（高电压与绝缘技术专业论文）变压器现场煤油汽相色谱干燥技术研究.pdf

f ， p 士= i明州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器现场煤油汽相色谱干燥技术研究，是本人 在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关 部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论 文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文； 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名舅彤导师签名： 一 华北电力大学硕士学位论文 摘要 删nu t l l i l l l l l i f t i i i i y 1 7 9 6 3 3 9 早在八十年代煤油汽相干燥技术( v p d ) 就已经传入我国长春和太原，随后该技 术被我国几家大型变压器生产厂家吸收，并有部分厂家将该技术运用到实践生产当 中。近几年，国外许多公司( 如：西门子) 对该干燥技术也进行了研究，但他们都没 有解决一个问题一现场干燥技术问题。本文在现有煤油汽相干燥技术的基础之上， 设计了一套现场煤油汽相干燥设备。在设计中，从以下几个方面进行了探讨：( 1 ) 在现有的干燥设备基础之上，选择了合理配件，组装了一套现场干燥设备；( 2 ) 对 设计的干燥设备，进行了电气控制设计和安装；( 3 ) 设计人机界面控制程序；( 4 ) 对实施现场煤油汽相干燥工艺进行了编制；( 5 ) 对设计的整套技术进行调试分析。 经过上述讨论，设计了一项新干燥技术。该技术不仅能克服设备运输困难的难点， 还解决了变压器现场干燥问题，给社会带来巨大的经济效益。 关键词：大型变压器，煤油汽相干燥，现场 a b s t r a c t a se a r l ye i g h t i e si nt h e2 0 t hc e n t u r y , k e r o s e n ev a p o rd r y i n gt e c h n o l o g y ( v p d ) w a sa l r e a d y s p r e a d i n gt oc h a n g c h u na n dt a i y u a n ，a t t e rw h i c ht h et e c h n o l o g yh a sb e e na b s o r p t e da n du t i l i z e d b ys e v e r a ll a r g et r a n s f o r m e rm a n u f a c t u r e r si nc h i n a i nr e c e n ty e a r s ，t h ed r y i n gt e c h n i q u eh a v e b e e ns t u d i e db ym a n yf o r e i g nc o m p a n i e s ( x i m e n z i ) ，b u tt h e yd on o th a v es o l v eap r o b l e m d r y t e c h n i c a lp r o b l e m so n - s i t e i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gk e r o s e n ev a p o rd r y i n g t e c h n o l o g yt od e s i g na s e to fo n - s i t ek e r o s e n ev a p o rd r y i n ge q u i p m e n t ，i nt h ed e s i g np r o c e s s ，t h e f o l l o w i n ga s p e c t sa r ed i s c u s s e d ：( 1 ) o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gd r y i n ge q u i p m e n t ，c h o o s ea r e a s o n a b l ep a r t s ，a s s e m b l i n gas e to fp o r t a b l ed r y i n ge q u i p m e n t ；( 2 ) t ot h ed r y i n ge q u i p m e n th a v e b e e nd e s i g n e d ，d e s i g n e dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o lp a r ta n di n s t a l l a t e d ；( 3 ) d e s i g n e dh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c ec o n t r o lp r o c e d u r e s ；( 4 ) p r e p a r a t e do n - t h e s p o tk e r o s e n ev a p o rd r y i n gt e c h n o l o g y ；( 5 ) d e b u g g i n g t h es e to fd e s i g nt e c h n i q u e so n - s i t e f o l l o w i n gt h ea b o v ed i s c u s s i o n , h a v i n gd e s i g n e d an e w d r y i n gt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g yw h i c hi sa b l et oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t i e st h a th a r dt o t r a n s p o r t ，s oi tc a nb r i n gt r e m e n d o u se c o n o m i cb e n e f i t s w u j i a n g ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l iw e i g u o k e y w o r d s ：l a r g e t r a n s f o r m e r s ，k e r o s e n ev a p o rd r y i n g ，o n - s i t e 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 问题的提出及选题意义1 1 2 课题研究现状2 1 2 1 汽相干燥设备的发展历史2 1 2 2 汽相干燥技术研究面临的问题3 1 3 尚待研究和解决的问题3 1 4 本文所做的工作4 第二章现场煤油汽相色谱干燥原理5 2 1 前言5 2 1 1 干燥原理5 2 1 2 材料的干燥特性6 2 1 3 变压器干燥机理6 2 2 现场煤油汽相色谱干燥技术7 第三章现场煤油汽相色谱干燥设备结构分析9 3 1 前言9 3 2 干燥设备的主要构成9 3 2 1 汽相系统9 3 2 2 真空系统10 3 2 3 冷凝系统11 3 2 4 加热系统12 3 2 5 煤油储存输送系统12 3 2 6 外围保温12 3 3 优化组装和运输方式的确定12 3 4 本章总结13 第四章电气控制系统的设计l4 4 1 前言14 4 2 电源的设计14 4 2 1 总电源设计l4 l l 华北电力大学硕士学位论文 4 2 2 稳压电源设计l5 4 3 动力电路设计17 4 4 加热电路设计l9 4 5 电气控制的设计19 4 5 1 电气控制工作原理2o 4 5 2 采集模块参数设置21 4 6 电气安装22 4 7 电气控制电路的检测24 4 8 本章总结25 第五章人机监控系统的设计26 5 1 前言26 5 2delphi7 0 简介26 5 2 1串口通信27 5 2 1 1 控制串口方式27 5 2 1 2msc 0mm 控件27 5 2 2 通信协议28 5 2 2 1 下传数据包28 5 2 2 2 上传数据包30 5 2 3 数据处理算法30 5 2 4 多线程30 5 3 可视界面设计3l 5 3 1 系统模块设计32 5 3 2 数据采集模块控制命令的格式与用法32 5 3 3 界面可视图形设计35 5 3 4 后台程序设计35 5 4 本章总结35 第六章现场煤油汽相色谱干燥工艺40 6 1 前言40 6 2 现场汽相色谱干燥工艺40 6 2 1 工艺准备阶段40 6 2 1 1 前期准备40 n 1 华北电力大学硕士学位论文 6 2 1 2 预准备阶段4l 6 2 2 加热阶段41 6 2 3 降压阶段41 6 2 3 1 多次中间降压42 6 2 3 2 最终降压阶段42 6 2 4高真空阶段42 6 2 5 干燥终结点判断43 6 2 6 干燥结束43 第七章结论与展望44 7 1总结44 7 2 有待进一步研究44 参考文献45 附录48 附录1 总体装配图48 附录2监控系统界面48 致 射“49 在学期间发表论文和参加科研情况5o i v 华北电力大学硕十学位论文 1 1 问题的提出及选题意义 第一章引言 伴随着人类工业文明的发展，人类对电能的需求越来越大。