（流体机械及工程专业论文）绝缘材料微量水分的分析方法及其检测技术的研究.pdf

绝缘材料微量水分的分析方法及其检测技术的研究 摘要 本文研究了微量水分分析、测量的基本理论和方法，研究了绝缘材料真空 干二燥过程中的传热传质规律，介绍了以理论研究成果为指导而设计制作的微水 分监测系统的结构、工作原理和特点，讨论了仪器用于实际测量时的实验结果 及其误差因素。 i - 一。绝缘材料微量水分监测系统以新型氧化铝电容传感器作为感湿元件，获取 微水分信号，再经信号变换电路和单片计算机系统处理成数字信号而直接输出， 从丽实现了绝缘材料真空干燥过程的微量水分在线监测。 本研究的积极意义就在于：以先进的监测仪器实现绝缘材料真空干燥过程 微量水分的实时监测，改变传统的离线、静态的测试方法，从而为提高绝缘材 l 料的干燥质量、优化真空干燥工艺过程、缩短干燥时间、节能降耗等提供保证7 关键词：绝缘材料真空干燥微量水分在线监溯 s t u d i e so n a n a l y z i n gm e t h o d a n d m e a s u r i n gt e c h n o l o g yo f t h et r a c em o i s t u r eo fi n s u l a t i o n a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o do ft h et r a c em o i s t u r ea n a l y s i sa n d m e a s u r e m e n ta r es t u d i e d ；t h ed i a t h e r m a n o u sa n dm a s s t r a n s f e r r i n gl a w so nt h e i n s u l a t i o n s d u r i n g v a c u u m d r y i n g a r e a n a l y z e d ；t h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i co ft h et r a c em o i s t u r em o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi sd e s i g n e da n dm a d e b yt h e a c h i e v e m e n t so ft h et h e o r e t i cr e s e a r c ha r e i n t r o d u c e d ；t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n de r r o n e o u sf a c t o r so ft h es y s t e ma r ed i s c u s s e d f i l e h u m i d i t y s e n s i t i v i t yd e t e c t o ro ft h i st r a c em o i s t u r em o n i t o r i n gs y s t e mo f t h ei n s u l a t i o ni san e w t y p ea 1 2 0 3 一c a p a c i t o rs e n s o lt h r o u g ht h es e n s o r ，t h et r a c e m o i s t u r e s i g n a l i s a c q u i r e d ，t r a n s f o r m e d i n t ot h e d i g i t a ls i g n a l v i a t h e s i g n a l t r a n s i t i o nc i r c u i ta n ds i n g l e c h i pc o m p u t e rs y s t e ma n do u t p u t t e dd i r e c t l y ，t h e nt h e t r a c em o i s t u r eo n l i n em o n i t o r i n go ft h ei n s u l a t i o n sd u r i n gt h ev a c u u md r y i n gi s r e a l i z e d t h ef r u i t f u l m e a n i n go ft h e t h e s i sl i e s i n ：a c c o m p l i s h i n gt h et r a c e m o i s t u r e r e a l t i m em o n i t o r i n go ft h ei n s u l a t i o n sd u r i n gt h ev a c u u md r y i n gw i t ht h eh e