（机械制造及其自动化专业论文）变压器绝缘纸板干燥过程微水分检测机理与试验研究.pdf

大连理j ：大学博士学位论文 摘要 变压器绝缘纸板干燥过程微水分检测机理与试验研究是中国输变电 行业技术攻关课题( 编号y 9 8 0 1 0 2 l1 ) ，是国际同行业难题之一。变压器绝缘 纸板的含水量对变压器的使用性能、可靠性、使用寿命影响很大。如果绝缘纸板的 水分含量过高，会使其绝缘强度下降并降低其耐热性能。因此，在变压器的制 造及使用过程中，检测绝缘纸扳中的微量水分变化使其保持在合理的范围内 就显得特别重要。 介电测量方法适用于绝缘纸板微水分检测，但该技术尚不成熟。本论文 从绝缘纸板的介电极化及介电损耗出发，就介电测量技术应用于绝缘纸板测 量中涉及的多方面基础理论及影响因素进行了研究。 论文详细介绍了介电测量技术的原理及影响因素，并用集总电路模型求 解被测绝缘纸板的复介电常数。由于绝缘纸板微水分含量的变化必然弓【起材 料介电性能的变化，对介电性能进行检测即可有效检测微水分含量的变化。 介电法利用绝缘纸板这种电介质中所含水分对介电常数和损耗率的影响，间接测量 其水分含量。 绝缘纸板微水分在线测量系统开发需要解决电容式传感器及调理电路、检测软 件三部分工作，论文介绍了边缘场传感器的设计要求、技术指标以及相关调理电 路。并根据试验要求开发了数据处理软件计算测量信号的相位角和幅值增益，以进 一步计算绝缘纸板相应的介电常数和水分含量。 论文对于采用单一频率测量绝缘纸板微水分的方法进行了研究。同时分析了频 率及温度对电容传感器检测信号的影响因素。通过对绝缘纸板的介电极化和介电损 耗的研究，提出了频率和温度对电信号影响的理论模型。根据试验数据和介电谱曲 线，建立了无油绝缘纸板内的水分质量分数与复介电常数关系的数学模型。 同时，对干燥动力学规律的分析研究为介电测量方法在微水分测量领域的应用提供 了理论依据。分别建立了适用于绝缘纸板和绝缘层压板干燥过程的一维及二维扩散方程 数学模型，并给出解析解。通过称重法研究水分的扩散过程变化规律，数据分析证明绝 缘纸板微水分扩散过程遵循指数衰减规律，同时表明除湿速率表现为一种振荡衰减的变 化过程。 关键词：绝缘纸板：微水分；介电；电容：扩散 变压器绝缘纸板：f 燥过程微水分检测机理与试验研究 m e c h a n i s m sa n d t e s t i n go fm o i s t u r ec o n t e n tm e a s u r e m e n to f t r a n s f o r m e rp r e s s b o a r d a b s t r a c t t h ep r o j e c t i so n eo ft h ek e yp r o b l e m st ot a c l 【l ei nt h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi nc h i n a ( n o 9 8 0 1 0 2 1l xw h i c hi sa l s oo n eo ft h ew o r l d w i d ep r o b l e m s t h ep r e s e n c eo f m o i s t u r ei n t r a n s f o r m e rp r e s s b o a r dh a sad e t r i m e n t a le f f e c to ni n s u l a t i o nl i f e b yl o w e r i n g e l e c t r i e a lb r e a k d o w ns t r e n g t ha n dt h e r m a le n d u r a n c e ti sf u n d a m e n t a li m p o r t a n tt o h a v et h ec a p a b i l i t yo f a c c u r a t e l ym e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n gt h em o i s t u r eo f p r e s s b o a r dt ok e e p t h em o i s t m r cc o n t e n ti nas u i t a b l er a n g ef o r t h em a n u f a c t u r ea n do p e r a t i n go f p o w e ri r a n s f o r m e r i n d u s t r y t h ed i e l e e t r o m e t r yt e c h n i q u ei sg o o da td e t e c t i n gm o i s t u r ec o n t e n ti np r e s s b o a r d , b mi ti s n o tm a t u r ey e t a c c o r d i n gt h em e c h a n i s m so