變壓器微水在線控制與延長變壓器壽命技術(shù)的研究

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(1.國網(wǎng)瀘州供電公司，四川 瀘州 646000；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

眾所周知，油浸式變壓器的壽命主要是由絕緣材料的老化程度決定的。據(jù)統(tǒng)計，因各種類型的絕緣故障引起的事故約占全部變壓器事故的85%以上[1-3]。根據(jù)國外理論計算及實驗研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)油浸式變壓器始終保持在干燥狀態(tài)且溫度持續(xù)在95 ℃，理論壽命將可達(dá)400年[4]。而制造廠的設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)，一般把變壓器的預(yù)期壽命定位30年,運(yùn)行實例表明，維護(hù)很好的變壓器，實際壽命能達(dá)到50～70年[5]。因此，保持變壓器的正常運(yùn)行并加強(qiáng)對絕緣系統(tǒng)的合理維護(hù)，可以有效地保證變壓器具有較長的使用壽命。

變壓器油中微水含量是影響變壓器絕緣強(qiáng)度的最重要因素，油的絕緣強(qiáng)度將隨油中含水量的增加而快速下降。監(jiān)測變壓器油中微水含量，不僅可以防止變壓器絕緣系統(tǒng)的絕緣強(qiáng)度降低至危險水平，同時可以對變壓器整體絕緣狀況進(jìn)行評估[6-9]。近年來，對變壓器微水含量在線監(jiān)測的研究日益受到重視，微水在線監(jiān)測設(shè)備逐步在電力系統(tǒng)中投入使用。但是目前國內(nèi)集變壓器微水在線監(jiān)測與處理的設(shè)備在電力系統(tǒng)運(yùn)用還非常少，下面介紹了變壓器微水在線監(jiān)測與處理系統(tǒng)在國網(wǎng)瀘州供電公司的運(yùn)行情況，研究了分子篩吸附技術(shù)在控制變壓器油的微水含量，提高絕緣性能、延長壽命方面的作用。為減少員工工作量、提高變壓器的智能化水平等方面提供了有益的參考。

1 微水對變壓器絕緣性能的影響

變壓器的絕緣性能主要是靠變壓器油和絕緣紙的共同作用。純凈干燥的變壓器油極易吸潮。水在變壓器油中有兩種存在形式：懸浮狀態(tài)和溶解狀態(tài)。一般而言，變壓器油中水分含量的增加，會使得絕緣油的擊穿電壓逐漸降低，從而影響絕緣油的絕緣特性。此外，由于絕緣紙的主要組成是纖維素，分子式為(C6H10O5)n，其中n為聚合度，表示纖維素是由多少個葡萄糖基構(gòu)成，一般新絕緣紙的聚合度為1 200～1 800。干燥絕緣紙的強(qiáng)度主要取決于纖維的狀況、強(qiáng)度及其化學(xué)鍵，絕緣性能穩(wěn)定。由于纖維素分子結(jié)構(gòu)中存在氫氧根，即羥基，而纖維素的無定形區(qū)，鏈分子中僅有部分羥基形成氫鍵，而其余均以游離羥基存在。由于羥基是極性基團(tuán)，易于吸附極性的水分子，在水份存在的情況下，極易與吸附的水分子形成氫鍵結(jié)合，因此絕緣紙和紙板的吸濕能力比變壓器油大得多。與此同時，由于纖維素大分子的葡萄糖基以β-苷鍵聯(lián)結(jié)，使纖維素大分子對水解作用的穩(wěn)定性降低，在酸或高溫條件下與水作用吋，可使苷鍵斷裂，纖維素大分子鏈長度降低，從而使固體絕緣發(fā)生降解。因此纖維絕緣材料中所含水分越多，纖維素水解速度越快，即絕緣紙的老化速率越快，從而嚴(yán)重危及絕緣紙優(yōu)異的絕緣性能，對變壓器的絕緣系統(tǒng)造成致命的破壞[10，11]。相關(guān)資料表明：含水量為1%的絕緣紙的老化速 率 是 含 水 量 為0.1%絕緣紙的10倍;在變壓器運(yùn)行溫度下，含水量為4%的絕緣紙的老化速率是含水量為0.5%的絕緣紙的20倍;絕緣紙中水份含量每增加0.5%，纖維素絕緣的壽命縮短為原來的一半。

