油浸式变压器绝缘系统智能除水装置的研制

油浸式变压器绝缘系统智能除水装置的研制

钱堰

中国能源建设集团江苏省电力建设第一工程有限公司 江苏 南京 210028

摘要：变压器绝缘材料从生产完成之后就开始了或快或慢的老化过程。传统的变压器运行维护都是基于对变压器绝缘电阻、吸收比、极化指数、介质损耗、绕组泄漏电流、油中微水等参数的检测，分析变压器是否受潮，判断绝缘是否降低或老化，然后采取离线检修或在线滤油的方式对绝缘系统进行翻新维修，通过真空滤油、热油循环、低频加热或气相干燥等方法，去除油中的杂质、气体以及水分等。这种定期、被动的变压器维护方式，已经落后于目前国际大电网会议组织提倡的设备状态检修和主动运维的理念。

关键词：变压器；油纸绝缘；绝缘老化；分子筛；过滤；除水

引言

目前，随着现代电力行业的不断发展，变压器作为一种常见的电力设备在工业生产以及社会生活中都有广泛应用，既节省了人力物力，还大大提高了工作效率。变压器的正常运行对于供电的稳定性具有直接影响，同时关系到人们的生命及财产安全。油浸式变压器油纸绝缘对水分具有较高的亲和度，水分对于油浸式变压器的绝缘性能具有直接影响，若绝缘系统中水分含量过高很可能加速绝缘材料的老化，并对设备的绝缘性能造成较大的影响，导致设备运行过程中出现各种问题。因此，需要重视变压器的干燥处理。

1油浸式变压器干燥工艺现状

变压器干燥工艺主要是去除绝缘材料中的多余水分，而多余水分主要是以吸附的方式附着在绝缘材料中，从理论上分析，水分在附着过程中获得足够的能力就能够转变为水蒸气分子，然后通过材料间隙向周围扩散，从而脱离附着部位。

针对油浸式变压器的绝缘干燥处理，主要是根据变压器绝缘受潮程度以及现场状况采取不同的干燥方法，例如热油循环、真空干燥、零序、短路、热风、热损等方法。热油循环主要是利用导热油将热量带到加热设备上的一种循环模式。但是在实际应用中发现，零序、短路、热风、热损等方法存在较多的问题，在实际应用中的使用价值不高。目前主要是采用热油循环以及真空干燥的方法，其中真空干燥表现出了较好的应用效果。因此下文主要针对变压法真空干燥技术展开探讨。

2变压器绝缘老化机理

2.1变压器绝缘老化因素

变压器中的水分、氧气、油老化产生的酸和各种颗粒会在绝缘系统中缓慢扩散，并在热、电、电磁场及其应力的影响下，明显缩短变压器的使用寿命。

2.1.1水分

变压器绝缘结构中存在的水分主要来自于3处：（1）变压器在工厂生产干燥期间未去除的残留水分；（2）变压器安装及运行过程中，空气进入油箱所含水分；（3）变压器绝缘纸纤维和油的老化分解产生水分。变压器绝缘遭水污染的主要来源是大气湿气，湿空气的渗入或游离水在密封不良且压力作用下进入油箱，例如下雨降温时，变压器内部压力快速下降，如果密封不足，部分雨水可能在几个小时内被快速吸入变压器内部。另外，绝缘材料在接触到空气时，绝缘材料受潮也是变压器绝缘结构中存在水分的一个重要因素。在绝缘材料温度升高的情况下，绝缘老化也会产生水分并破坏绝缘性能。大部分情况下，水分会在绕组热点附近生成。水会溶解在油里，随着油的极性老化，油的氧化性也变大，其水溶性也会增加。

2.1.2颗粒物

变压器油中的颗粒物来源主要有绝缘材料中的纤维、铁、铝、铜以及制造过程中产生的颗粒。变压器在正常或过载温度下运行会逐步老化并形成污泥颗粒，变压器温度超过500℃的局部过热可能会形成碳颗粒，而金属颗粒主要来自潜油泵轴承的磨损。颗粒物污染是变压器绝缘强度下降的主要因素，最危险的颗粒是导电颗粒，包括金属、碳以及湿纤维。大量变压器故障都是颗粒物污染引起的，对颗粒物进行识别和计数是变压器状态监测和评估的重要依据，去除颗粒物则是变压器油处理的重要目标。