f d i e l e c t r i cp o l a r i z a t i o na n dl o s s , s e v e r a la s p e c t so n d i e l e c t r o m e t r ya r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , i n c l u d i n gt h ed i e l e c t r o m e t r yt h e o r i e sa n d d i s t u r b a n c ef a c t o r s t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ep r i n c i p l eo f d i e l e c l r o m e t r ya n di t sd i s t u r b a n c ef a c t o r s , a n dt h e m e t h o d st oo b t a i nt h ec o m p l e xp e r m i t t i v i t yw i t hal n p e dc i r c u i tm o d e l t h em o i s t u r ea f f e c t s t h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fp r e s s b o a r d a c c u r a t e l ym o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h em o i s t u r eo f p r e s s b o a r df o r t h em a n u f a c t u r eo fp o w e rt r a n s f o r m e ri n d u s t r yc a l l b eo b t a i n e d b yt h e m e a s u r e m e n to f t h ec o m p l e xp e r m i t f i v i t yo f p r e s s b o a r & t h et h r e ek e yf a c t o r si nt h ed e v e l o p m e n to f t h eo n - l i n em o i s t u r em e a s u r e m e n ts y s t e ma r e c a p a c i t o rs e n s o r s ，i n t e r f a c e c i c t t i ta n ds o f t r e t h ed e s i g nd e m a n d sa n dt e c h n i q u e r e q u i r e m e n t so ff i i n 西n gf i e l dc a p a c i t o ra n dt h ec i r c u i ta i i n t r o d u c e d i no r d e rt oo b t a i nt h e p e r m i r d v i t ya n dm o i s t u r ec o n t e n lt h es o 日o , , i ，a r ei sd e s i g n e dt oc a l c d a t et h eg a i na n dp h a s eo f s i g n a l t h em e t h o dt om e a s u r em o i s t u r ec o n t e n to fp r e s s b o a r dw i t hs i n g l ef i e q u e n c yi ss t u d i e d t h ee f f e c t so ff r e q u e n c ya n dt e m p e r a t u r et ot h es i g n a lo fc a p a c i t i v es e n s o ra l ea n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep o l a r i z a t i o na n dl o s so f p r e s s b o a r d , am o d e lo f e f f c c t so f f r e q u e n c ya n dt e m p e r a t u r et os i 霉脚i sd e v e l o p e d ac a l i b r a t e de x p r e s s i o nr e l a t i n gp e r m i t t i v i t y a n dm o i s t u r ec o n t e n to f o i l - f r e ep r e s s b o a r di sp r e s e n t e db