此外，水是強(qiáng)極性液體，易向高場強(qiáng)區(qū)聚集，因此在變壓器最危險的高場強(qiáng)區(qū)反而聚集了大量的水分，但其介電常數(shù)比紙和油高得多，所以當(dāng)變壓器負(fù)荷發(fā)生突變時，就極易形成極性通道，導(dǎo)致變壓器發(fā)生故障的概率大大增加。另外，固體絕緣含水量増加，會増加損耗和漏電流，從而使變壓器發(fā)熱，運(yùn)行溫度升高，加速絕緣材料的老化，降低變壓器使用壽命。

綜上所述，水分是決定變壓器油絕緣性能的重要因素，被認(rèn)為是變壓器油紙絕緣老化的“頭號殺手”。因此如何檢測和控制變壓器油中水分含量是保證變壓器安全運(yùn)行，延長使用壽命的關(guān)鍵措施。

2 分子篩吸附的基本原理

圖1 分子篩晶體微觀結(jié)構(gòu)

分子篩是一種包含有精確和單一的微小孔洞的材料，可用于吸附氣體或液體，通常分子篩分子由鋁硅酸鹽礦組成。晶體具有蜂窩狀的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，晶體內(nèi)的晶穴和孔道相互溝通，并且孔徑大小均勻、固定，與通常分子的大小相當(dāng)。只有那些直徑比較小的分子才能通過孔道被分子篩吸附，而構(gòu)型龐大的分子由于不能進(jìn)入孔道，則不被分子篩吸附。特定的分子篩對水有較強(qiáng)的吸附能力，即使在很低的分壓或溫度下仍有相當(dāng)高的吸附容量，一個分子篩能吸附高達(dá)其自身重量22%的水分。具有吸附容量高、吸附速度快、熱穩(wěn)定性能好、操作循環(huán)穩(wěn)定、與液體接觸不碎裂等特性。

分子篩吸附小于它孔徑的分子，通過選用合適的分子篩類型，除水以外的所有流體成分都可以不被吸附，免除了共吸附的問題。由于沒有這種共吸附的作用，更加提高了吸水性能。同時，由于分子篩具有優(yōu)良的再生特性，水合的分子篩在特定的條件下活化時迅速脫水，活化后的晶體又可以可逆地吸水，循環(huán)再利用。

3 變壓器微水在線控制實例

為了保障老舊變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，延長重負(fù)荷變壓器的運(yùn)行年限，國網(wǎng)瀘州供電公司從美國引進(jìn)基于分子篩吸附技術(shù)的變壓器微水在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)，其工作原理如圖2所示。

圖2 微水在線控制系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)由3個(根據(jù)需求)干燥罐組成，每個干燥罐中含有一種專門設(shè)計的高吸附性材料。當(dāng)變壓器油從干燥罐中流過的時候吸除其中的溶解水分，變壓器絕緣材料中的水分隨著油循環(huán)通過干燥罐時基本上被吸收；與此同時，由于該分子篩的孔徑僅適合水分子通過，而氣體分子由于體積大，則不會被吸附。此外，這種高吸附性分子篩材料只有在溫度加熱到180 ℃的時候才有水分子釋放出來，因此吸附性能穩(wěn)定，且能循環(huán)利用。

圖3 微水在線控制系統(tǒng)現(xiàn)場圖

通過前期對1號主變壓器的建模分析、設(shè)計和后期制造，2013年11月16日，成功安裝在瀘州220 kV楊橋變電站1號主變壓器(型號：SFPSZ8-120000/220，生產(chǎn)廠家：保定變壓器廠，投運(yùn)時間：1998年11月)上并順利投運(yùn)，如圖3所示，截止到目前為止，該系統(tǒng)運(yùn)行正常。

4 實驗結(jié)果與分析

國網(wǎng)瀘州供電公司試驗人員對該系統(tǒng)進(jìn)行了長期跟蹤取樣分析，試驗結(jié)果如下。

4.1 微水含量分析

變壓器油的微水含量分析結(jié)果如下(注：進(jìn)口離線數(shù)據(jù)是指微水在線監(jiān)測與處理裝置的油樣入口處的取樣分析結(jié)果，反應(yīng)了變壓器本體微水的含量；出口離線數(shù)據(jù)是指在微水在線監(jiān)測處理裝置的油樣出口處取樣分析的離線測試數(shù)據(jù)，下同)。

圖4 1號變壓器油微水含量趨勢圖(單位：mg/L)

