煤油氣相真空干燥法原理及工藝改進

阮勢偉

（廣西柳州特種變壓器有限責任公司，廣西 柳州545006）

0 引言

變壓器絕緣干燥處理是其制造過程中非常重要的工序，干燥工藝的好壞直接影響到產(chǎn)品的性能和使用壽命。變壓器的電氣強度、介質(zhì)損耗在很大程度上依賴于絕緣材料的絕緣強度，而絕緣材料的絕緣強度與材料中水分的多少有很大關(guān)系，當絕緣件中的水分大于1%時，就會加快絕緣件的老化速度，甚至造成產(chǎn)品試驗不合格。減少水分的主要途徑就是干燥處理，目前干燥處理最有效的方法是煤油氣相真空干燥法。

1 絕緣材料干燥原理

變壓器干燥的目的就是除掉絕緣件中的水分。絕緣件以紙板為主，紙板的主要成分是纖維素。變壓器絕緣材料中的水分都是以毛細吸附形式存在。第一階段：表面干燥，特點是在紙表面的水分以均勻速度蒸發(fā)，速度快，易干燥，時間短。第二階段：內(nèi)表層干燥，特點是干燥由外向內(nèi)一層干了之后再干另一層。干燥速度減慢，蒸汽必須穿過已經(jīng)干燥了的紙層的毛孔向外散發(fā)。擴散路徑隨含水量減少而變長，還要不斷克服水分子和紙分子的吸引力。第三階段：深層次干燥，特點是紙板含水量較低，水分子在克服紙分子二次結(jié)合力時所需能量越來越大，速度更慢。當含水量與周圍大氣含水量平衡時，水分就不再下降。由此看出，要使絕緣干燥達到技術(shù)要求，必須讓水分由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，再通過絕緣材料內(nèi)部與外圍的環(huán)境壓力差（即水蒸氣分壓差）把水分排出，水蒸氣分壓差越大，出水越快，干燥速度就越快。而要實現(xiàn)水分變?yōu)闅鈶B(tài)，可以通過降壓（抽真空）和加熱來實現(xiàn)。

提高環(huán)境的真空度，可使水汽化溫度降低，如在1個標準大氣壓（101 325 Pa）下，水的汽化溫度是100℃；當氣壓降到30 397 Pa時，水的汽化溫度是68℃；再降到10 132 Pa時，水的汽化溫度只需要45℃。相同壓力下，溫度越高，水蒸氣分壓差越大；相同溫度下，真空度越高，水蒸氣分壓差也越大?？梢?，提高加熱溫度和真空度是比較有效的干燥方法，而煤油氣相真空干燥工藝就可同時滿足這2個條件。

2 煤油氣相真空干燥的原理

煤油氣相真空干燥是用特種煤油蒸汽為載熱介質(zhì)，利用相變換熱原理加熱并清洗變壓器器身，使變壓器絕緣的出水量達到一定的要求值，來實現(xiàn)變壓器身的干燥處理，特別適合于110 k V電壓等級及以上產(chǎn)品的干燥處理和返修變壓器的處理。該方法具有以下4個優(yōu)點：（1）加熱溫度高。整個干燥過程完全在無氧的環(huán)境中進行，因此可以將干燥溫度提高到130～135℃。雖然只比傳統(tǒng)真空干燥溫度提高20℃，但卻使絕緣件內(nèi)的水蒸氣分壓差提高了2倍以上，從而使絕緣干燥處理最終的含水量更低。（2）加熱速度快，絕緣出水快。以煤油蒸汽作為載熱介質(zhì)，除用對流換熱方式對絕緣加熱外，還在絕緣材料表面發(fā)生相變冷凝放熱，凝結(jié)后的煤油又在絕緣材料的表面進行膜層換熱，因此加熱速度快。（3）溫度分布均勻。熱交換可以在所有被干燥物體的表面上進行，在越冷的地方冷凝進行得越快。而熱風循環(huán)加熱時，必須給載熱介質(zhì)以循環(huán)通路，產(chǎn)品的一些死角空間難以加熱。氣相干燥是具有相變的換熱，對于死角空間進去的是氣相，冷凝放熱后出來的是液相，不需要十分暢通的循環(huán)通路便可將這些死角空間均勻地加熱。另一方面，凝結(jié)成液體的煤油，可以攜帶著熱量進入絕緣材料內(nèi)部，使得絕緣材料的深層溫度分布也比較均勻。（4）清潔器身。煤油可以清洗繞組和器身上積聚的塵土和臟污，這些塵土和臟污絕大部分是在加熱階段被冷凝煤油帶走的，特別是還能使繞組上的油分分解并將其洗掉，所以對器身有良好的清潔作用。由此看出，煤油氣相真空干燥法對變壓器具有良好的干燥特性，缺點就是該設(shè)備與傳統(tǒng)的干燥設(shè)備相比，造價高、結(jié)構(gòu)復雜、操作要求比較高、工藝參數(shù)多等。