yu s i n ge x p e r i m e n td a t aa n dd i e l e c t r i c f r e q u e n c ys p e e l r a 大连理太学媾：学位论文 a m o d e l i n gs t u d yo f t h ed r y i n gk i n e t i c si sp r e s e n t e d , w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i cb a s i sf o r t h eo n - l i n em o i s t u r em e a s u r e m e n t t h em o d e l sd e v e l o p e df o rm a s st r a n s f e ri n s i d et h e p r e s s b o a r di sv a l i d a t e df o rao n e d i m e n s i o n a lc a s ea n dat w o - d i m e n s i o n a lc a s e 1 1 1 ed i f f u s i o n p r o c e s si ss t u d i e db yt h ed a t ao b t a i n e db ys a m p l ew e i g h i n g t h em o i s t u r ec o n c e n t r a t i o nc ；l i i v c s a c q u i r e di nc l a s s i c a li n a s sl o s sd r y i n ge x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h el a wo fd i f f u s i o np r o c e s si sa n e x p o n e n t i a ld e c a ye x p r e s s i o n , a n dd r y i n gr a t ei sad r ( o e s so f w a v yd e c a y k e yw o r d s ：p r e s s b o a r d ；m o i s t u r e ；d i e l e c t r i c ；c a p a c i t i v e ；d i f f u s i o n 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：盘丛垒日期：竺! 堇：皇：1 3 大连理工大学尊士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 生五垒 翻锄 讧蚍月簪日 1 1 5 大连理工人学博士学位论文 注释说明清单 c 电容 g 静电容量 已复数电容( f ) d 电位移强度( c m2 ) 玻、d 。、见工、y 、z 向的扩散系数 e 电场强度( v m ) e ( f ) 外电场脉冲( v m ) f 各影响因子对复介电常数的实部变换函数 f - t 各影响因子对复介电常数的虚部变换函数 厶( m ) 水分影响子函数 矗叮) 温度影响子函数 g 电导( s ) 0 电压增益 ，逋过电容器的总电流( a ) 厶损耗电流分量( a ) l 纯电容电流c a ) j 电流密度( a m2 ) ，虚数符号 屯：2 t r n 2 各空间分布第胛项的波数 m 测试信号增益 m 物质的水分质量百分含量( ) m 。绝缘纸板的初含水率c 物 m 。绝缘纸板的平衡含水率( ) p 动率损耗( 、) 矛偶极子的电矩( c m ) q 电荷( c ) r 绝对温度 f 讨刻( s ) 变眶器绝缘纸板干燥过程微水分检测机理与试验研究 u 交流电压f v ) v 体积( m 3 ) w 为物质干燥前的质量o 园 w 。为绝干物质质量 】，驱动电极与感应电极之间的总导纳( s ) 及介质质点的极化率 反衰减因子 6 称为损耗角 e n 真空的介电常数( c2 n m _ 2 ) 相对介电常数 e 。静态相对介电常数 。咣频相对介电常数 电介质的复介电常数 电介质介电常数 ”损耗因子 口。第n 项所指等势面电势 西衰变函数 函( ，) 被0 。一。) 归一化的材料响应函数 $ ( 五y ，2 ) 标量电场电势的复幅值 o 相位角( t a d ) 五电极分布波长 翻角频率( t a d s ) 6 功率因数角 成电荷密度( c m 。) 0 介质的电导率( s f m ) 厂似) 振幅为1 的阶跃函数 偶极弛豫对闻( s ) 2 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 自从十八世纪第一条2 0 0 多公里长的直流输电线路在美国架设以来，人类就进 入了电力时代。在电力的生产、使用过程中，由于发电厂的数量相对较少，且分布 受到地理位置的限制，而用户的数量巨大，其分布范围又极为广泛，因此必须对发 电机产生的电力进行远距离输送才能满足广大用户的需求。