为满足人类的需求， 采用了提高电能输送能力的办法，具体表现在将变压器的容量和电压等级不断地提 高。随着容量和电压等级的提升，人类对电网中的关键设备一电力变压器的依赖性 也越来越强，从而变压器的可靠性受到了关注。因为大型电力变压器的恶性事故将 引起大面积供电中断，导致工厂生产停顿，各种电器停止工作，由此导致产生的各 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，而变压器绝缘系统中 占绝大部分的是油纸绝缘材料，油纸绝缘性能极大程度上由含水量来体现。据有关 资料n 卫门1 记载，变压器因含水量过高( 受潮) 事故最多时约占总绝缘事故的2 0 ， 这对电力系统的安全稳定运行造成了严重威胁。目前变压器绝缘材料含有水分处 理，都是通过出厂干燥工艺来实现的。虽然变压器在出厂时都经过了干燥工艺，干 燥也比较彻底，绝缘电阻一般能达到数万兆欧，出厂时都能达到绝缘要求，但是变 压器在运输、安装或检修过程中，如果出现某种意外，变压器绝缘就会受到破坏， 绝缘电阻可能大幅降低甚至降至数百兆欧。另外水分进入变压器后，如果仅仅是表 面轻微受潮，通过正确的抽真空工艺和变压工艺基本可以将水分清除出去h 巧一7 。引， 如果是绝缘材料深层受潮或严重受潮，一般的抽真空和变压就不能把水分彻底清 除，这样必须将受潮变压器返厂进行干燥工艺处理，这样虽能彻底恢复变压器绝缘 性能，但是会遇到拆除、搬运、路上障碍等一系列困难和繁杂的工作。因此迫切需 要一项干燥效果好，又方便运行，能节省资金的新技术。本文为此进行了一系列的研 究，从而提出了现场煤油汽相干燥技术的概念。 如果能顺利解决变压器水分干燥问题，并且能解决变压器搬运难点，这意味着 干燥技术大大得到改善，从而提高了社会经济效益。现场煤油汽相干燥技术突出的 特点能带来的效益体现如下：大量节省运输时间和运费开支。变压器受潮后需要返 厂检修，返厂运输时间长，严重影响电网安全、企业效益和社会效益。如某5 0 0 k v 变电站变压器事故后，返厂检修来回运输时间达4 8 天。对于即将投运的特高压 1 0 0 0 k v 变压器，运输重量大，单程运输时间就需3 0 天。还有部分变压器运输条件 发生变化，事故变压器难以运出去，需要在现场检修，比如某地下站1 8 0 m v a 变压 器，由于修建地铁、立交桥等原因，该变压器一旦发生事故，将很难再运出去。而 现场煤油汽相干燥设备拖运到现场的时间不会超过3 天时间。从经济角度来看，缩 1 华北电力大学硕士学位论文 短时间就减少了资金的消耗。如南方某水电厂一台s f p 一3 6 0 0 0 0 5 0 0 变压器事故后， 需要更换绕组，因地理位置限制返厂运输极其困难，后来不得不返厂处理，共用时 间5 个月。当时正处于夏季大负荷丰水期，经济损失惊人。如果按节约时间9 0 天 计算，每度电按o 1 元利润计，经济效益为3 0 0 0 0 0 9 0 2 4 x 0 2 = 1 2 9 6 亿元。这 里来回运输费用忽略不计。干燥周期短，以一台1 2 0 0 m v a 的变压器为例，按每天5 0 负荷、节约3 天停电时间计算，每度电按o 1 元利润计。采用煤油气相干燥工艺可 以产生经济效益为1 2 0 0 0 0 0 5 0 3x2 4 0 1 = 4 3 2 万元。如果运用现场煤油干燥 技术，这样就能够减少很大一部分资金消耗。 目前粗略统计仅国家电网公司系统1 l o k v 及以上变压器因事故和缺陷需返厂 处理的变压器每年就约7 0 台。如果加上其它电网和大型发电厂，需返厂处理的变 压器数量会更多。如果按1 0 0 台计，每台运输费用平均按5 0 万元计，每年可节约 运费5 0 0 0 万元。而一套变压器现场真空煤油汽相干燥设备研发费用约1 0 0 0 万元。 如果节约8 天停电时间即可收回成本。综合上面所述，现场煤油汽相干燥技术能节 省一笔巨大的资金。 根据上述分析变压器现场煤油汽相干燥技术具有极高的运用价值，应用前景非 常广阔。 1 2 课题研究现状 1 2 1 汽相干燥设备的发展历史 汽相干燥技术妇1 ( v p d ) 是一种专门用于大型油浸式变压器以及其它类似电器设 备干燥处理的技术。v p d 干燥方法在国际上始于2 0 世纪6 0 年代，当时是6 0 年代美 国西屋公司首先发明的，并申请了专利，后来瑞士的m i c a f i l 公司购买了这项专利， 并在此基础上作了改进工作，于7 0 年代已成熟地用于生产实际，m i c a f i l 公司并因 此成为生产汽相干燥设备的专业厂家。挪威的n a t i o n a li n d u s t r y 公司经过大型设 备技术改造后，自己也设计了一套汽相干燥设备。