l po f t h ea d v a n c e dm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t ，c h a n g i n gt h et r a d i t i o n a lo f f - l i n ea n ds t a t i ct e s t m e t h o d ，e n h a n c i n gt h ed r y i n gq u a l i t y o ft h ei n s u l a t i o n s ，o p t i m i z i n gt h et e c h n i c a l p r o c e s so fv a c u u md r y i n g ，s h o r t e n i n gt h ed r y i n gt i m e ，s a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n g e x h a u s t i o n k e y w o r d ：i n s u l a t i o n s v a c u u m d r y i n g t r a c em o i s t u r eo n l i n em e a s u r i n g 致谢 本文自始至终是在导师朱武副教授和王先路教授的悉心指导下完成的，从论 文的选题、工作到完成都倾注了二位导师极大的心血。朱老师治学严谨，学识渊 博，1 ：作细致认真，同时在学术上对学生要求严格但不施加过多的约束；王老师 以其敏锐的洞察力以及卓越的思维方法，给我留下了深刻的印象。在两年多的研 究生学习阶段与两位导师精诚合作的研究经历将使我终身受益、永志难忘。 在课题研究过程中，与陈长琦副教授进行了许多有益的探讨，从这些讨论中 受到了许多有意义的启示；同时得到胡焕林教授、周永安高工和王旭迪老师等的 关心和帮助。实验系统的安装和调试得到了实验室程义然老师、王云芳老师和樊 文胜老师的精心指导和帮助，在此一并致以衷心的感谢。 同时感谢姜涛同学、谢源同学、崔村燕同学以及实验室的其他研究生所给予 的大力协助。 最后再次向诸位老师表示深深的敬意! 向多年来在我的成长和学习生涯中给 予过帮助和关心的老师、同学以及亲戚朋友表示诚挚的谢意，特别感谢我的父母 双亲多年来所给予的支持和所寄予的期盼。 谨以此文献给你们! 图2 1 图2 2 图2 - 3 图3 一l 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 一1 0 图3 1 1 图3 一1 2 图3 一l3 图3 1 4 图3 一l5 i 鞫3 1 6 图3 一1 7 图3 一1 8 图4 一l 图4 - 2 图4 - 3 图4 4 吲45 图4 6 l 斟47 图4 - 8 插图清单 绝缘纸的水蒸气压一温度曲线9 纸的温度分布图i i 介质内的湿含量分布图1 2 单片机应用系统框图1 7 感湿芯片外形尺寸图1 8 差动脉冲调宽电路原理图2 0 差动脉冲调宽电路各点电压波形图2 0 传感器信号转换电路图2 1 信号减法电路2 2 二阶低通滤波器电路图2 2 程控增益放大原理2 4 a d 5 7 4 a 内部结构框图2 5 a d 5 7 4 a 启动转换时序图2 6 a d 5 7 4 a 读周期时序图2 6 a d 5 7 4 a 与8 0 3 l 单片机的接口电路2 7 8 2 5 5 方式控制字2 8 键盘显示器电路2 9 主程序流程图3 l a d 转换中断服务程序3 2 键盘中断服务程序3 4 软件滤波子程序3 5 参考电容为5 1 p f ，可变电容为3 0 p f 时各点的波形3 8 参考电容为5 l p f ，可变电容为5 1 p f 时各点的波形4 0 参考电容为5 1 p f ，可变电容为l o o p fu , l 各点的波形4 l 参考电容为5 1 p f 时汁算值与测量值比较4 3 参考电容为i o o p f 时计算值与测景值比较们 实验装置示意图4 4 实验关系原理图4 5 电容随真空度的变化关系曲线4 7 表格清单 表2 1 各湿度单位换算表6 表3 1 放大器增益调整列表2 4 表3 - 2 a d 5 7 4 a 控制真值表2 5 表3 - 3 8 2 5 5 a 的口操作状态表3 2 表4 1参考电容为5 1 p f 时对不同电容的测量值3 7 表4 - 2 参考电容为5 1 p f 时对不同电容的计算值4 1 表4 - 3 参考电容为1 0 0 p f 时对不同电容的测量值4 1 表4 4参考电容为l o o p f 时对不同电容的计算值4 2 附录一 附录二 附录三 附录四 附录血 附录清单 信号转换电路原理图 c p u 系统电路原理图 模拟实验结果波形图 实验结果列表 源程序 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究绝缘材料真空干燥过程中水分含量的意义 电工绝缘材料是电机、变压器、电力电容器等电气设备制造的主要材料之 一。