從圖4可以看出，該裝置自投運(yùn)以來，持續(xù)在線運(yùn)行，截止到2014年1月23日，進(jìn)口離線數(shù)據(jù)(變壓器本體油微水含量)從最初的9 mg/L逐步下降至3.8 mg/L。經(jīng)過微水在線監(jiān)測與處理系統(tǒng)處理過的微水含量從6.5 mg/L持續(xù)下降至2.9 mg/L，效果明顯；同一時間段內(nèi)微水處理系統(tǒng)進(jìn)口與出口初微水含量差從2.5 mg/L下降至0.9 mg/L。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以判斷，該變壓器微水在線監(jiān)測與處理系統(tǒng)確實可以緩慢濾除變壓器油中的微水。進(jìn)口和出口微水含量差在逐漸減小，說明該系統(tǒng)中的分子篩吸附劑還在起作用，吸附能力逐漸趨向飽和。

圖5 1號變壓器油微水含量趨勢圖(單位：mg/L)

從圖5可以看出，微水在線數(shù)據(jù)表明，變壓器本體微水從安裝之日起的10 mg/L，經(jīng)過微水在線監(jiān)測處理系統(tǒng)的處理，不到2個月的時間，微水含量下降到約4 mg/L。與圖4對比分析，可以看出離線測試數(shù)據(jù)與在線檢測數(shù)據(jù)基本一致。

4.2 擊穿電壓結(jié)果分析

變壓器油擊穿電壓取樣分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 1號變壓器油擊穿電壓趨勢圖

從圖6可以看出，微水在線監(jiān)測與處理系統(tǒng)進(jìn)口處變壓器油的擊穿電壓(可代表本體油的擊穿電壓)從安裝之日的61.6 kV上升至70.1 kV，提高了約8.5 kV，效果明顯，間接驗證了微水含量的降低；而該系統(tǒng)出口處的擊穿電壓從68.5 kV上升至72 kV，呈緩慢上升趨勢；進(jìn)出口擊穿電壓逐漸趨于一致，也說明了分子篩吸附劑逐漸趨于飽和。

4.3 在線濾油系統(tǒng)對油色譜分析的影響

對變壓器油中溶解性氣體進(jìn)行色譜分析，是發(fā)現(xiàn)變壓器潛伏故障的有效手段。為了研究微水在線監(jiān)測與處理系統(tǒng)對色譜分析的影響，試驗人員進(jìn)行了長期的跟蹤對比分析，取樣分析試驗結(jié)果如圖7～12(單位：μL/L)所示。

從變壓器油色譜跟蹤分析可以看出，通過對比測試發(fā)現(xiàn)甲烷含量約為20 μL/L，乙烯含量約為0.7 μL/L，乙烷約為4.3 μL/L，乙炔約為0 μL/L，氫氣為3.0 μL/L左右，總烴在25 μL/L左右，各種成分含量均比較穩(wěn)定。且每一次進(jìn)口和出口的測試值基本一致，因此可以認(rèn)為該系統(tǒng)對色譜分析沒有影響。

圖7 1號變壓器油甲烷趨勢圖

圖8 1號變壓器油乙烯趨勢圖

圖9 1號變壓器油乙烷趨勢圖

圖10 1號變壓器油乙炔趨勢圖

圖11 1號變壓器油氫氣趨勢圖

圖12 1號變壓器油總烴趨勢圖

此外，其他試驗數(shù)據(jù)也基本保持不變，具體試驗結(jié)果如表1所示。

表1 微水在線監(jiān)測與處理系統(tǒng)投運(yùn)前后

5 結(jié) 論

從以分子篩吸附技術(shù)為核心的變壓器微水在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)在220 kV楊橋變電變電站1號主變壓器上的運(yùn)行情況可以得到以下結(jié)論：(1)使用特定的分子篩吸附劑可以有效地將運(yùn)行變壓器油中的微水含量控制在極低水平，使得變壓器油擊穿電壓明顯提高，大大減緩了絕緣紙的降解老化速度，起到延長變壓器壽命的作用；(2)使用該技術(shù)不會影響色譜分析等其他測試結(jié)果，表明該分子篩只吸附水分子，不會吸附其他氣體和液體分子；(3)該系統(tǒng)

運(yùn)行穩(wěn)定可靠，減少了試驗人員工作量，提高了供電可靠性和智能化水平，可在電力系統(tǒng)中推廣。

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