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备，并于8 0 年代引入我国的太原变压器厂 和长春变压器厂。近年来德国的h y d r i c h 公司也生产了汽相干燥设备。目前全世界 有几百套汽相干燥设备在运行，大多数为m i c a f i l 公司制造的。 至2 0 世纪9 0 年代后期，国内已基本完成了技术引进消化吸收和成套设备的国产 制造工作沈阳变压器研究所在充分消化汽相干燥设备原理的基础上，吸收世界上 几家汽相干燥设备的优点，成功开发研制了多种形式的汽相干燥设备n 仉j 别，其中 包括：w z 卜l 1 0 0 4 0 0 即外置蒸发器、“一对一一1 0 04 0 0 k w 汽相干燥设备； w z i 一2 1 0 0 4 0 0 即外置蒸发器、。一对二一1 0 0 - - - 4 0 0 k w 汽相干燥设备；n z 卜l 1 0 0 4 0 0 即内置蒸发器、“一对一一1 0 0 4 0 0 k w 汽相干燥设备等。沈阳变压器研究所 2 华北电力大学硕士学位论文 生产的干燥设备已经在保定天威、烟台东源等多处变压器制造厂运行，且一切运行 状况良好。 1 2 2 汽相干燥技术研究面临的问题 从大型变压器煤油汽相干燥技术在变压器制造厂的运用情况来看，该技术已经 非常成熟了，但迄今为止，国内外科研单位和高校对大型变压器煤油汽相干燥技术 的研究都没有解决大型变压器煤汽相干燥设备的现场应用问题。 1 3 尚待研究和解决的问题 针对目前大型变压器干燥过程中存在的问题，具体对以下几个方面进行研究： l 、找到变压器绝缘劣化原因，选择合适的器件，组装一套方便现场运行的煤 油汽相干燥设备。 2 、设计电气控制线路，并设计一套在线监控系统，减少人力和物力的消耗。 3 ，将该硬件和软件设备进行调试，形成一套可行的技术工艺方案。 4 ，煤油汽相干燥设备在运行过程中，在线监测识别变压器干燥是否完成。 如果现场煤油汽相干燥设备研制成功，现场煤油汽相干燥技术独特的性能得到 发挥，这意味着该技术可以解决如下问题： l 、大型变压器组装成后运输困难的问题，由于变压器容量越来越大，体积和 重量也越来越大，运输时间长，而且运输费用大，因此有些变压器还必须在现场组 装。但目前现场干燥工艺与制造厂干燥工艺相差很远，不能保证变压器的最好状况。 选用现场煤油汽相干燥技术能克服这些困难。 2 ，争取抢修时间尤其是事故抢修，需要暴露时间长时，一般的干燥处理很难 将变压器恢复到原来状态。现在一般采用返厂修理的方法，但是返厂需要花费大量 的时间。将研制成功的现场煤油汽相设备拖运到现场，现场煤油汽相干燥所用时间 甚短，因此可以减少变压器现场检修时间。 3 ，经过现场干燥后的变压器，不仅绝缘电阻达到数万兆欧，绝缘材料污损得 到改善。 如果该技术能顺利解决以上难点，它将极大地提高对电网安全运行时间，对提 高社会效益具有重要的实际意义。 1 4 本文所做的工作 根据上面对煤油干燥技术历史和现状的分析，我们认为对现场煤油汽相色谱干 3 华北电力大学硕士学位沦文 燥技术进行研究非常必要。作者对上面所讲叙的几个方面进行了研究。在研究和学 习过程中，具体做了如下工作： l 、设计了一套现场煤油干燥设备，该设备组装合理，在质量和体积上保证运输 方便，外型美观，并具有一系列的干燥保护辅助等设施，如变压器干燥过程中，器 身的保温设施，必要的报警系统和防护措施。 2 、设计该套现场煤油干燥设备的电气控制线路，通过该电路能顺利对变压器 干燥工艺过程进行电气控制。 3 ，设计一套监控系统，在计算机显示下，能准确了解干燥过程各部件的工作 过程参数，以便参考和保存，同时配有报警系统，以防工作过程中出现危险的故障。 4 、对设计的整套设备进行现场运行，验证该设备的功效，同时进行理论分析。 通过上面的研究分析，所设计的变压器现场煤油汽相干燥技术能适合现场运行， 且干燥效果比较理想，能达到预期效果，该项技术在变压器领域将是一项重大突破， 将会得到不断的推广。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 前言 第二章现场煤油汽相色谱干燥原理 资料n 3 1 记载材料的干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分( 大部分 情况是水分) ，而获得一定湿含量固体产品的过程。湿分以松散的化学结合形式或以 液态溶液存在于固体中，或积集在固体的毛细微结构中，这种液体的蒸发压低于纯 液体的蒸汽压，称之为结合水分，而游离在表面的湿分则称为非结合水分。 当湿物料作热力干燥时，以下两种过程相继发生： 过程l ：能量( 大部分热量) 从周围环境传递至物料表面湿分蒸发； 过程2 ：内部湿分传递到物料表面，随之由于上述过程进而蒸发。 干燥速率是由上述两个过程中较慢的一个速率控制，从周围环境将热能传递到 湿物料的方式有对流、传导或辐射。