关于这类绝缘材料的性能及放电理论，国内外进行了广泛的研究。绝缘材 料的电气性能除取决于其材料构成外，在很大程度上取决于水分的含量，一般 地，绝缘材料内含水量每增加一倍，其机械寿命降低一半；纸的热恶化率与它 的水含量成正比。而影响电气设备及元件质量的关键技术是其绝缘材料的真空 处理工艺。准确测定高压电力设备绝缘系统中的微量水分对判断绝缘情况、控 制含水率和优化材料真空干燥工艺有重要的实际意义。然而，国内的技术水平 与美、俄、闩等国相比，存在较大差距，特别是经济性差距更大。国内电工绝 缘材料传统干燥处理工艺中根本没有测量微量水分的指标，而工艺中该参数尤 为重要，因为微量水分在高压强下会导致电介质的损坏或击穿。我国目前采用 经验工艺较多，工艺参数偏于保守，其结果必然导致工艺周期长、能耗大、生 产效率低、成本高。j 。 为了保证产品质量、降低成本、优化工艺，就必须建立合理的工艺参数标 准，因此必须对绝缘材料中所含的水分进行测量，特别是应了解干燥过程中绝 缘材料内部水分含量与时间、温度、真空度的关系。如今，温度和真空度都能 方便快捷的进行测量，唯有微量水分的测量是一个未能解决的难点。因此本文 研究了材料水分的性质和干燥过程中水分从材料内部向外部的扩散规律，探索 对绝缘材料微量水分分析的方法，以达到实际检测的目的。从而为电气绝缘材 料，以及食品、轻工、化工、药材等真空干燥处理工艺提供科学依据。 1 2 国外关于绝缘材料干燥过程的研究现状及发展 国外关于绝缘材料干燥过程的研究主要集中在变压器的绝缘材料( 纸和纸 板) ，从十九世纪二十年代人们就已经开始认识到其纸和油系统内存在水分的严 重性，并作了大量的研究，给出了许多有价值的图表与曲线。早在1 9 4 6 年p i p e r 组合了四组前人文献中的数据得到了一套无油纸的水蒸气压和水分浓度的平衡 曲线，成为最广泛的被制造商有效运用的曲线1 6 。】。之后许多人对此数据、曲线 进行了修订与改进，特别是1 9 8 4 年o o m m e n 在总结前人工作的基础上，将数 据构成了相似的图表，使用起来更加方便1 7 】。1 9 8 7 年f e s s l e r 等人对h o u t z 、e w a r t 、 o o m m e n 和他们自己的实验数据进行分析，确定了水- 纸平衡公式1 6 】。还有许多 研究人员对绝缘材料干燥过程作了大量的研究。a s a s e m 等人研究了一种利 用计算机仿真的方法来确定电力变压器绝缘材料干燥过程中绝缘体内各部分水 第一章绪论 分含量的方法l 。这种方法需要对干燥过程控制理论和条件进行充分的研究。 a s a s e m 等人在文献中给出相应的数学模型及边界条件，对其质量传输与热 量传输进行了分析，并详细阐述了干燥过程中各参数的确定方法。文献中将仿 真结果与实际的实验结果进行了比较，其最终目的是确定干燥过程中各阶段的 水分分布从而预测干燥时问。h y o s h i d a 等人研究了变压器绝缘材料的干燥过 程一i ，并推导了一种实际的用于变压器绝缘材料干燥过程的分析方法，即干燥 过程中水分的释放主要与绝缘材料内外的水蒸气压差有关。该方法可以用于计 算绝缘材料的干燥时问。s d f o s s 等人提出一种用于分析绝缘材料干燥过程中 水分的吸附与脱附的数学模型，该模型可以预测干燥时间l l o 。以上文献中的实 验都是利用经典的化学试剂法即卡尔费休法对变压器干燥过程中的含水量进 行测量的，这些测量都没有实现在线测量。美国麻省理工学院( m i t ) 的电气 工程与计算机科学实验室对该问题进行了深入的研究。他们利用一种三波长叉 指型传感器测量变压器非平衡状态下的水分空间分布1 6 一h s i 。其原理是利用频 率一波数与介电常数有关的技术来测量的，绝缘体的介电常数的分布反应了其水 分含量的分嘶j 。这利一传感器能实时监测绝缘材料的介电常数的变化，然后按照 水分与介电常数和传导率的校准曲线计算绝缘材料内的含水量。这种方法能实 现在线测量。 1 3 国内绝缘材料干燥过程的研究状况 目前国内在绝缘材料干燥过程方面的研究，其工艺过程主要按国外方案进 行。l - q 前，我国绝缘材料干燥方法主要有：真空法、喷油法、气相干燥法。 我国目前的绝缘材料真空干燥工艺中大多采用真空法。真空法根据供热方 式不同又可分为辐射供热、热空气循环供热、热接触供热和电加热等。我国目 前以辐射供热为主。这种方法的传热手段主要靠辐射，特别是在“高真空”阶 段，几乎完全依靠辐射传热。出于绝缘材料存在局部过热的危险性，因而干燥 罐壁的温度受到限制，单位时间内传递的热量也受到限制。因此干燥周期长， 能耗大，干燥质量难以控制j 。 热循环空气供热的干燥工艺”l 和变压法干燥工艺1 2 - 4 1 分别利用热空气和被 干燥零件释放的水蒸气作为传热介质进行传热，使被干燥零件受热均匀，缩短 了干燥周期。但它们的干燥终点判断仍存在一定的问题。 喷油法与热空气供热方式相似，只是循环介质和加热介质不是空气，而是 变压器油。这种方式可以利用更有利的材料特性系数，因此传热更加迅速。但 是这种工艺相对热空气投资大、工艺复杂。 