由于发电厂的发电机一 般只能产生几百伏的电压，如果不经过处理就直接进行远距离输送，将造成电力在 输电线路上的欧姆损耗过大，输送成本过高，用户无法接受，其电力只能满足发电 厂周围局部地区用户的需求。为了将电力输送到上千公里以外的地方，同时叉使其 损失在输电线路上的欧姆损耗低于可接受的范围，就必须把输电电压提高至数十万 伏。为提高电压，人们采用了交流输电技术。即利用电力升压变压器将发电机产生 的低压交流电熊转化为同频的高压交流电能，在用户端又用电力降压变压器将高压 电能转换为低压电能供给用户使用。自从1 8 8 5 年匈牙利冈茨工厂制造出第一台单相 变压器以来，伴随着人类工业文明的发展，人类对电能的利用越来越广泛，变压器 的容量和电压也在不断提高，现在的变压器容量可达几千兆瓦，电压几百千伏，其 价值超过几百万元，制造时间需要几个月甚至长达一年以上。随着电力与人类的关系 越来越紧密，人类对电网中的关键设备电力变压器的可靠性的要求也越来越 高。运行中的大型电力变压器的恶性事故将引起的大面积供电中断，导致工厂生产 停顿，各种电器停止工作，由此导致的各种直接和间接损失难以估算。为了减少和 杜绝此类恶性事故的发生，人们采用对电力变压器进行定期的维修保养、在变压器 的设计上采取冗余措施等技术手段来提高变压器本身的可靠性，延长变压器的可靠 使用年限。 变压器的绝缘系统是影响变压器可靠运行的关键性因素。而变压器的绝缘处理工 艺，特别是经过绝缘干燥处理后纸板的含水量，直接决定变压器的可靠性和使用寿命。 因此必须对绝缘纸板中的水分的多少及分布、测量及控制方法进行研究。 1 2 绝缘纸板及其特点 l f 2 1 电力变压器绝缘的分类 目前，已投入使用的电力变压器种类繁多，其中以油浸式变压器的产量最大， 应用最广。以中小型油浸式变压器为例，其结构组成如图1 1 1 所示，包括铁心、绕 组、引线和绝缘、油箱和放油阀门、接地螺栓、调压装置、冷却装置和出线装置 等。其中由铁心、绕组、引线和绝缘构成变压器器身。 3 变压器绝缘纸板干燥过程微水分检测机理与试验研究 绝缘水平是指变压器能够承受住运行中各种过电压与长期最高工作电压作用的 水平。油浸式变压器的绝缘主要分为内绝缘和外绝缘两大类。内绝缘是指变压器箱 内的绝缘。 图1 1 1 油浸式电力变压器的结构 f i g 1 1 1t h e s t r u c 岫e o f 姐o d 删七驴a m s l y l e p 研衄塔f o r i n 盯 绝缘结构如图1 1 2 所示。包括主绝缘和纵绝缘”： 变压器的主绝缘是绕组及引线对铁心、对地和对其他绕组之间的绝缘，也就是 变压器内各有关部件间的绝缘。 变压器的纵绝缘是同一绕组内各点之间或与其相应引线之间的绝缘，包括匝问 绝缘、层间绝缘、段间绝缘以及引线彼此之间的绝缘a 内绝缘的主要部件是由绝缘纸、绝缘纸板等材料制成，与变压器浊配合构成变 压器油纸绝缘结构。 外绝缘是指箱外套管本身外绝缘以及套管间及套管对地间的绝缘，主要由陶瓷 材料制成。 油浸式变压器中使用的绝缘材料应该具有以下性能： 良好的电气性能，电阻率高，耐电压值高，贪电常数越接近变压器油的介电 常数越好； 足够的机械强度，在定力的作用下不发生变形和破坏； 足够的耐热性能，极小的介电损耗，较高的导热系数； 4 大连理工人学博士学位论文 小的收缩率。 干燥的绝缘纸板既有理想的绝缘特性，又有不错的机械性能，它的相对介电常数约 为3 7 4 。变压器油除了作为主要绝缘介质，还是冷却介质，它的相对介电常数约为 2 ，2 。由绝缘纸板和变压器油组成的油纸绝缘有非常好的电气性能，在短时间的电压作 用下，其耐压强度可达5 0 - - 1 2 0 k v m m 。而且，其材料来源丰富，制造工艺简单，所以 油浸式变压器主要采用油纸绝缘结构。 图1 1 2 油浸式电力变压器的绝缘结构 f i g 1 1 2 t h e i s o l a t i o ns l r u c t u r e o f a n o i l - p r e g n a n ts t y l e p o w e r i r a t t s f o r m e r 1 2 2 绝缘纸板的产生 绝缘纸板出现于变压器的发展过程中。在十九世纪末刚开始制造变压器时，简 单地在空气中使用石棉和普通纸板等绝缘即可满足要求。到了二十世纪初，采用虫 胶粘合的压纸板曾带来一次较大的改进。但不久因虫胶纸板绝缘件在较高的温度下 一5 变压器绝缘纸板干燥过程微水分检测机理与试验研究 没有足够的强度，而不能满足当时发展的油浸变压器的耐热要求。 瑞士的海佛里公司于1 9 1 2 1 9 1 5 年曾积极采用化学家培克兰刚发明的“酚醛一 甲醛树脂制造上胶纸( h a r t p a p i e r ) 。这项发明使变压器设计师用这种绝缘材料满足 了当时的全部性能要求。在二十世纪二十年代后期，瑞士魏德曼通用公司 ( w e i d m a n na g ) 的新领导人汉斯邱迪一福德( h a n st s c h u d i - f a u d e ) 工程师开始 研究专门按大型变压器制造需要加工处理的层压纸板，制造了种新型绝缘材料， 它是用优质的硫酸盐纸浆制成，这就是驰名全球的绝缘纸板8 “。 