在某些情况下可能是这些传热方式的联合作 用。在大多数情况下，热量先传到湿物料的表面然后传入物料内部，但是介电，射 频或微波等干燥方式供应的能量在物料内部产生热量然后传至外表面。 过程l ：液体以蒸汽形式从物料表面排除，此过程的速率取决于温度、空气湿 度和空气流速、暴露的表面积和压力等外部条件。此过程称外部条件控制过程，也 称恒速干燥过程 过程2 ：物料内部湿分的迁移是物料性质、温度和湿含量的函数。此过程称内 部条件控制过程，也称降速干燥过程。 整个干燥循环中两个过程相继发生，并先后控制干燥速率。 2 1 1 干燥原理 外部控制条件的干燥过程( 过程1 ) ：在干燥过程中基本的外部变量为温度， 湿度，空气的流速和方向和物料的形态等，外部干燥条件在干燥初始阶段，即再排 除非结合表面湿份时特别重要，因为物料表面的水分以蒸汽形式通过物料表面的气 膜向周围扩散，这种传质过程伴随传热进行，故强化传热便可加强干燥。 内部条件控制的干燥过程( 过程2 ) 。在物料表面没有充足的自由水分时，热 量传至湿物料后，物料就开始升温，物料内部并形成温度梯度，使热量从外部传入 内部，而湿分从物料内部向表面迁移，这种过程的机理因物料结构特征而异，主要 为扩散，毛细管流和由于干燥过程的收缩而产生的内部压力。在临界湿含量出现至 物料到很低的最终湿含量时，内部湿分迁移成为控制因素。 5 华北电力人学硕士学位论文 2 1 2 材料的干燥特性 由于物料中的湿分可能是非结合水和结合水，有两种排除非结合水的方法：蒸 发和汽化。当物料表面水分的蒸汽压等于大气压时，发生蒸发；而汽化时，干燥是 由对流进行的，即热空气掠过物料，将热量传给物料而空气被物料冷却，湿分由物 料传入空气，并带走。通常物料干燥特性是湿含量和时间的函数。干燥曲线或干燥 速率曲线表示如图2 1 所示。在第一干燥阶段干燥速率是常数，此时表示表面含有 图2 1 干燥速率曲线 自由水分。当水蒸气完全汽化后，湿表面则从物料表面退缩，此时可能发生一些收 缩，在此阶段，控制速率的是水蒸气穿过空气湿分界面( 气膜) 的扩散，在此 阶段的后期，湿分界面可能扩散，湿分将从物料内部因毛细管力迁移到表面，且干 燥速率仍可能为常数。在进一步干燥时( 第2 降速段或第3 干燥阶段) 由于内部和 表面的湿度梯度，湿分通过物料扩散至表面然后排除，刚才速率受到限制，此时热 量先传至表面，再向物料内部传递，由于干湿界面的深度逐渐增大，而外部干区的 导热系数非常较大，故干燥速率受热传导的影响加大。但是，如果干物料具有相当 高的密度和小的微孔空隙体积，则干燥受导热的影响就不那么强。而是受物料内部 相当高的扩散阻力影响，干燥速率受湿分从内部扩散到表面，然后由表面的传质所 控制。 2 1 3 变压器干燥机理 根据上述物料干燥机理，分析变压器绝缘材料干燥原理。其实国内外研究干燥 技术已经比较成熟了，只是对变压器绝缘材料方面研究较少目前资料n t l 5 j l l 7 - 墉1 国内外对变压器干燥的原理类似，都可以分为两个步骤：一提高绝缘材料的温度； 二将真空罐抽真空。其中在提高温度方式上，现实生产中有各种各样的方式，资料 n o _ 妇显示一般采用的是热油加热、电阻丝加热，变频加热等。提高温度的实质是 6 华北l l i 力人学硕士学位论文 提高变压器绝缘材料的温度，使绝缘材料中的水分气压得到急剧上升，从而扩大了 绝缘材料中水分气压和真空罐气压之间的气压差，这样非常利于水分的快速扩散。 绝缘材料中的水蒸汽分压越大，外围空间的压力越低，这样二者间的气压差越大， 绝缘材料中的水分扩散迁移速度越快，二者气压关系如公式2 1 ，式中n 表示变压 印= a p 2 ( 2 1 ) 器绝缘材料中的水蒸汽分压，办表示真空罐中空气的气压；对真空罐抽真空，这个 操作是根据热力学理论进行的，真空罐中气体看作理想气体，理想气体都满足状态 p v = n x rx t ( 2 2 ) 方程2 2 式。其中p 理想气体的气压，v 气体体积，t 绝对温度，n 气体质量所占的 摩尔数目，r 为衡量一普适气体常量，r = 8 3 1 4 j m 0 1 k ，在变压器干燥过程中，真 空罐的体积一定( v 为一定值) ，这样采取间断抽真空的办法( 变压法乜2 卫3 2 4 1 ) ，减少真 空罐气体的质量( 减少气体摩尔数目n ) ，从而提高真空罐的真空度，降低真空罐中 空气的气压，扩大变压器绝缘材料与真空罐空气的气压差，加快水分的扩散。在实 际现场运行中，一般采用升高绝缘材料的气压和减少气体摩尔数目两种方式交替进 行，且不断循环下去，直到绝缘材料中的水分得到快速排出，达到干燥要求为止。 2 2 现场煤油汽相色谱干燥技术 现场煤油汽相色谱干燥原理与目前运用的煤油汽相真空干燥原理有很多类似 的地方，都是采用特种煤油蒸汽为载热介质，利用煤油相变换热原理。