目前比较先进的干燥工艺是气相法，利用煤油作为传热介质的干燥法。这 种方法的优点是在无氧存在的真空下进行于燥，在很大程度上避免了绝缘材料 的过早老化：罐内的无氧气体能达到较高的干燥温度，能大大缩短干燥工艺的 时恻；且各部件能得到均匀的干燥：另外煤油还具有很好的清洗效果。但是这 第一章绪论 种干燥设备所需投资大，技术要求高，而且对环境有污染。 以上干燥工艺各有优缺点，但它们具有一个共同的急待解决的问题，那就 是真空干燥工艺过程的判定。真空干燥工艺过程的判断是电力设备生产的重要 环节，正确地判断有利于保证产品质量，合理的利用资源，过早的结束干燥处 理，会使绝缘材料含水量、含气量偏高，造成产品介质损耗因数、局部放电量 偏高，严重时会达不到质量要求，干燥不充分，也会影响产品的使用寿命；如 果干燥时间过长，会浪费大量能源，增大了产品的生产周期和制造成本，而且 长时间的高温干燥，对绝缘材料也有一定的损害。为此，正确地判断绝缘材料 干燥程度极为重要。目前我国在绝缘材料真空干燥过程中常用的干燥过程判定 方法有： 一、低真空干燥阶段的终点判定 时问估计法。通过长期积累的经验确定干燥终点。当压力降到经验值时， 维持一定的干燥时间，低真空干燥阶段结束【5 j 。 冷凝器放出水量法。在真空系统中冷凝器冷却效果好的情况下，观察冷 凝器的放出水量，一直到不出水为止。不出水表明材料内的水分蒸发基本完毕， 低真空干燥阶段结束j 。 压差法。使用麦氏计和电阻真空计测量真空度，利用麦氏计只能测容器 内永久性气体的分压强，而电阻真空计可测全压强的特点，当它们所测的数据 之间的差距越来越小，而且趋于某一稳定的值，即可判定低真空干燥阶段结束。 该方法既不能实现直接测量，也不易实现在线测量p “。 监测绝缘材料的介质损耗角、绝缘电阻值法。在干燥过程中不断测量绝 缘材料的介质损耗角和绝缘电阻值，当其蓝线出现拐点时，说明大量水分已经 除去，低真空干燥阶段结束p j 。 二、高真空干燥阶段的终点判定 时问估计法。从低真空干燥阶段进入高真空干燥阶段后，从压力降到 经验值开始，延续一定的干燥时间，就认为最终干燥结束。利用干燥时间确定 干燥终点，控制系统的设计容易，流程简单。但这种方法存在许多不完善之处， 因为工件结构或使用材料不同或绝缘材料初始状态不同，其干燥时间不同，以 处理时间来决定工艺终点是不可靠的【5j ，往往需要利用露点仪( 或水分压装嚣) 来决定工艺终点。由于这种仪器的测量数据不能被计算机采集，所以不能实现 在线检测，其工艺终点往往需要人工干预。 静念升压法l2 1 。当干燥罐内真空度达到了干燥终止压强时，关闭主阀门， 在规定的时间内，测量真空度的变化，再利用此二值来判断变压器的干燥是否 合格。若不合格，继续抽气，过一定时间再按上述方法进行终点判断，直至合 格。这种方法虽然能够在线测量，但是因为要反复关闭主阀门等待，所以耗时 多，效率不高。况且干燥终止压强、时问段选择、真空度改变量等同样是在一 定条件下确定的，若初始条件不同，效果也不尽相同。 第一章绪论 卡尔一费休法( 化学试剂法) 。即利用k f 试剂对水的专一性和当量 性测定干燥后绝缘材料的微量水分。该方法能够实现直接测量固体绝缘材料内 部的水分含量，但要在干燥之后，将样品取出才能测量，所以不能实现在线测 量【7 8 7 2 0 i 。 综上所述，目前的干燥终点判断法大多停留在经验上，工艺参数往往偏于 保守造成工艺周期长、能耗大、生产效率低、成本高。这种状况必然导致企 业在激烈的竞争中处于劣势。为提高产品质量，优化干燥工艺过程，并实现降 耗、节能、省时、高效，必须寻求新的技术、新的手段。 1 4 本课题的来源及研究内容 为实现以上的目的，我们应寻求一种能直接反应绝缘材料在干燥过程中各 点水分含量的方法。研究一种能直接测量干燥罐内微水分含量并准确判定工件 绝缘材料的含水量，并能被计算机采集出数据的检测仪器。如今微机的使用为 我们提供了这种可能。 本课题来源于安徽省科技厅重点项目“电工绝缘材料真空处理过程微水分 测试技术的研究”( 编号：0 0 0 2 2 0 3 7 ) 。本文研究的是其中的一个子课题。 本文研究的主要内容是： ( 1 ) 绝缘材料真空干燥过程及原理。 ( 2 ) 分析各种水分分析的方法并寻优。 ( 3 ) 绝缘材料微量水分的检测方法与实施手段。 第二章绝缘材料干燥过程中微量水分分析基础 第二章绝缘材料干燥过程中微量水分分析基础 本项研究是为了实现绝缘材料干燥过程的在线实时监测，能够在干燥的任 意时刻了解绝缘材料内部的水分状况，从而优化干燥的工艺过程。为此必须首 先了解水分对绝缘材料性能的影响，绝缘材料的干燥过程；在此基础上，寻求 干燥过程中的传热传质规律，确定干燥过程中绝缘材料内部水分含量与其周围 空间的湿度之间的关系；然后利用微量水分传感器及测量仪器获取水分信号， 再经数据处理得到材料内部水分含量。整个工艺过程实现微机实时监测。 2 1 水分的概念“”2 ” 水分一般指存在于液体和固体中的被吸收、溶解或被吸附的水；湿度是指存 在于气态中的水( 水蒸气) 的含量；而常规多孔介质所含液体及其蒸汽的总质量， 专门称为含湿量。由于我们所研究的绝缘材料可以认为是多孔介质，所以本研究中 的湿度与水分这两个概念可以统一了。 