制造中纸浆层越薄、层次越多，辊压出来的绝缘纸扳质量越好，通常绝缘纸板 每一毫米厚度有3 5 层，即每层厚约3 0 1 1 r l l 。由于只用纯纤维而不加任何粘合剂，所 以绝缘纸板可以彻底干燥、去气和浸油，其机械及电气性能优越。 目前，我国使用的绝缘纸板主要由辽阳工业纸板厂和湖南邵阳纸板厂生产。经 过几十年的努力，产品质量已接近世界先进水平。 1 2 3 水分在纸中的存在状态 纸的主要成分是植物纤维，由于植物纤维中存在大量的亲水基团，而且纸是疏 松的多孔结构介质，因此具有强烈的吸湿特性。例如，对于一个1 5 0 m v a ，4 0 0 k v 的变压器，其7 吨重的纸绝缘中可以含有2 2 3 k g 的水“。 纸中的水分一般以四种状态存在，即被吸收到纸表面上的水分、纸周边的水蒸 气、纸纤维毛细管中的自由水以及与纤维紧密结合的束缚水。对于自由水和束缚水 的划分的概念有一定模糊，没有明确的界限。束缚水是指那些与纸中纤维分子团结 合得相对比较紧密的水分子，这种水分子在外加电磁场作用下的运动受限较大，而 且要将这种水蒸发出来需要较高的能量，断开水分子和纤维分子之间的键，使水分 子能自由移动，从纸中向周围环境扩散。在一定的温度下，自由水和束缚水处于动 态平衡状态。当温度发生改变时，这种平衡状态被打破。温度升高，物质中分予能 量加大，水分子和纤维分子中的结合键变得相对较弱，束缚态的水向自由态的水转 化，物体中水蒸气压升高使水从物体中向外扩散。 研究水在纸中的存在状态主要有两个目的，一个是不同的水在电磁场中的行为不 同，对以介电测量为基础的传感器的输出的贡献也不同。另一个是与物体中湿度的定义 有关，有的水由于与纤维结合得很紧，在变压器工作过程中不会游离出来，对变压器的 安全运行不会造成多大的影响，因此这部分水不应该被认为是水含量。 1 2 4 油纸绝缘中的水分及其影响 工作中的变压器绝缘是由固体绝缘纸板和液体变压器油构成。大量的绝缘纸板 在空气中极易吸湿，如将水分带入变压器油中，就会成为影响变压器正常工作的主 一6 大连理工大学博士学位论文 要因素。尽管水分对变压器油的电导率影响不大，但会降低其介电强度，影响绝缘 纸板的电导率，从而使损耗和静电驰豫加大，它是产生静电的关键因素“。 变压器所承受的瞬时负荷，特别是负荷加大时会使其绝缘的温度迅速变化，温 度的变化将破坏固体与液体之间的水分溶解平衡状态，从而直接影响绝缘的导电 性。油中的微水分可以在温度迅速降低时转换为可造成电击穿的自由水。这是由于 水分转移破坏了原来的水分溶解平衡状态，当温度急剧下降，油中的水分在扩散到 纸板中之前，会使水分超过其在该温度下的饱和值，造成油中出现自由水，这会给 变压器造成灾难性的后果。对于重新使用停用的变压器，当变压器重新加热时，水 分从纸板排到油中。水分首先来自纸板的界面，留下一个非常干的绝缘很好的界 面，导致累积在表面的电荷没有泄漏的通道，这样表面电荷密度不断增大直到产生 火花放电。该火花会引起绝缘材料中产生气体，引起高强电场，造成高能放电，损 坏变压器嘲。 如果在使用早期不出现事故，纸扳深处的水分扩散到表面达到与油中水分的平 衡，其扩散时间可达几个星期。只要界面不干，就会有放电的通路，这样表面电荷 的密度不至于太高，即当变压器工作在水分平衡的状态下，电荷累积的危险就很小 了嘲。 对于吸湿性较强的绝缘纸板，通常含有一定量的水分。研究表明，当绝缘纸板 的含水质量分数呢显大于0 1 时，会使其电气绝缘强度显著下降，损耗加剧，绝缘 纸板的老化加快，油中的含水量也变大，从而影响绝缘结构尺寸和运行的寿命。因 此，在变压器制造过程中，一定要对由绕组和绝缘构成的器身进行干燥处理。一般 而言，经干燥处理后，变压器绝缘纸板的水含量为o 1 0 2 左右比较合适。含水量 过高，一方面会降低变压器的绝缘强度，另一方面会增加损耗和漏电流，从而使变 压器发热，运行温度升高，加速绝缘材料的老化，降低变压器使用寿命。例如在 1 0 5 。c 下变压器的寿命为2 0 - 3 0 年，温度升高d 76 c 后，寿命只有几年。但过低的 含水量也没有实际意义。含水量越低，要求绝缘干燥处理的周期越长。一台大型变 压器器身的干燥处理往往需要一周时间，怎样在保证绝缘于燥处理质量的前提下， 尽量缩短干燥时间，有着非常重要的现实意义。1 。 绝缘材料中所含水分的多少，一般用所含水分的质量与绝缘材料总质量的比值来表 示，称为绝缘材料中水的质量分数。以百分数形式计算。判断变压器干燥处理结束的标 准就是绝缘纸板的含水质量分数，变压器绝缘干燥处理中微水分的现场测量就是这样被 提出来的。 7 变睚器绝缘纸板干燥过程微水分检测机理与试验研究 1 3 变压器绝缘材料的干燥 1 3 1 纸绝缘的干燥过程 含水分较多的纸和纸板，其基本干燥过程按水分运动机理的类型可分为三个阶 段”： 第一阶段，较湿的纸的所有毛孔都充满水，在其表面形成连贯的水膜，表面上 的水分以均匀的速度蒸发，而与纸的内部关系不大。表面的水分干燥后，干燥区与 潮湿区的交界面下移到纸的内部，由外向内一层一层干燥，由于纸的非均匀性和吸 湿住而使这个过程不太明显。 第二阶段中的干燥速度减慢。