有资料显示 煤油汽相干燥技术干燥变压器原理如下：首先在室温环境中，将变压器吊入真空罐 内，随后真空系统对真空罐抽气，使真空罐内压力降至7 0 0 p a 以下；其次将液相煤 油送往蒸发器，通过蒸发器( 内置式和外置式) 将煤油加热蒸发，形成煤油蒸汽， 煤油蒸汽依靠压差流入真空罐，对整个变压器进行加热，使变压器温度不断增高， 而变压器绝缘材料中水分不断受热蒸发，同时煤油蒸汽遇变压器绝缘材料后，放出 冷凝潜热，冷却成液态煤油而流向变压器底部，底部煤油不断被抽回蒸发器，重新 加热利用。受热的水分以蒸汽形式混合在煤油蒸汽中，这样致使真空罐内压力不断 升高，令这些混合气体进入冷凝系统，其中水蒸汽和煤油蒸汽被冷凝成液体并在收 集罐中自然沉降分离，分别被排出和重新循环利用；当真空罐内温度达1 2 5 1 3 0 左右时，停止往真空罐中输送煤油蒸汽，真空系统对真空罐抽真空度达到2 5 k p a ， 使遗留在真空罐绝缘材料中的煤油变为蒸汽抽出。最终罐内压力降至l o p a ，使绝缘 材料中的水分和煤油进一步蒸发，至最终结束干燥处理。 现场煤油汽相色谱干燥最重要技术就是有效利用了变压器油箱，将变压器油箱 7 一 华北电力大学硕士学位论文 二_ 一一 嵋副作为上述的真空罐，p - - 时省去了利用低地势致使冷却煤油流入庞大的缓冲罐，而 利用高真空强排齿轮泵直接将变压器油箱底部低压状态下的液态煤油抽出，经过过 滤等处理后，抽回蒸发器重新利用。现场煤油汽相干燥设备主要由：汽相系统、真 空系统、冷凝系统、加热系统等组成。其总体结构如图2 2 所示。 图2 2 现场真空汽相干燥原理结构图 3 1 前言 析 由于变压器干燥过程中采用的是易燃且高温易爆的煤油作为溶剂，同是干燥过 程中变压器油箱内要不定时的保持高真空高温的状态，这样为了安全和j i l 页n 进行干 燥，最终达到安全防爆的目的，根据沈阳变压器研究所工作人员经验，在设计过程 中着重注意了以下几点： l ，由于干燥过程中所运用的变压器容量不同，但必须确保变压器密封，泄漏 率不高于p a l s ( 冷态) 8 0 0 p a l s ，同时油箱机械强度必须达到要求。 2 ，安装一定合理且要美观，要尽可能的减少连接口，减少现场连接部分。 3 ，所有设备吊起和放下方便，且确保吊起时，设备和人员安全系数较高；在 运输过程中，设备能合理分布，便于安全运输。 3 2 干燥设备的主要构成 现场煤油汽相干燥设备由变压器油箱( 不同容量) ( 1 套) 、真空系统( 1 套) 、 冷凝系统( 1 套) 、汽相系统( 1 套) 、溶剂储存输送系统( 1 套) 、导热油加热系 统( 1 套) 、气动系统( 1 套) 、冷却水系统( 1 套) 、控制系统( 1 套) ，保温铠 装( 1 套) 、通风系统( 1 套) 、备品及备件( 1 套) 组成。下面具体介绍各部分结 构。 3 2 1 汽相系统 该系统由外置瀑布式蒸发器( 功率4 0 0 k w ) 、带磁铁芯的精过滤器( 过滤精度 为1 0 微米) ，粗过滤器( 过滤精度为4 0 目) ，煤油输送泵高真空强排齿轮泵，温度 计、单向阀、安全阀、高真空球阀和蝶阀、压力、温度测控元件、波纹管，管路、 法兰，密封件及附件组成。 目前国内外运用煤油汽相干燥设备中，根据蒸发器安装位置不同，分为蒸发器 内置和蒸发器外置两种，而这里研制的煤油汽相干燥设备利用了现场的变压器油 箱，且受限于变压器框体，因此只能采用蒸发器外置式。煤油介质是运油车提供的 特种煤油。汽相系统工作流程如下：当特种煤油经过加热系统高温加热后，煤油蒸 汽进入钢管d 2 0 0 ，通过变压器低压套管( 低压套管取下) ，充入变压器内部。炙热 的煤油蒸汽遇到低温的变压器绕组释放了热量，冷凝成液态的油时，流往变压器底 部，变压器底部安装有高真空强排齿轮泵，将沉积在变压器底部的液态煤油抽出变 9 华北电力大学硕士学位论文 压器油箱，通过钢管d n 5 0 返送回加热系统。在管道上，配备电气控：# 0 阀如：气动球 阀等；设计过程中，参考目前变压器厂运行的干燥设备相关参数，采用钢管参数为： 外径d n l = 2 0 0 m m ，d n 2 = 5 0 m m ；根据实际干燥经验，不同容量的变压器在干燥过程中出 水量不超过2 0 0 公斤，出水的容量约为2 0 0 l ，干燥时间一般在4 0 d , 时以上，这样可 以推算出出水的流量5 l h ，选用高真空强排齿轮泵参数：d p z - 2 5 0 6 ( 泊头市王 朝泵业有限公司生产) ：为快速准确监测汽相输送管道的真空度和温度，以免造成 安全事故，在钢管d n 2 0 0 上装有真空探头( c y g l 0 0 1l o k p a ) 、热电阻( p t l 0 0 ) ； 为即时监测干燥进程，在煤油和水蒸汽混合管道上装有露点仪( d m t 2 4 2 a ) 。其具 体结构如图2 所示： 图3 1 汽相系统结构图 3 2 2 真空系统 由于干燥过程中需要大幅度抽空气，降低变压器油箱内部的气压，提高真空度。 