根据道尔顿分压定律，由理想气体或蒸汽组成的混合气体的总压强等于占 有等体积的各气体或蒸汽组分的分压力之和。这样，混合气相中水蒸气的体积 含量与混合气体中水蒸气的分压强( 水分压) 就有了完全相同的意义。因此， 所有关于湿度的研究、讨论，都可以简化为对混合气体中水分压的讨论研究； 而所有关于湿度的定义、表示方法和单位，也都可以用水分压来表示。 一般来说湿度可以分为两大类。一类是绝对湿度，其物理意义就是单位体 积混合气体中水蒸汽的含量。属于绝对湿度的单位有：磅立方英寸或克立方米、 露点( 或霜点) 温度、p p m v ( p p m w ) 、水分压、混合比等：另一类是相对湿度。 其表示方式有湿球温度、相对湿度等。 ( 1 )水分压气相中水蒸气的分压强。其所用单位有帕( p a ) 、巴( b a r ) 等。 ( 2 ) 绝对湿度单位气体体积中水蒸气的质量。其所用单位为磅，立方英 寸或克立方米。 ( 3 ) 露点( 霜点) 露点是一种饱和温度，单位为，当气体在恒压下冷 却到这一温度时，就达到了相对水的饱和水蒸气压，气体就出现了第二相：液 态水；若达到了冰的饱和状态，所出现的第二相为固态冰，则为霜点。 ( 4 ) p p m 。( p p m w ) 混合气体中，水蒸气的体积( 或重量) 与于燥气体 的体积( 或重量) 之比。其数值相当于水分压与干燥载气分压强之比，在实际 计算中，由于水分压很小，所以分母常以总压来计算。如果上述比值以重量来 计算，所得结果就是p p m w 。它与p p m v 之问可以互相换算。 第二章绝缘材料干燥过程中微量水分分析基础 ( 5 ) 混合比气体中水蒸气的重量与干燥载气重量之比，在数值上为p p m 。 x 1 0 6 。 ( 6 ) 相对湿度混合气体中实际水分压与环境温度下和蒸汽压强的比值， 所用单位为r h 。 以上湿度单位在低湿时的换算见下表 表2 - 1 各湿度单何换算表 t a b 2 1t h ec o n v e r s i o nt a b l eo fv a r i o u sh u m i d i t yu n i t s 露饱和水混合比绝对湿度体积比重量比重量比相对湿 占 蒸汽压( 空气)( 2 0 ) p p m v ( s f 。) ( f 。：)度( 2 0 ，、 p a g k gg mp p m ,p p m ,) 一3 81 6 0 8 0 50 0 9 8 7 3o 1 1 8 91 5 8 71 9 5 82 3 6 50 6 1 5 0 一4 01 2 8 4 8 60 0 7 8 8 80 0 9 4 9 71 2 6 81 5 6 41 8 8 90 5 4 9 4 4 21 0 2 2 6 60 0 6 2 7 80 0 7 5 5 91 0 0 91 2 4 51 5 0 4 4 48 1 0 7 3 60 0 4 9 7 7 0 0 5 9 9 28 0 0 29 8 7 01 1 9 2 4 66 4 0 1 1 40 0 3 9 3 0 0 0 4 7 3 16 3 1 87 7 9 39 4 1 3 4 85 0 3 2 9 00 0 3 0 9 00 0 3 7 2 04 9 6 76 1 2 77 4 0 1 5 03 9 4 0 1 70 0 2 4 1 9 0 0 2 9 1 23 8 8 94 7 9 75 7 9 4 5 23 0 7 1 1 30 0 1 8 8 50 0 2 2 7 03 0 3 l3 7 3 94 5 1 6 5 42 3 8 2 9 60 0 1 4 6 30 0 1 7 6 12 3 5 22 9 0 13 5 0 4 5 61 8 4 0 4 20 0 1 1 3 0 0 0 1 3 6 01 8 1 62 2 4 l2 7 0 6 5 81 4 1 4 6 30 0 0 8 6 8 4 o 0 1 0 4 61 3 9 61 7 2 22 0 8 0 6 01 0 8 2 0 30 0 0 6 6 4 2 0 0 0 7 9 9 81 0 6 81 3 1 71 5 9 1 2 2 绝缘材料含水量对其性能的影晌 绝缘材料的性能在很大程度上取决于水分的含量。一般情况下纸的湿度为 6 - 8 ，其- i 】一部分水凝聚在纸里面或纸表面，另一部分被i 吸附，极少部分最终 被化合。绝缘材料内含水量每增加一倍，其机械寿命降低一半；纸的热恶化率与 它的水含量成正比。 嘲体绝缘材料的性能包括导电性、极性、损耗、电击穿等，在外电场的作 用下，介质材料的含水量对其性能有很大的影响1 2 4 。“。 电介质材料的导电性表现在电阻率上。在介质材料的加工、储存、运输过 程中，不可避免地会有少量水分浸入，使电介质增加了导电离子，水又促进了 杂质及极性分子的离解，因此其绝缘电阻随温度的增大而下降，对多孔性材料 如纸等的影响尤其显著。一些亲水物质，如离子晶体，极性材料等容易在表面 形成连续的水层，使表面电阻降低。若介质溶入气体，在高电场的作用下，电 第二章绝缘材料干燥过程中微肇水分分析基础 予碰撞电离使电离密度呈指数上升，大大降低了其电阻率。 