这是因为纸中仍然潮湿部分产生的水蒸气必须穿 过已经干燥的纸层中狭小的毛孔向外散发，其扩散的路径随着平均水分的减少而变 长。如果没有纸的吸湿性，那么连续干燥的速度仅由水分最后气化的内部纸层到纸 表层的流阻来决定。但是，在一定的水分情况下，水分子与纸分子之间的吸引力很 大，需要相当大的能量来克服。由于纸中存在许多细小的毛细孔，内表面很大，在 这一阶段结束后，纸内部仍然有较多的水分。 在第三阶段中，随着水分的减少，为了克服二次结合力所需的能量越来越大。 恒温下的干燥速度也越来越慢，当纸中的水的质量分数与周围空气的含水质量分数 相等时，水分不再下降。要达到两者水分完全平衡状态所需的时间将是无限长。 为了使于燥时问尽量缩短，应该选择合适的外部条件，即尽可能地使平衡的水 分质量分数低于所要求的水分质量分数。为此干燥过程中必须首先使水分由液态转 为气态。采用降低压力的方法即可加速干燥过程。在这个物态变化中所产生的水蒸 气只能经由纸的纤细毛孔向外传导，为了克服所产生的流阻，必须在纸中汽化部位 和外表面之间保持一个气压差。 为了使水分能转换为蒸气，需要以热的形式向纸输送能量。所需要的热能必然是通 过传导、辐射或冷凝等方式首先传输到纸的表面。目前主要采用气相干燥方法进行干燥 处理。 1 3 2 变压器绝缘的干燥速率 在变压器的各绝缘件中，最容易干燥的是导线的绝缘纸。由于其厚度很薄、面 积较大，无论是对接还是搭接，都有足够的缝隙散发水蒸气。变压器油因其吸湿性 远小于纸，又是液体，干燥也很容易。纸筒、纸筒之间的撑条、层压纸垫以及角环 等绝缘件的干燥速度中等。较难干燥的绝缘件是含有胶层的绝缘层压板支撑件和绕 组内部的压板。绝缘层压板是由多层纸板用酚醛树脂胶粘合而成的，其干燥过 程的水分边界条件与单层纸板不同，这种情况下，单层纸板的上下两面被不 一8 大连理_ = 大学博士学位论文 透水的胶层覆盖，水分只能从四周散失，需要更多的干燥时间。后者是因其 处于绕组包围中，水分散失通道不畅，尽管尺寸不大，但受周围环境的影 响，干燥的速度也较慢。所以在变压器干燥过程中，最后干燥完毕的是支撑件和 绕组压板。 由于位于变压器器身内部不同位置的绝缘件干燥速度和干燥难易程度的差异，仅从 宏观角度通过判断排出气体水分含量的方法不能完全反映出各绝缘部分的真实干燥情 况所以有必要开发相应的测量系统，通过传感器测出特定位置的水分质量分数。 1 3 3 变压器的绝缘干燥处理工艺简介 1 3 3 1 变压器干燥的目的“1 在油浸式变压器的器身上，除了铁芯和导线之外，几乎全是各种固体绝缘材 料。例如：线圈的匝间绝缘、撑条、垫块、端绝缘、静电板、铁辄绝缘、层压纸压 圈、纸板筒、角环、引线绝缘、引线支架等，全是由各种形态的纤维质绝缘材料构 成。这些绝缘材料均属于典型的多孔材料，材质本身与水也有很强的亲和力，因此 在加工成型过程中，其内部会不可避免地残留一些水分：而在随后的运输、贮存过 程中，还会不断吸收周围环境空间中的水分。参与变压器器身组装的绝缘材料，即 使在恒温恒湿仓库中保存，通常其内部也会有4 - - 8 的水分。在参与器身装配的过 程中，还会因自然受潮或有目的地浸湿，使含水量进一步增加。 绝缘材料中含水量的大小，直接影响其使用性能。一方面，材料中的水分使绝 缘材料体积膨胀，影响几何尺寸，从而影响器身装配：更重要的是，绝缘材料中的 含水量严重影响着介质的介电强度、介质损耗和油的含水量，从而使整个变压器电 气绝缘性能变差。各种实验测试数据表明，随着含水量的减少，绝缘纸板的闪络电 压明显增高，介质损耗角急剧下降并趋于平稳，与之平衡的油中水分含量也随之下 降。根据交压器不同电压等级及容量的具体要求，可以确定器身所用绝缘材料的最 终含水量标准，变压器电压等级越高、容量越大，其绝缘中水的质量分数控制得越 低。一般而言，变压器运行条件下绝缘中水的质量分数不应大于2 ，考虑器身可能 重新吸潮以及为运行储备一定的裕度，为保证电气性能，变压器注油出厂前绝缘材 料含水的质量分数都要求控制在0 5 以下，而像5 0 0 k v 级的变压器，要求绝缘材 料中水的质量分数必须在o 3 以下。 变压器干燥的目的就是去除绝缘材料中的水分，增加其绝缘电阻，提高其介电强 度。在变压器器身装配之后，只有通过干燥处理，使绝缘材料脱水、脱气，含水量从初 始质量分数4 n o , - - 8 降至终止标准0 5 , - - , 0 1 ，才能充分发挥油浸纸质绝缘电介质的优 。9 变压器绝缘纸板干燥过程微水分检测机理与试验硼究 越性能，从而达到变压器的绝缘要求，提高变压器的可靠性，使之具有良好的工作性能 和较长的使用寿命。随着我国电力工业的迅猛发展，变压器的电压等级越来越高，容量 越来越大，使用的绝缘材料越来越多，绝缘元件的形状也越来越厚大，因此使得变压器 干燥处理工艺越来越难，处理质量要求越来越高。干燥处理在变压器制造工艺过程中占 有非常重要的地位，历来是影响变压器生产质量和产量的关键环节。 1 3 3 2 变压器干燥的方法“ 根据干燥理论，变压器绝缘材料中的水分，尤其是变压器干燥处理过程中要求 去除的那部分水分，主要是以毛细吸附的形式存在于绝缘材料之中的。从微观上分 析，以这种形式存在的水分，在前述含水量范围内。