2.2变压器绝缘老化过程

绝缘老化是一种化学现象，是水解、热解和氧化各种机制同时作用造成的。绝缘老化过程。水解是指化合物通过与水反应而分解。绝缘材料的主要成分纤维素是由许多葡萄糖基借助1-4配醣键连接起来的大分子，容易在酸性水溶液和高温水的作用下水解，从而生成呋喃型化合物，并最终分解成酸性物质、气体和水。

热解是指由热引起的化合物的分解或转化。变压器绝缘材料的纤维素在高温下降解，使纤维素分解成水分子、酸性物质和气体。

氧化是指物质与氧气的结合。变压器油氧化会产生酸性物质，酸性物质会破坏绝缘纸的纤维素和绝缘油的介电强度，促使纤维素水解。

3变压器绝缘系统智能除水装置研制

英国的Transec和美国的Drykeep是最早的基于分子筛过滤除水技术的变压器在线干燥装置，在欧美和印度等地区进行了应用推广。近几年，西门子和MR公司也根据用户在线除水需求推出了自己的产品，结合变压器运维经验，在结构、材料和算法上做了部分改进。目前国内虽然在这方面做了少量的科研应用，但尚未推广，也没有推出国产化产品。

分子筛是一种包含有精确和单一的微小孔洞的材料，可用于吸附气体或液体，通常分子筛由铝硅酸盐矿组成。晶体具有蜂窝状结构，晶体内的晶穴和孔道相互沟通，并且孔径大小均匀、固定，与通常分子的大小相当。只有那些直径比较小的分子，才能通过孔道被分子筛吸附，而构型庞大的分子不能进入孔道，不被分子筛吸附。

分子筛吸附小于其孔径的分子，通过选用合适的分子筛类型，除水以外的所有流体成分都可以不被吸附，避免了共吸附问题，更加提高了吸水性能。同时，分子筛具有优良的再生特性，水合的分子筛在特定的条件下活化时迅速脱水，活化后的晶体又可以可逆吸水，循环再利用。

本文提出了一种变压器绝缘系统智能除水装置设计方案，对现有的同类产品及其材料进行了改进。

（1）选用合成晶体硅酸盐材料制作分子筛，其多孔的材料结构能成功过滤小分子的水分子，而对变压器主要气体组分和油分子不具有过滤作用，而且不需要加热和抽真空，对变压器的运行安全不产生影响。

（2）该装置采用一体化设计，包括外部循环系统、内部循环系统、自动控制系统。同时，支持现场安装，方便投入和退出正在运行的变压器，充分考虑装置启动时的进油和排气方式，方便除水罐体的更换，不会对变压器绝缘油产生二次污染，不影响变压器正常运行。

（3）该装置支持变压器油温度及微水含量的在线监测，根据油纸绝缘含水量平衡关系曲线进行闭环控制，同时支持用户根据介电谱测量值自主设定控制策略，通过对绝缘油的循环过滤，能在变压器运行时有效去除油中的微量水分，使油纸中的水分平衡在最优值，有效提高油纸绝缘的安全性和可靠性，延长变压器的使用寿命。

结语

油浸式变压器作为现代电力网络中的重要设备，设备运行的安全性对于供电网络具有直接影响。绝缘干燥处理关系着油浸式变压器的整体使用性能，因此需要重视油浸式变压器绝缘干燥处理工艺的改进。在实际工作中发现，真空干燥工艺在油浸式变压器绝缘干燥处理中具有较好的应用效果，尤其是变压法真空干燥技术，该技术具有干燥处理效率高、能耗低且干燥效果好的优势，能够避免线圈烤焦、铁心生锈的问题，能够提高变压器厂的生产效率，值得在油浸式变压器实际生产中推广使用。

参考文献

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[2]王伟，马志青，李成榕，等.纤维素老化对油纸绝缘水分平衡的影响[J].中国电机工程学报，2012，32（31）：100-105.

[3]刘敏.不同含水量对油纸绝缘老化速率的影响[J].绝缘材料，2008，41（3）：40-42.