同时根据该设备对真空要求很高，选用优质的德国莱宝公司产品泄漏泵( s v 3 0 0 bl 台) 、前级泵 ( s v 6 3 0 b2 台) 、罗茨泵( r a 5 0 0 11 台) ，这样真空机组主抽速将 达至u 5 0 0 0 m 3 h ，能顺利在干燥过程的准备阶段，变压器油箱的压力从常压降至u 7 0 0 p a 的时间小于9 0 分钟。同时真空系统和变压器器身之间夹装有中间冷凝器( 1 台) ， 且在中间冷凝器后安装有中间德国进口陶瓷薄膜真空计1 只。该部分分为2 级真空， 泄漏泵b 3 ( s v 3 0 0 b ) 连接前级冷凝器构成一级真空，在原来基础上增 0 1 1 2 个前级泵 b 2 、b 1 ( s v 6 3 0 b ) 和罗茨泵b 4 ( r a 5 0 0 1 ) ，连接主冷凝器构成二级真空( 主真空) 。 在开始阶段，启动泄漏泵( b 3 ) ，一级真空将通过前级冷凝器对变压器进行初次抽 真空至7 0 0 p a ；当变压器加热温度达到( 1 3 0 ) 时，再次对变压器进行抽真空，启 动前级泵( b 2 ，b 1 ) 和罗茨泵( b 4 ) ，二级真空通过主冷凝器抽真空，变压器内真 空度直到l o p a 才停止。根据麦克菲尔设备提供的参数，选用钢管规格：前级真空管 道d n 5 0 - - 5 0 m m ；二级真空管道d n 2 0 0 = 2 0 0 n m l ；管道上安装电气球阀( d n 2 0p n l 6 ) 和 解除真空的气动角座阀( 2 0 0 0 e 8 0 5 不锈钢d n 2 ) 具体结构如图3 2 所示。 l o 华北电力大! 学硕士学何沦文 前级冷凝 图3 2 真空系统 3 2 3 冷凝系统 该冷凝系统由主冷凝器( 功率2 2 5 k w ，工作压力4 5 0 0 p a ) ；立式冷凝液收集 罐( 工作压力4 5 0 0 p a 3 0 0 p a ) 三位浮球式液位开关、液位计、热电偶附属组件构 成。 在冷凝过程中采用的冷凝方法为水循环冷却，水通过冷凝器器身，带走热量。 冷凝系统包括主冷凝和前级冷凝两部分。由于干燥开始阶段，变压器加热的时候， 只有部分煤油和水蒸汽混合气体需要冷却和分离，这样令混合蒸汽流入前级冷凝 器，冷却后，流入冷凝液收集罐中。当干燥进入二级真空阶段时，对流出变压器油 箱的煤油和水分混合蒸汽进行冷却，混合蒸汽通过主冷凝器，蒸汽冷却成水和油的 混合液体，流入冷凝液收集罐中。冷凝后的油水混合液体在收集罐中沉静和分离。 分离后的煤油被泵抽出收集罐，经过过滤处理、加热后，重新送回蒸发器利用。设 计过程中，考虑煤油和水混合蒸汽通过主冷凝通道时，主冷凝器承担冷凝主体任务， 于是选取其连接管道为d n 2 0 0 钢管；只有小部分煤油和水混合蒸汽通过前级冷凝前 级，选用d n 5 0 钢管则可。在现场安装过程中发现，泵b 5 安装在蒸发器( 两竖排对称 布置) 之间，这样为了提高泵的抗干扰能力，选用屏蔽泵( b 5 ) ，泵两端选用的钢 管为d n 3 0 = 3 0 m m ，泵b 5 型号：f w e 一2 1 0 j 0 4 0 5 s 卜f ；为提高返送至蒸发器的煤油具有 较高的纯度，在屏蔽泵前安装粗过滤器，其参数为3 5 0 l m i m 为确保煤油一直保持 较高的纯度，在屏蔽泵的后端，安装了精过滤器；冷凝液收集罐壁上配有浮子开关 ( u q k o 卜i i b 一1 o ) ，这样可以快速实时显示液面信息。其具体结构如图3 3 所示。 图3 3 冷凝系统 收集罐 华北电力大学硕士学位论文 3 2 4 加热系统 变压器干燥时，液态煤油加热成煤油蒸汽，需要巨大的能量，同时蒸发煤油的 过程中是在野外进行，北方严寒的冬天热量散失特别严重。根据资料心邑2 7 侧这里采 用瀑布式蒸发器，左右对称分布，同时蒸发器外围包裹优质岩棉管壳，有效防止热 量散失。在干燥过程中为便于控制和防止意外事件的发生，在蒸发器四面安装了热 电阻( p t l 0 0 ) ，即时查看运行状态参数。采用钢管d n 2 0 0 连接，在连接处和弯道处 装有波纹管和法兰等联接器件；根据目前变压器生产厂家煤油设备的相关参数和文 献资料心 ，确定蒸发器功率为：p = 4 0 0 k w ，由电加热提供能量。 图3 4 加热系统 3 2 5 煤油储存输送系统 由于现场干燥设备能顺利运输，故煤油储存运输采用槽罐车，这里采用5 吨的 罐车，总煤油量能转运不小于4 立方米。同时还还配有容积不小于2 立方米的废油储 存罐，废油储存罐可以根据现场配置。 3 2 6 外围保温 根据实地运行环境，要确保现场煤油汽相干燥设备能在寒冷的冬季j 下常运行， 且整套设备干燥运行需要几十小时，且变压器和各管道外围热量散射严重，为保存 热量，对变压器油箱进行了临时性保温，选用保温材料为优质保温材料并带有反射 层，保温厚度l o o m m 。