3 煤油氣相真空干燥工藝過程及改進措施

3．1 準備階段

把蒸發(fā)器加熱至指定溫度（70℃以上），用真空機組將真空罐抽至700 Pa。這個階段一般需要2 h左右。

3．2 加熱階段

此階段加熱系統(tǒng)啟動，蒸發(fā)器產(chǎn)生的煤油蒸汽對變壓器器身進行加熱。在加熱過程中溫度不斷升高，真空罐內(nèi)的水蒸氣含量不斷增加，罐內(nèi)的壓力也不斷增加。這時要開啟真空泵，通過冷凝收集罐對真空罐抽真空，維持收集罐和真空罐的壓差。在實際操作中，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的2臺旋片真空泵經(jīng)常出故障，影響生產(chǎn)，經(jīng)過研究分析，認為在加熱階段，大約可以排除90%的水分，同時該階段也應對器身中的粉塵進行清除，特別是應當修理的變壓器，器身里雜質(zhì)特別多，會有大量油水混合物和雜質(zhì)進入真空泵，從而不利于設(shè)備的運行。因此，我們考慮在加熱階段用液環(huán)真空泵代替原來的旋片真空泵工作，該泵比較適合加熱階段的工況，既能滿足抽真空的目的，又可保護旋片真空泵。

加熱階段加熱時間的長短主要與絕緣結(jié)構(gòu)、絕緣重量和器身總重量有關(guān)，可根據(jù)運行經(jīng)驗靈活地掌握和處理。為了提高工作效率，保證工作質(zhì)量，我們對該工序做了以下改進：（1）在加熱階段時間分配上，我們剛開始按總時間的1／3左右分配，后來經(jīng)過多次調(diào)整，發(fā)現(xiàn)把加熱時間延長到整個干燥時間的60%左右，可使整個干燥時間縮短10%～15%。如對幾臺ZHSFPTB－93700／220產(chǎn)品分別進行干燥，加熱階段時間分別設(shè)置在30 h、33 h、37 h，到干燥結(jié)束所用的總時間分別為75 h、67 h、62 h，而且最后的參數(shù)分別為：真空度45 Pa、42 Pa、39 Pa，露點溫度－50℃、－55℃、－58℃。（2）蒸發(fā)器的溫度調(diào)整：在加熱階段，我們把蒸發(fā)器的溫度從120℃提高到135℃，發(fā)現(xiàn)溫度升得較快，再配合2次中間降壓，可使時間縮短，器身溫度也比以前升高了10℃多，理論上說明干燥效果要好于以前。原因如下：只有在加熱階段盡可能地把水分脫出來，才能保證在干燥的高真空階段絕緣材料溫度不會因水分蒸發(fā)而大幅度降低。絕緣件中狹長通道研究已表明，這一區(qū)域的溫度基本在加熱階段就穩(wěn)定下來了，絕緣材料縫隙通道在下一階段由于煤油蒸汽冷凝減少或沒有，傳導給絕緣件的熱量只相當于水分蒸發(fā)帶走的熱量，內(nèi)在溫度不可能再升高，盡管變壓器表面的平均溫度還在升高。（3）溫度的控制：在濕度較大的時候，鐵心出現(xiàn)過生銹現(xiàn)象。原因是加熱前期，溫度控制不好，鐵心的溫度與器身溫度相差太大，器身上的水蒸氣在鐵心上冷凝，造成鐵心生銹。經(jīng)過調(diào)整，在加熱前期溫度上升速度控制在15～20℃／h，鐵心上下溫差控制在30℃內(nèi)，就會消除鐵心生銹現(xiàn)象，特別是對于焊接工作量大、水分多的產(chǎn)品要更加注意。（4）加熱階段結(jié)束條件：器身溫度在120℃以上，鐵心溫度在115℃以上，連續(xù)4 h出水量很少的情況下可結(jié)束。

3．3 降壓處理階段

停止送煤油，蒸發(fā)器系統(tǒng)停止工作，對真空罐抽真空，把遺留在器身上的煤油變?yōu)檎羝槌?，提高真空度，降壓前真空罐?nèi)的壓力大約10 000 Pa，降壓后真空度≤2 500 Pa。結(jié)束條件：真空壓力≤2 500 Pa，基本沒有冷凝液生成，時間（一般需要3～6 h）到可結(jié)束。

3．4 高真空處理

進一步提高真空罐的真空度，使絕緣件內(nèi)的水分和煤油進一步蒸發(fā)，達到徹底干燥器身的目的。結(jié)束條件：露點達到設(shè)定值（－40℃）以下，真空度達到設(shè)定值（一般50 Pa）以下，設(shè)定時間到。

從實踐經(jīng)驗看，如果加熱階段進行得比較好，此階段真空度值和露點值會很快達到要求；反之，這2個數(shù)值提升會很慢很艱難，甚至達不到要求。

4 結(jié)語

采用煤油氣相真空干燥法來干燥變壓器器身，是比較先進的工藝，也是目前大型變壓器廠家必用的工藝方法。制定參數(shù)時，只有熟悉此設(shè)備的原理、性能和結(jié)構(gòu)特點，總結(jié)運行經(jīng)驗，才能得出合理的工藝參數(shù)，達到既能節(jié)約能源、提高效率，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

［1］徐成海，張世偉，關(guān)奎之．真空干燥［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2004

［2］趙靜月．變壓器制造工藝［M］．北京：中國電力出版社，2009

［3］王常林．簡介變壓器幾種干燥方法［J］．化工施工技術(shù)，1993（2）

［4］陳新力．現(xiàn)代煤油氣相干燥工藝及設(shè)備（下）［J］．變壓器，1998（1）