其干燥过程就是：水分子在吸 附位置获取足够能量，解吸成为水蒸气分子；然后通过绝缘材料中的毛细孔隙，从 材料内部向周围空间扩散，从而脱离绝缘材料的过程。从宏观上看：促使水分子发 生解吸的动力是由绝缘材料提供的热能，提供能量越多，解吸速率越高；驱使水蒸 气分子向绝缘材料外迁移的动力是材料内部和周围空间的水蒸气分压强差a p ，材料 内部的水蒸气压强越高、外部空间的水蒸气压强越低，则压强差p 越大，水分扩 散越迅速，水分在绝缘材料中的扩散能力则是影响迁移速度的重要因素。 绝缘材料内的水蒸气分压力，与材料中水的质量分数和材料的温度直接有关。 在相同含水量情况下，温度越高水蒸气在绝缘材料中的扩散因素也越大。从这两方 面看，提高温度对于干燥过程是非常重要的。 为加快干燥过程的进行，提高绝缘材料自身内能及其内部水蒸气的分压强，则 必须提高绝缘材料的温度，即要求对绝缘材料进行加热；而通过降低环境空间的压 强来提高内外水蒸气压强差a p ，则要求采取抽真空的方法。同时采取加热和抽真空 两种方法，从两个方面增大ap ，可有效地促进水分的蒸发，大大加快干燥速度，缩 短干燥时间，提高干燥效率。这就是所谓加热一真空于燥原理。 变压器干燥处理有多种方式。在抽真空方面，各种干燥方法差别不大，都是备 有专门的真空罐或直接利用变压器本体油箱，将变压器器身放在其中，利用适当的 真空系统来抽真空，以降低器身绝缘材料周围空间的压力。而在对变压器加热方 面，由于采用的载热介质和换热方式的不同，便形成了许多各具特点的加热方法和 设备。下面重点介绍真空热风干燥、真空喷油干燥、真空低频干燥和真空汽相干燥 四种干燥方法： 一真空热风干燥 这种干燥方法以空气为载热介质，以强制对流换热为主要换热方式。设备特点 是在真空干燥罐内外装有热风循环系统。工作时首先在大气压力下，依靠循环热风 ，1 0 大连理工人学博士学位论文 的受迫对流效应，将器身加热至1 1 0 左右，促使绝缘材料内水分蒸发；然后抽真 空，促使水蒸气向外扩散和排出。在处理大容量变压器过程中，抽真空时水分蒸发 吸收了相变潜热，会导致器身温度下降，蒸发速度减慢，此时需要解除真空，重新 开始热风循环一段时间，至器身温度回升至1 1 0 1 1 5 后，再重新抽真空，如此反 复交替。反复的次数取决于变压器的电压等级和绝缘结构情况。一般说来，电压等 级越高、容量越大，需要反复的次数就越多。这是因为超高压变压器内部的间隙更 小，绝缘层更多更厚的缘故。 真空热风干燥处理的主要优点是：设各简单，操作方便，运行费用低廉。与传 统的依靠自然对流换热的真空干燥相比，精心设计的热风循环系统可使罐内各点温 度相对均匀，避免气体死角空间，循环热风还能及时带走蒸发出的水蒸气，干燥效 率相对较高。因此，真空热风干燥工艺被广泛应用于1 1 0 k v 以下等级、4 0 m v a 以下容量的各种型号变压器的干燥处理。 真空热风干燥工艺存在着如下一些不足之处：首先，预热阶段是以空气为介 质，在大气压强下完成，即是在有氧条件下进行的，为防止绝缘材料的氧化变质， 干燥温度不能太高，一般的a 级绝缘，最高允许温度为1 1 0 c 。因此限制了水的饱 和蒸气压和蒸发速率的提高：其次，对器身的加热主要依赖换热强度较低的气体与 绝缘材料表面间对流换热，而蓄热量巨大的铁芯、导线，只能依靠热导率很小的绝 缘材料通过热传导来加热，热传递缓慢，内外加热不均匀，内冷外热现象十分严 重，因此要求有很长时间的预热。上述两方面，都决定了真空热风干燥工艺的生产 周期很长，工作效率低下，尤其是在处理高等级大容量变压器时，由于绝缘层较 厚，不但一个完整的干燥周期可能长达1 0 0 h 以上，而且很难干燥彻底、满足变压器 对绝缘的要求。 二真空喷油干燥 这种干燥方法以变压器油为载热介质，以液体层流对流换热为主要换热方式。 工作时首先对真空罐在室温下抽真空，然后通过循环加热系统，喷入热变压器油对 变压器器身加热，并循环加热变压器油直至达到1 2 0 c 以上。通过继续提高真空度 来加强水分的蒸发和扩散排出。由于变压器油的饱和蒸汽压很低，不会因自身蒸发 而影响抽真空，所以当出现因水分蒸发而使器身温度降低的情况时，可随时循环变 压器油再次加热。 真空喷油干燥处理的主要特点是加热效果好，但水蒸气扩散效果差。由于加热 过程是在真空无氧条件下进行的，所以绝缘介质所允许的加热温度要比真空热风干 燥的温度稍高；使用变压器油作为载热介质，可以比气体更容易地达到所要求的温 1 1 变压器绝缘纸板干燥过程微水分检测机理与试验研究 度，并且具有更大的蓄热量；同时由于热油被喷到器身的各个部位并沿器身流下， 加大了受热面积，因此使加热更为均匀、迅速，预热时间比真空热风干燥短。但 是，因为喷油过程是在已抽真空而绝缘材料中的水分尚未大量蒸发之前进行的，所 以变压器油会立即渗入绝缘材料中，占据原本充满了空气的毛细孔隙通道并将其堵 塞，而变压器油的饱和蒸气压远比干燥过程中的工作真空度低，因此很难重新蒸 发；这样就使得水蒸气分子在浸油绝缘材料中的扩散系数要比非浸油绝缘材料低 2 0 - - 3 0 倍，致使在随后进行的抽真空排水过程中，水分的扩散迁移阻力大增，严重 影响水分的蒸发，从而大大降低了干燥速度和最终的千燥程度。