氣相干燥過程中變壓器鐵心生銹的機理及預(yù)防措施

胡善福

（中山ABB變壓器有限公司，廣東 中山 528449）

0 引言

目前，在大型電力變壓器和工業(yè)變壓器的器身中，除了鐵心、銅導(dǎo)線外幾乎全是固體絕緣材料，在變壓器裝配過程中，如果絕緣材料受潮，其水分不僅會使絕緣材料體積膨脹，影響結(jié)構(gòu)尺寸，更重要的是它將影響變壓器的主絕緣和縱絕緣電氣強度，加快了絕緣件的老化速度。因此，器身絕緣件的干燥處理是在變壓器生產(chǎn)過程中必不可少的工序，絕緣件含水量一般應(yīng)控制在0.5%以下。目前電力變壓器和工業(yè)用特種變壓器的絕緣件干燥處理方法基本采用煤油氣相干燥法。煤油氣相干燥是通過改變蒸發(fā)器內(nèi)的氣壓和溫度使得液體的煤油氣化，氣化后的小分子煤油作為熱載體進(jìn)入真空罐中，因真空罐內(nèi)表面溫度低，使得煤油氣體遇冷液化，液化將會釋放熱能，從而使得變壓器器身受到加熱，蒸發(fā)出殘留于絕緣材料中的水分[1]。煤油氣相干燥方法具有加熱均勻、不留死角、加熱快、干燥效果好、可以清潔器身等特點而在高電壓、大容量電力變壓器中得到廣泛應(yīng)用[2]。但是，因氣候環(huán)境不同以及生產(chǎn)負(fù)荷的不均勻，生產(chǎn)過程中偶爾會發(fā)現(xiàn)鐵心上軛經(jīng)煤油氣相干燥后出現(xiàn)生銹的現(xiàn)象，部分在出爐干燥前變壓器鐵心就有輕微生銹，出爐后鐵心生銹現(xiàn)象更加嚴(yán)重，如圖1 所示，生銹部位主要集中于鐵心側(cè)面，鐵軛中間。這些鐵銹將影響變壓器的性能，是變壓器安全可靠運行的隱患。因此，需要分析變壓器鐵心生銹的過程，找出相關(guān)因素，制定對應(yīng)的預(yù)防和控制措施，指導(dǎo)變壓器的生產(chǎn)。

圖1 生銹的鐵心表面

1 變壓器鐵心生銹的危害

變壓器鐵心生銹將對變壓器電氣性能產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重時可導(dǎo)致變壓器燒毀。

生產(chǎn)制造過程中，如果用酒精擦拭鐵心銹跡，容易引起鐵心多點接地，因此需要非常認(rèn)真細(xì)致進(jìn)地處理，這就造成了人工工時的浪費。如果鐵銹粉末未被處理干凈，在例行試驗中可能出現(xiàn)變壓器絕緣電阻偏低現(xiàn)象，有的還不得不進(jìn)行濾油處理。

鐵心生銹后如處理不妥當(dāng)，鐵屑粉末存在使得電氣絕緣強度降低，如果原設(shè)計裕度不夠高，則易引發(fā)變壓器絕緣擊穿現(xiàn)象，嚴(yán)重的將進(jìn)行重大生產(chǎn)返工。

鐵心生銹會導(dǎo)致導(dǎo)磁截面損失，損耗加大；同時鐵心片間易短路，使得渦流環(huán)流增大，鐵損增加，鐵心發(fā)熱量增大，嚴(yán)重的會因局部溫升過高而引起相鄰部位的絕緣老化，并可使絕緣油迅速裂解，并產(chǎn)生大量的特征氣體[3]，最終可使變壓器損壞。

生銹嚴(yán)重的，在電磁力的影響下，變壓器會因振動而發(fā)出嚴(yán)重的噪聲[4]，長期振動造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，可能最終導(dǎo)致變壓器損壞[5]，殘留于變壓器內(nèi)部的鐵銹是變壓器安全可靠運行的隱患。