保温层为可拼接结构，可应用于不同体积的变压器产品，相 关的溶剂蒸汽管路、变压器油箱冷凝溶剂回程管路、制冷管路等管道采用优质岩棉 管壳，保温厚度5 0 m m ，外包0 5 m m 厚不锈钢板进行保温。这样在干燥过程中能保证 内壁最高温度为1 3 5 c ，任意两点温差小于6 ，这样完全达到保温目的。 3 3 优化组装和运输方式的确定 设计一套可以移动的煤油汽相干燥设备，面临两大问题，一是运输方便和组装 1 2 华j 匕电力大学硕士学位沦文 简洁的问题；二是干燥安全和干燥效果的问题。安全问题方面，在整个设计过程中 都已经充分考虑：该设备利用了先进的煤油汽相干燥技术，干燥效果会和变压器制 造厂干燥效果接近。对于运输方便和现场组装简洁方面，已经经过多次专家讨论和 论证，结合实地考察和电气设备安装规程比刚以及国家公路相关规定。在优化组装过 程中，整套设备采用两个集装箱( i 、i i ) ，其中集装箱的尺寸按照卡车车宽和高 ( 公路限行高度) 进行设计，集装箱i 前部留有一个煤油蒸汽连接口，干燥过程中 套接金属软管与变压器低压套管口( 低压套管取下) 连接，集装箱i 尾部与集装箱 l i 连接，集装箱i i 尾部与另一低压套管口连接。整套设备安装过程较简便。在集装 箱内组装布局过程中，根据实际物件的重量，采用左右前后重量均匀分布的原则， 确保起吊和整个运输过程安全。 3 4 本章总结 一l 面各部件参数的确定，是参照沈阳变压器研究所研制的煤油汽相干燥设备部 件参数而确定的。本设备各部件具有各自功能，在运输过程中各部件能顺利运输， 在现场干燥运行时可将各部分合理的组装，组装成成套设备如附录1 。这样方便吊 装和拆卸，解决了笨重物体搬运的困难。 华北电力大学颂七学位论文 4 1 前言 第四章电气控制系统的设计 控制系统由电气硬件和监控软件两部分组成。其中电气硬件部分即电气控制线 路，该部分主要完成整个干燥设备器件运行状态的控制；监控软件部分是对整个干 燥工艺进行监控，达到自动控制的目的。其中电气硬件部分的主电路电源由三相电 源( 3 8 0 v ) 提供，相关电气控制模块电源由经整流变换后输出1 2 v 和2 4 v 电压提供，具 体内容介绍如下。 4 2 电源的设计 设计过程中，由于选用了许多电气控制器件，它们的正常工作电压较低且各不 相同，如泵类器件所用到的电源为三相四线制交流3 8 0 v ，而电气控制模块的电源电 压一般选用的是直流1 2 v 或2 4 v ，这样不得不对电源重新设计。 4 2 1 总电源设计 电源的获取是通过外界接入三相四线制电网电压获得的。根据实况，工作人员 应该开启总电源后，启动控制各回路电源( q f 2 、q f 3 ，q f 4 ) ，这样各器件才能获 得了工作电源。根据各部分负荷参数不同，应该选用不同额定电流的断路器，如： q f l 、q f 5 2 、q f 5 1 。根据负荷的功率，可以按照公式4 1 计算出线电流，从而依照4 2 式 2 7 ，推算出断路器电流。其中公式中：昂表示负荷消耗功率；l 表示通过负荷 的线电流；k 表示负荷裕量，一般取1 2 - 2 。 p ， c = 1 2 l 一( 4 1 ) 。d 3 3 8 0 、 ，= k i c( 4 2 ) 通过上面公式可以确定各部分断路器的参数。电气控制部分中控制元件的工作 电源都非常低，容易受到外界因素的干扰如：电网谐波，电压稳定等。为排除外界 因素的影响，在控制元件电源前加装了隔离变压器和滤波器，其中设计的滤波器如 图4 1 。由于设备在现场运行过程中，还需要提供一些通风设施和紧急事故处理措 施。一旦出现意外，立即启动急停按钮，可以快速切除场内电源，达到保护现场的 目的。结合沈阳变压器研究所设备制造工作人员多年经验，选用开关为断路器d z 系 列。综合上面分析具体设计如图4 2 。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图4 i 滤波器结构 图4 2 总电源设计 4 2 2 稳压电源设计 由于在设计过程中，考虑到现场数据采集，继电器及热电阻等器件的正常工 作，都需要恒定的电压源，其中继电器、阀门、安全栅、音叉液位计工作电源2 4 v ， 而模块工作电压为正负2 4 v 。根据元件工作电源需求情况，将外界接入的交流2 2 0 v 电压整流成各元件需要的1 2 v 和2 4 v 直流电压则可。短路器参数的确定参照公式4 1 和4 2 ，整流部分设计采用单相桥式整流的方法，模块输出电压2 4 v ，1 2 v ，正负2 4 v 电压。其中获取正负稳压电源设计图中，运用了稳压芯片l m 7 8 2 4 。l m 7 8 和l m 7 9 系列 1 s ll|jp 华北电力大学硕1 ：学位论文 芯片介绍如下g l m 7 8 系列芯片是典型的三端稳压集成芯片，该系列芯片是