这种干燥方法，仅 对绝缘层比较薄而且设有油道的低电压等级变压器较为适宜，目前国内厂家已较少 使用。 三真空低频干燥 真空低频干燥处理又称变压器电干燥处理，这种干燥方法采用直接给器身上的 绕组加以低频电流，利用线圈自身产生的电流焦耳热来加热绕组和绝缘材料的加热 方式。工作时首先在大气压力下用低频电流加热，目的是依靠真空罐内的气体自由 对流换热使器身上不与发热线圈直接接触的部分升温；当器身温度达到大气压力下 的最高允许温度1 1 0 ( 2 并维持一段时间之后，开始抽真空并继续提高绕组加热温度 至1 5 0 ( 2 ；此后逐渐提高真空度而停止加热；当干燥处理结束时，直接在真空环境 下为变压器注油，最后解除真空。 真空低频干燥具有加热及干燥快，节约能源、环境清洁等优点。由于采用直接 通电加热线圈，首先接受热量的恰好是最需要被加热的导线绝缘层和导线附近的绝 缘件，因此它们能够实现最为直接、迅速和有效的升温和干燥：线圈加热方式还彻 底避免了其他干燥方法“内冷外热”的弊端，最有利于绝缘层内部水分的向外扩 散，因此干燥效果更好。干燥过程中，所消耗电能生成的热量主要用予线圈和绝缘 介质的加热，变压器铁芯、油箱和真空罐及其附属设备的温升很小，而其他干燥方 法却不得不耗费大量的能量将它们加热至最高温度，对比之下，真空低频干燥消耗 能源最少，节能效果十分明显。此外，真空低频干燥不使用载热介质，因而没有油 蒸气排放周围空间的问题，工作环境更为清洁、安全。真空低频干燥的不足之处 是：在处理较大型的变压器时，会出现严重的器身温度不均现象，局部过热会导致 铁芯、线圈等部件的相对位置发生变化，甚至损坏。因此，这种干燥方法在实际中 主要用于3 5 k v 级、2 m v a 以下容量的变压器。而且由于真空低频干燥设备造价 很高，所以在我国变压器制造行业并未被广泛应用。 1 2 - 大连理工人学博士3 0 - 论文 四真空汽相干燥 真空汽相干燥f v a p o r - p h a s ed r y i n g ，简前2 - v p d ) 技术及设备，亦称为煤油汽相干燥， 是一种专门用于大型油浸式变压器以及其他类似电器设备干燥处理的技术和设备。 v p d 干燥方法在国际上始于2 0 世纪6 0 年代，至2 0 世纪7 0 年代已成功地用于 生产实际。我国变压器制造行业在2 0 世纪8 0 年代从瑞士引进了该项技术和成套设 各，至2 0 世纪9 0 年代后期，已基本完成了技术引进消化吸收和成套设备的国产化 制造工作。目前，世界上只有瑞士和中国两个国家能够制造这种成套设备。截止至 2 0 0 2 年底，国内已有各种型号的v p d 设备5 0 套以上，并且还以每年新增近1 0 套 的速度在迅速发展。国内能够生产2 2 0 k v 及以上等级变压器的2 0 余家变压器生产 单位，都至少拥有套v p d 设备，有些单位已安装了2 - 3 套。国产2 2 0 k v 及以上 等级的大型变压器已完全采用了v p d 干燥处理；1 l o k v 等级的变压器也正在逐渐 普及v p d 干燥处理。生产该等级变压器的近7 0 家生产企业中，近一半已安装了 v p d 设备，其余单位也势在必行。虽然在l 】0 k v 等级变压器普及v p d 处理之后， v p d 设备的数量在国内有饱和趋势，增长速度放缓，但已有设备的使用运行却仍将 是长期稳定和持续增长的。因此可阻说，真空汽相干燥已成为变压器制造行业中一 项举足轻重、不可或缺的关键技术。 真空汽相干燥( v p d ) 方法是在真空热风干燥和真空喷油干燥两种方法的基础上 发展起来的，综合吸收了两者的优点而又克服了它们各自的不足。其主要特征是选 择煤油蒸气作为载热介质，以其相变换热为主要换热形式。 v p d 方法的基本工作原理是：首先将变压器置于真空罐中，利用真空系统在室 温下对真空罐抽气，使罐内压力降至7 0 0 p a 以下( 准备阶段) 。其次，由蒸发器将液 体煤油汽化为高温蒸汽，并使之依靠压差流入真空罐，煤油蒸汽遇变压器身时冷凝 成液体，流下后从真空罐底排出，被泵回蒸发器重新循环使用，煤油蒸汽放出的热 量将变压器逐步加热( 加热阶段) 。随着罐中温度的升高，煤油蒸汽的平衡蒸汽压力 随之升高，绝缘材料中的水分也开始蒸发排出，以水蒸气状态聚集在真空罐中，再 加之少量空气的漏人，使真空罐内的压力逐步升高，令这些混合气体进入冷凝系 统，其中的水蒸气和煤油蒸气被冷凝成液体并在收集罐中自然沉降分离后，分别被 排出和重新循环利用，而永久气体部分则由泄漏泵排出。然后，当罐内温度达到 1 2 5 1 3 0 c 左右时，停止往真空罐中输送煤油蒸汽，对真空罐抽真空至2 5 k p a ( 降压 阶段或低真空阶段) ，使遗留在器身绝缘材料中的煤油变为蒸汽抽出。最后进一步 提高罐内真空度至1 0 p a ，使绝缘材料中的水分和煤油进一步蒸发( 高真空阶段) ，直 至最终结束干燥处理。 1 3 变压暑绝缘纸板干燥过程微水分检测机理与试验研究 与真空热风干燥和真空喷油千燥方法相比，真空汽相干燥具有如下特点： 加热温度商，水蒸气分压力高。因为其工艺过程是先抽真空后加热，以煤油 蒸气作为载热介质，对变压器的加热、干