2 變壓器鐵心生銹的機理

變壓器鐵心生銹是一種電化學(xué)反應(yīng)過程，通常發(fā)生在硅鋼片的剪切面。鐵的化學(xué)性質(zhì)活潑，當(dāng)氧氣溶解在水里時，與鐵質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鐵，俗稱鐵銹，鐵銹的主要成份是Fe2O3，鐵心生銹的現(xiàn)象屬于鐵的電化學(xué)銹蝕，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

從這個化學(xué)反應(yīng)方程式看出，水并不被氧化也不被還原[6]，而是起電解質(zhì)溶液的作用，鐵心生銹過程需要吸收熱量，溫度越高反應(yīng)越劇烈，生銹更加迅速。另外，鐵銹具有吸水性，在相同的條件下，有微小銹斑的鐵心比潔凈的鐵心更容易生銹且生銹速度更快[7]。因此需要關(guān)注鐵心生銹的4要素：鐵、氧氣、水分、溫度。

（1）鐵的因素

因變壓器廠的客觀條件限制，往往變壓器廠只采購不同寬度的縱剪硅鋼片，然后使用各自的橫剪線進(jìn)行橫向剪切。硅鋼片的絕大部分表面上已涂有防銹漆，但部分橫剪和縱剪切面上未能及時采取防塵和防銹措施，硅鋼片的這種剪切面就為鐵生銹產(chǎn)生了鐵質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）氧氣因素

真空罐有一定的泄漏率，罐內(nèi)存在空氣是不可避免的；另外，絕緣件比較蓬松，在器身制造過程中會吸收大量空氣，絕緣件在干燥過程中會不斷釋放出空氣，而氧氣約占空氣的21%，因此在器身的氣相干燥初期一直有較高的氧氣含量。

（3）水分因素

空氣中含有大量水分，特別是南方的梅雨季節(jié)和北方的暴雨季節(jié)，連續(xù)的陰雨天氣使得空氣濕度增大[8]，空氣濕度可達(dá)85%甚至更高，絕緣件在這種環(huán)境下將會吸收大量水分，有的含水量可達(dá)8%，如一臺220 kV 大容量變壓器的水分含量可達(dá)450 kg。絕緣件在干燥過程中會不斷蒸發(fā)水分，如果這部分水不能及時從烘爐中抽出，就有可能在器身表面上凝結(jié)。

（4）溫度因素

在器身氣相干燥過程中，絕緣件溫度會從室溫逐步升高到120 ℃以上，如果在預(yù)熱階段時間過短，升溫過快，絕緣件與鐵心溫度上升不同步。如果加熱控制不合理，絕緣件比鐵心溫度可高出30 ℃以上。

在器身進(jìn)入煤油氣相干燥罐前偶爾也可見鐵銹的生成。這是由于鐵心下料及剪切過程中，未及時進(jìn)行防銹及防塵處理，硅鋼片切面吸水生銹；還有在鐵心組裝及上鐵軛的裝配過程中，包括鐵心轉(zhuǎn)移、上軛插片、套裝等過程，有些操作人員未養(yǎng)成帶手套進(jìn)行操作的習(xí)慣，手上的汗?jié)n直接粘在硅鋼片的切面上，進(jìn)而引起鐵心生銹。甚至在雨季氣候潮濕時，工廠內(nèi)部已開中央空調(diào)，室內(nèi)的溫度和相對濕度均比室外低，如果在裝卸變壓器其他附件而打開車間大門，導(dǎo)致室外相對濕度較高的空氣進(jìn)入車間內(nèi)部，導(dǎo)致硅鋼片上有冷凝水并開始生銹。

