shí)，對(duì)周圍環(huán)境無(wú)任何污染。

5.6 簡(jiǎn)化工藝

傳統(tǒng)干燥方法需要在套管芯子卷制前進(jìn)行預(yù)干燥，將絕緣紙?jiān)埨虿眉舫蓷l卷捆，在烘箱或真空室內(nèi)加熱進(jìn)行預(yù)干燥，去除絕緣紙中少量自由水；在卷制過(guò)程中的干燥，是在原紙捆或條卷捆打開后卷入芯子前，單層紙狀態(tài)時(shí)，利用烘燈干燥系統(tǒng)及油加熱系統(tǒng)，在走紙路徑上對(duì)絕緣紙進(jìn)行逐層連續(xù)干燥，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且反復(fù)加熱會(huì)加劇紙張老化，原紙捆或條卷捆在卷制過(guò)程中，暴露在空氣濕度約50%的車間環(huán)境中，很容易再吸水。

高頻干燥方法可省略絕緣紙卷制前及卷制中的干燥過(guò)程，對(duì)卷制方式要求不高。

6 結(jié)語(yǔ)

高頻套管紙芯干燥工藝，高效節(jié)能，可縮短干燥周期，保證干燥質(zhì)量。解決了套管芯體絕緣紙老化、局部干燥不徹底的問題，提升了套管芯體的干燥質(zhì)量，在特高壓油紙電容式套管電容芯子干燥中的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

設(shè)備自動(dòng)化程度高，對(duì)紙芯的加熱溫度、干燥罐體的真空度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，每支套管均可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的工藝曲線自動(dòng)進(jìn)行干燥，排除了人為和其它因素的干擾，有科學(xué)的終點(diǎn)判據(jù)。全過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和信息化，每支套管芯體干燥過(guò)程中的溫度、真空度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)均可以自動(dòng)保存在系統(tǒng)中，方便導(dǎo)出進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)于干燥工藝的進(jìn)一步優(yōu)化有重要的意義，適用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。