电介质的极化程度可用相对介电系数e ，表征。相对介电系数是电介质的电 容c 与真空中电容c o 的比值，即，= c c o 。绝缘介质材料吸湿后，e ，会增大。 工程上对绝缘材料要求不一样，一般地都要求有较小的e ，。 在交流电压作用下，电介质中的部分电能将转变为热能，这部分能量叫做 电介质损耗。衡量电介质损耗的参数是电介质损耗角正切t g6 。电介质吸湿后， 电导损耗增大，因而使t g6 增大，这对极性电介质或多孔材料影响严重，如纸 内水份含量由4 增加到1 0 时，其t g6 可增加1 0 0 倍。当电介质内部有气泡或 电极边缘电场集中时，一旦电压达到起始游离电压，会出现局部游离放电，使 t g6 突然显著增大。 在电介质上施加以电场强度高于临界值时，会使通过电介质的电流剧增， 电介质会发生破裂或分解，完全失去绝缘性能，从而产生电击穿。电介质含有 气泡时，一般是由电子碰撞电离所导致的电击穿。它符合巴邢曲线，而水分的 存在会大大降低击穿强度。另外，固体介质在卷制过程中真空处理的好坏对间 隙放电特性影响很大。在真空度高于1 0 。p a 范围内，击穿场强很高。但低于1 0 0 p a 时，击穿场强急剧下降。对于距离较小的真空间隙，常在阴极表面突出的地方 产生场致发射，使电极表面局部过热汽化破坏真空而引起放电。 综合评价水分、气体对电绝缘材料性能的影响，必须尽可能大地降低材料 中的含气量和含水量。而在真空状态下，材料可在最高允许温度下最大限度地 排出材料中的水分和气体，这就是为什么电工产品的绝缘材料都需要真空干燥 和脱气的原因。随着电工产品容量的增大和电压等级的提高，研究绝缘材料的 传热传质规律，在线监测其干燥过程中的含水量，为合理的真空处理提供理论 和实践依据就显得非常必要。 2 3 绝缘材料真空干燥过程分析 2 3 1 绝缘材料真空千燥的目的 大量的科学研究和工程实践证明：在真空下干燥绝缘材料及绝缘介质能改 进其电性能。真空干燥的主要目的就是为了最大限度地除去材料内的水分，当 然，干燥时材料内所含的气体也同时被除去。固体绝缘材料中的水分以三种形 态存在：一部分凝聚于介质的内部或表面，另一部分被吸附于介质中，还有很 微量的水分是以化学结合的形式与介质成为一体。前两种水分属于游离水，是 干燥所要排除的，而后一种属于结构水，必须保匿以维持介质材料的结构性能。 2 3 2 绝缘材料真空干燥过程 干燥过程中，湿分首先由材料内部迁移到表面，再经表面扩散到真空中， 最后出冷阱捕集吸收( 以使真空中的水蒸汽分压始终维持在较低水平) 。根据湿 含量的变化，一般可将干燥过程分为预干燥和最终干燥两个阶段。 第二章绝缘材料干燥过程中微最水分分析基础 1 ) 预干燥阶段：在这一阶段可除去大约7 9 的水份。剐，主要是松散附着 在材料上的凝聚态水。因此，关键在于有效的供热以蒸发这些水份。也就是说 蒸发水分的热量输送给绝缘材料越快，水分从绝缘材料中除去得也越快。为了 保证有效的供热，真空室内须保持较高的压力，从而利用空气的导热使绝缘介 质材料的温度迅速升高，加速蒸发， 2 ) 最终干燥阶段：在这个阶段中只有少量的水分留在绝缘材料内，这部分 水分牢固地吸附在材料上。因此除去这部分残余水分不再属于热问题，而属于 压力范畴的问题。由于吸附在纸中的残余水分，其蒸汽压力已不再和干燥温度 下的饱和压力相一致，而是远远低于这个压力。所以真空的使用不仅是加速蒸 发的一种手段，而且绝对必要。 气体和水分子在真空中的平均自由程与绝缘材料毛细尺寸相比较则是相当 大的，这说明降低压力会使纸张内的流体流动阻力变得越来越大，不言而喻， 绝缘材料的结构和厚度在这里起着关键作用。出于这种考虑，得出的结论是： 增大真空抽气机组的抽气速率以及提高用真空度对缩短最终干燥时间所产生的 影响并不明显。鉴于这种观点，必须根据具体情况决定所需抽气机组的设计容 量。 2 3 3 绝缘材料干燥过程的影响因素 对于绝缘纸和其他含有纤维质的绝缘材料而言，干燥过程综合运用加热和 抽真空的方法比较有效。如不考虑介质表面水分的直接蒸发，其干燥工艺过程 可视为一扩散工艺过程。因此影响干燥质量的主要因素有： ( 1 ) 温度及其在绝缘材料中的分布；温度的提高有利于水分的蒸发，原则 上千燥的温度应尽可能地高，实际过程中可允许的最高干燥温度由绝缘材料所 能接受的最高温度和该绝缘材料过热老化的条件确定。通常纸的允许最高温度 约为1 1 0 。为了达到均匀的干燥，温度应尽可能保持均匀。 ( 2 ) 绝缘层内部和外部环境间的水蒸汽分压差：绝缘材料的干燥过程就是 水蒸气分子从绝缘材料内部往周围空间扩散的过程。驱使水分向绝缘材料外部 迁移的动力主要是绝缘材料内部和周围空间的水蒸气分压差x p 。绝缘材料中的 水蒸气分压越高，周围空间压力越低，女j j a p 越大，绝缘材料中的水分蒸发、扩 散、迁移也就越快。所以关键在于如何增大p 。 ( 3 ) 绝缘材料的扩散系数：扩散系数取决于待干燥的材料，同时也受到温 度、压力和湿度的影响。 ( 4 ) 干燥时间。干燥时间主要取决于所要求的最终干燥质量。因此也取决 于绝缘材料所要求的残余含水量。