現(xiàn)結(jié)合典型的煤油氣相干燥工藝過程說明鐵心生銹機理。變壓器煤油氣相干燥設(shè)備是個較為復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，主要由真空罐及附屬系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓縮氣體系統(tǒng)、冷凝收集系統(tǒng)、蒸發(fā)蒸餾系統(tǒng)、注油系統(tǒng)、監(jiān)視測量系統(tǒng)、傳輸管道及控制系統(tǒng)組成[9]。煤油氣相干燥處理過程如表1所示。

表1 典型的煤油氣相干燥工藝過程

一般在預(yù)加熱階段后期及后續(xù)工藝過程中鐵心、線圈的溫度已超過90 ℃，如果各部分溫差控制在10 ℃以內(nèi)，烘爐內(nèi)因已抽真空，氧氣含量極低，生銹反應(yīng)發(fā)生機率很小。然而，在氣相干燥的初級階段，即進(jìn)爐抽真空和預(yù)加熱階段，生銹反應(yīng)很可能發(fā)生。

進(jìn)爐抽真空階段：由于生產(chǎn)任務(wù)緊張，部分器身在前一爐產(chǎn)品剛出爐就進(jìn)被運入烘爐，此時爐溫較高，罐壁溫度可能超過80 ℃，加上空氣濕度大，鐵心表面將吸附有一層水膜，而且空氣中氧氣充分，具備了鐵心生銹的四要素，也就是鐵心在進(jìn)爐抽真空階段就開始生銹了。

預(yù)加熱階段：大部分器身是在爐溫下降到80 ℃以下才進(jìn)爐的，入爐和抽真空操作處于室溫下，鐵心起初沒有生銹。因鐵心重量與絕緣件重量的比值可高達(dá)8 及以上，鐵的比熱容為460 J/(kg·℃)，絕緣件的比熱容約為1 256 J/( kg·℃)，鐵的導(dǎo)熱良好，因而在加熱過程中，使鐵心升高1 ℃所需熱量與使絕緣件升高1 ℃所需熱量的比為(460×8)∶1 256，即3∶1，在預(yù)熱階段鐵心升溫慢而絕緣件升溫快，當(dāng)預(yù)加熱2 h左右，鐵心溫度與絕緣件溫度相差可達(dá)40 ℃。此時罐內(nèi)壓強約為4～6 kPa，而水蒸氣飽和溫度約為29～36 ℃（表2），并且由于絕緣件釋放相對較多水汽、氧氣，水蒸汽由于沒有被及時抽出，當(dāng)遇到溫度低的鐵心，就會析出大量水滴在上軛上，甚至有的水滴沿著柱片邊緣向下流。隨著加熱的進(jìn)行，鐵心上部外側(cè)溫度升高、水汽足、絕緣件里又會析出氧氣，導(dǎo)致了鐵心上軛生銹。

表2 水的沸點與壓強對照表

加熱階段：如果升溫度過快，器身絕緣材料受熱不均勻容易變形開裂[10]，一般升溫速率控制在15～20 ℃/h之下[11]。實際操作中，需要監(jiān)控鐵心溫度和干燥罐真空度，并及時啟動收集罐的抽空系統(tǒng)，把干燥罐真空度控制在水蒸氣飽和壓強以下。

3 變壓器鐵心生銹預(yù)防措施

根據(jù)鐵生銹電化學(xué)原理，結(jié)合變壓器生產(chǎn)的實踐，建議如下的鐵心生銹預(yù)防措施。

3.1 減少氣相干燥前的鐵心生銹

（1）合理安排生產(chǎn)，縮短鐵心的露空擺放時間。如采用拉動式節(jié)拍化生產(chǎn)，則能及時安排剪片操作，并有效減少上工序鐵心半成品的存放量，避免卷料或硅鋼片的積壓，從而避免部分卷料來不及覆蓋或涂防銹劑；同時，硅鋼片存放區(qū)應(yīng)加強防塵、防潮處理。

（2）在變壓器疊片過程及上鐵軛插片階段，嚴(yán)格按工藝要求配戴干凈的防汗手套，不能用手直接觸摸硅鋼片，以防手上的汗?jié)n沾著在硅鋼片上，引起鐵心硅鋼片局部生銹。

（3）在引線制作和整理階段，培訓(xùn)并提醒操作工做好防潮保護(hù)。例如，去除換位導(dǎo)線絕緣漆以及引線焊接時，在工作部位下方的線圈或器身上依次墊好防水布和浸過冷卻液的耐熱布，在待加熱的導(dǎo)線根部纏繞包扎多層浸泡過冷卻液的工業(yè)擦拭紙，并且要纏緊在導(dǎo)線上。加熱和焊接時，僅滴少量冷卻液冷卻高溫部位。整個操作過程中，避免讓冷卻液滲透或滴到變壓器器身上。

（4）提高廠房的環(huán)境條件，最好能夠保持恒溫恒濕。無特殊情況，禁止打開裝配車間各個大門，避免濕熱空氣進(jìn)入車間并在硅鋼片上冷凝水。

3.2 改善氣相干燥工藝過程控制

（1）氣相干燥爐內(nèi)壁溫超過80 ℃時，不允許變壓器器身入爐，避免高溫高濕多氧條件下鐵心沒有開始干燥就在爐內(nèi)生銹。

（2）抽真空時間可適當(dāng)延長，如由1 h 設(shè)定為2 h，以便罐內(nèi)的氧氣和水汽含量更低。

（3）在抽真空干燥過程中，通過真空系統(tǒng)對真空罐內(nèi)的壓強進(jìn)行實時控制，以保證當(dāng)前壓強下鐵心溫度高于當(dāng)前壓強下水的沸點5 ℃[12]，這樣可以避免水分在鐵心表面的凝結(jié)，從而解決鐵心生銹問題。

3.3 改進(jìn)氣相干燥設(shè)備

（1）將抽真空轉(zhuǎn)換為加熱的壓強開關(guān)整定值從8 mbar調(diào)整為7 mbar，這可保證更多的氧氣和水汽被抽走。

（2）蒸發(fā)器導(dǎo)熱油最高設(shè)定溫度降低到90 ℃，有助于緩慢升溫，有效控制升溫速度，如果以20 ℃/h 左右的升溫速度進(jìn)行，線圈與鐵心溫差不超過25 ℃，可以避免水蒸氣凝結(jié)成水滴。

（3）主抽閥改為調(diào)節(jié)閥，加熱初期全開抽汽，避免加熱初期高氧環(huán)境出現(xiàn)，從而避免水蒸氣飽和凝結(jié)成水滴。

4 結(jié)束語

綜上所述，變壓器器身在煤油氣相干燥后出現(xiàn)鐵心生銹是多種因素綜合影響的結(jié)果。要避免鐵心生銹現(xiàn)象，就是要控制可能導(dǎo)致鐵心生銹的各種不利因素。變壓器制造廠需要特別關(guān)注鐵心生銹的四要素：鐵、氧氣、水分、溫度。首先，在生產(chǎn)環(huán)境方面加強對廠房的溫、濕度控制；在生產(chǎn)計劃上，采用拉動方式，合理安排生產(chǎn)；在物料控制方面，硅鋼片剪切面盡早噴涂防銹劑；在疊片、插片過程中，盡量避免手直接接觸硅鋼片以防汗?jié)n殘留在鐵心上；在設(shè)備維護(hù)和檢修方面，要確保干燥罐體及連接管路的密封部件完好，以免抽真空后空氣的吸入；并且，需要增加抽真空時間，緩慢加熱，降低溫差，提高預(yù)熱階段的抽氣速度，避免干燥罐內(nèi)的水蒸氣飽和，并且盡可能讓產(chǎn)品受熱均勻。通過以上幾個方面的改進(jìn)，可以有效防止變壓器鐵心生銹。當(dāng)然，有的預(yù)防措施會延長器身干燥時間、增加工時成本、增加能源消耗，變壓器廠可根據(jù)自身狀況選擇實施。