这里主要考虑所使用的压力、温度以及现有 的绝缘材料及其状态。 必须强调指出，当绝缘内部的水蒸气分压和环境压力之差降到特定的最小 值以下时，再延长干燥时间是不可能经济地减少任何残余水分含量的。 第二章绝缘材料干燥过程中微每水分分析基础 2 3 4 提高绝缘材料干燥质量的手段 为了使绝缘介质内部和外部环境间有一较高的水蒸汽分压差，可以采取两 种措施： 1 ) 降低周围混合气体的压力 降低绝缘材料周围空间的水蒸气分压，即对干燥罐抽真空，罐内真空度越 高，周围空间压力也就越小，绝缘材料内水分子也越易蒸发。图2 1 所示为含湿 量与绝缘纸水蒸气分压的关系。从曲线中可知，与1 0 0 ( 2 绝缘纸含水量为0 1 相对应的水蒸气分压为l o p a ! ”。为了满足这个要求，真空系统的最终工作真空 度必须不高于这个压力。而在此条件下就可以使绝缘材料深处的水分很快释放 出来。但是测量时，在任何情况下都不可以将平衡蒸气压与般干燥过程中在 罐内的任意位置上所测得的压力作比较，这是因为从待干燥的绝缘材料内部一 直到测量点上始终存在一个压力差。这表示，干燥过程的真空度，即容器中的 真空度必须处于1 p a 1 0 。p a 的范围。 2 )提高绝缘材料的温度气体分子热运动原理告诉我们： p 。n k t ( 2 - 1 ) 式中：n 一一单位体积内的水詈 分子数； 马 k 一一玻尔兹曼常数，奁 u k - - 1 3 8x1 0 - 2 3 j k ； 耋 t 一一绝缘材料的绝对 ， 温度( k ) 。 由上式可知：要想加快绝缘材，” 料水分的蒸发，增加其分压强，必 须提高温度，也就是增加水分子的 。 动能w = k t 2 2 ，使其有足够的能量 从材料内逸出，变成蒸汽，加快蒸 发。同样，从图2 一l 上可以看出温 度升高，水蒸汽i 压升高。从原则上 讲干燥温度应尽可能的高，可是允 许的最高干燥温度则由绝缘材料 和其在热效应下的老化性所确定。 圈2 - 1 绝缘纸的水蒸气压温度曲线 f i 9 2 一lv a p e rp r e s s u r e t e m p e r a t u r ep l o t s f o rk a f tp a p e r 一般纸的允许最高温度约为1 1 0 。c 作为截止温度，在无氧气体中，此温度可以提 高到约为1 3 0 。c 。但是，干燥的温度应尽可能保持均匀，以使绝缘材料内部具有 较高的水蒸汽分压。 2 4 绝缘材料干燥过程中传热传质规律 第二章绝缘材料干燥过程中微最水分分析基础 关于绝缘材料干燥过程中的传热传质规律的研究也是本项课题的一部分， 主要由他人完成27 1 ，现对其简述如下。 2 4 1 数学模型 固体绝缘材料真空干燥的物理过程可归结为含湿多孔介质的两相流传热传 质问题。在作如下假设的基础上建立传热传质微分方程。 ( 1 ) 绝缘介质是体积均匀的，内部结构各向同性，并且在传热传质过程中 不发生变化，即绝缘介质的孔隙率和绝对渗透率维持不变； ( 2 ) 绝缘介质内部无化学变化发生； ( 3 ) 过程进行缓慢，流体和当地固体骨架随时处于热力学平衡； ( 4 ) 绝缘介质中毛细势远大于重力势，重力作用引起的湿分迁移可以忽略， 即介质为毛细多孔介质； ( 5 ) 传热传质是一维的，且垂直于绝缘介质表面； ( 6 ) 表面单元同时作用着相同的压力、温度和相对湿度； ( 7 ) 截面上的整个深度具有均匀的较低初始湿含量。 当不考虑介质中流体扩散引起的热效应时，介质内的导热微分方程可简化 为： 上竺：粤+ 盟( 2 - 2 ) ao t k k 水蒸汽的迁移主要是由于水蒸汽分压力差的存在引起的扩散迁移，考虑到 山于温度梯度引起的热质扩散，另外干燥过程巾液态水和气态水的迁移方向一 致，绝缘介质材料为单一材料，因此可用介质内湿含量的变化表征其湿分的迁 移规律，综合为： 謇= 昙( 琅塞) + 夏o 。( d o 舐t ) c ：， 式中：c 一介质内部湿含量，【k g k g 】。 d 。一一水蒸汽在介质中的质扩散系数， m 2 s 1 。 d ，一一热质扩散系数，【m 2 ( s k ) 】。 d 。、d ，为湿含量、温度和真空度的函数。 一一水蒸汽浓度， k m o l m 3 】： 介质表面与环境间的热质交换遵循能量守恒和质量守恒定律 表面能量守恒： g l + r 肌。= q 2 ( 2 - 4 ) 其中： q i ：一k 娑1 、 ( 2 5 ) 第二章绝缘材料干燥过程中微摄水分分析基础 q 2 = k 2 正+ 融疋+ h a t ( 2 - 6 ) 表面质量守恒： h c n + s - s , a t 2 = 一d 窘i ( 2 77 ) ( 饥 2 4 2 传热计算 式( 2 - 2 ) 描述了介质内部的传热规律，假设绝缘介质初始温度为，且分 布均匀：真空室温度为瓦，绝缘材料放入真空室后其表面温度突然升高到t l ( n o ，x = 0 ) m ) 表示x 处的温度。为求得传热问题的分析解，忽略式( 2 - 2 ) 源项，则简化为： a ta2 t _ = 口_ a出2 得介质内的温度分布为： m ) 2 一川j 一五) p 矿( 赤) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 中的内热 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 第二章绝缘材料干燥过程中微堵水分分析基础 或： 焉= e r f ( 意) ( 2 - 1 1 a ) 图2 2 表示t , = 8 0 。c ，t o = 2 0 。c 时按照( 2 - 1 1 ) 式计算得的纸绝缘介质内部 的温度分布。由图中可以看出，刚开始由于温度差比较大，介质的温度上升很 快，随着时间的推延，其上升幅度逐渐减小，温度分布逐渐趋于均匀；而接近 表面处的温度上升又明显快于内部，一小时后已基本趋于稳定。l c m 以内的温 度基本达到6 0 。c 以上。 2 43 传质计算 式( 2 - 3 ) 右边第一项表示等温传质，第二项表示热质传导，d 。和皿分别 概括了湿度梯度和温度梯度对传质的影响。实验表明，一般d ，的值极小1 3 5 】1 3 6 】， 可以忽略。根据c r a n k 的研究，可将其转化为固体绝缘介质中水分非线性扩散 的潮气动力学过程： 丝：旦f d 堡1 ( 2 1 2 ) a西l 巩 式中d 为有效扩散系数，与绝缘介质的结构特性、湿含量、温度等因素有 关。 图2 - 3 介质内的湿含量分布图 f i g 2 - 3s c h e m a t i c ss h o w i n gt h em o i s t u r ec o n c e n t r a t i o ni ni n s u l a t i o 第二章绝缘材料干燥过程中微龌水分分析基础 研究双面传质模型。假设扩散系数d 为常数，则扩散方程转化为 堡：d 氅 a0 f 初始条件：c 似) = c o( t = o ，一d x d ) 边界条件为：h e ：一d 娄( ， o ，x ：- d ) o x 解得湿含量分柑为 ( 2 一1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) 。蔷螽- b2 蠢d t 湍 弦 图2 - 3 表示绝缘材料内的湿含量分布曲线，其中：c o = 8 ，d = 3 1 0 击m 2 小时，d = 5 m m ，b ，取前五项。出于模型关于中心面( x = 0 ) 对称，而且两侧表 面的湿含量和质量迁移系数相同，所以介质内湿含量是对称分布的，图中只示 出了右半部的湿含量分布。可以看出，湿含量随时问的变化比较均匀，这与假 设d 为常数有关。 山上述传热传质分析可以看出在绝缘材料干燥过程中，如果能测得不同温 度下，材料周围的水分分布状况，就可以通过曲线获得材料内部各点的水分分 布情况。 另外由文献【2 8 】可知，纸中含水量与其干燥过程中平衡蒸汽压力呈指数关 系，假定1 克纸在水蒸气压力p 的条件下，吸收的水量为q ，它们之间应满足关 系式： q = a p “( 2 - 1 7 ) 式r i | 。为与温度有关的常数。 因此研究绝缘材料真空干燥过程中水分分析的关键是寻找正确的水分分析 方法，并加以实施。 2 5 常用水分分析方法 湿度测量技术已有2 0 0 多年的发展史，国内外水分分析的方法很多，归纳 起来主要有以f j l 大类2 9 圳】： ( 】) 重量法 ( 2 ) 化学分析法一一主要是指卡尔费休法。 ( 3 )电化学及电子学方法一一主要有电容法和微波法。 ( 4 ) 露点法 ( 5 ) 光学方法一一主要是指红外光谱法。 ( 6 ) 气相色普法 现对各种水分分析方法的原理及其优缺点作如下分析： ( 1 )重量法是一种经典的测量方法。让所测样气流经某一干燥剂，其所 第二章绝缘材料干燥过程中微龄水分分析基础 含水分被干燥剂吸收，精确称取干燥剂吸收的水分含量，与样气体积之比即为 样气的湿度。该方法的优点是精度高，最大允许误差可达o 1 ；缺点是具体操 作比较困难，尤其是必须得到足够量的吸收水分的质量( 一般不小于0 6 9 ) ，这 对于低湿度气体尤其困难，必须加大样气流量，结果会导致测量时间和误差增 大。因而该方法只适合于测量露点3 2 。c 以上的气体。由以上分析可知，重量法 的关键是怎样精确测量干燥剂吸收的水分含量，因为直接测量比较困难，由此 产生了两种间接测量吸收水含量的方法。 电解法：将干燥吸收的水分经电解池电解成氢气和氧气，电解电流的大小 与水分含量成正比，通过检测该电流即可测得样气的湿度。采用该方法的典型 仪器是e d g e t e c h 公司的l c 型微水仪和杜邦公司的m 3 0 3 及成都仪器厂的u s i 系列产品。 振动频率法：将重量法中的干燥剂换用一种吸湿性的石英晶体，根据该晶 体吸收水分质量不同时振动频率不同的特点，让样气和标准干燥气体流经该晶 体，因而产生不同的振动频率差“和f 2 ，计算两频率之差即可得到样气的湿 度。该方法具有电解法一样的优点，且使用前勿需干燥，典型代表仪器是美国 a m e t e k 公司的5 6 0 b 。 ( 2 )卡尔费休法是1 9 3 5 年卡尔费体提出的测定水分含量的方法，其 主要原理是如下化学反应方程： 1