特高壓變壓器絕緣油顆粒度檢測關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

【摘要】顆粒度是指存在油品單位體積內(nèi)不同顆粒徑的固體微粒的數(shù)目濃度，單位為個/100ml。本文重點對現(xiàn)場絕緣油顆粒度檢測進(jìn)行簡述，對取樣前和取樣時環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)以及可能存在的問題進(jìn)行分析探討?？蔀樘馗邏鹤儔浩鳜F(xiàn)場顆粒度試驗工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】NAS標(biāo)準(zhǔn);顆粒度測量;取樣環(huán)節(jié);數(shù)據(jù)問題分析;絕緣強(qiáng)度

引言

特高壓變壓器絕緣油是保證變壓器絕緣水平的重要組成部分，因此有及其嚴(yán)格的要求，如擊穿電壓強(qiáng)度、油中水分含量、油中含氣量、油中顆粒度含量等參數(shù)，已接近目前油務(wù)處理設(shè)備的能力極限。對于油中顆粒度在以往并沒有強(qiáng)制性指標(biāo)要求，隨著近年我國經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展，電力需求持續(xù)增加，特高壓建設(shè)加快開展，為了確保電力穩(wěn)定安全運行，對于特高壓設(shè)備有了嚴(yán)格而具體的要求。因此絕緣油顆粒度這一概念也被逐步重視起來。

特高壓設(shè)備用油量大，油務(wù)處理工作繁重，為了配合奉賢±800kV直流換流站建設(shè)，近期變電分公司建立了我公司第一個電力油化試驗室，對濾油全過程進(jìn)行監(jiān)控，從而能快捷、及時、準(zhǔn)確地提供濾油處理結(jié)果。本文重點對現(xiàn)場試驗中絕緣油顆粒度檢測關(guān)鍵技術(shù)及問題進(jìn)行分析探討。

1.顆粒度儀設(shè)備選型

變壓器電壓等級和容量的提高，對油的顆粒度提出了更加苛刻的要求。顆粒度與變壓器油生產(chǎn)、儲存運輸和變壓器箱體內(nèi)部清洗、過濾機(jī)精度及機(jī)體內(nèi)部環(huán)境處理、油品取樣前環(huán)節(jié)和取樣方法等都有極為密切的關(guān)系，直接影響顆粒度數(shù)值大小，因此顆粒度檢測是一項復(fù)雜而精細(xì)和需要反復(fù)現(xiàn)場實踐的工作。

絕緣油的許用場強(qiáng)主要取決于微水含量和懸浮顆?？偭?。因此，對特高壓變壓器油中作出了嚴(yán)格要求，根據(jù)《±800kV換流站換流變壓器施工及驗收標(biāo)準(zhǔn)2008》規(guī)定每100ml油中含5～100μm顆粒數(shù)≤2000個。

表1 不同電壓等級變壓器新油在投運前應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)

檢測項目 電壓等級/kV

500kV 750kV 800kV

耐壓（kV/2.5mm） ≥60 ≥70 ≥70

微水（μL/L） 10 8 5

含氣量% 1 1 1

介質(zhì)損耗% 0.5 0.5 0.5

顆粒度（個/100ml） <2000 <2000 <2000

為滿足油中顆粒含量分析，我們在奉賢±800kV換流站現(xiàn)場配置了一臺進(jìn)口顆粒含量分析儀，儀器基于國際液標(biāo)委員會確定的遮光原理，系統(tǒng)中裝有32通道計數(shù)器和激光顆粒傳感器，傳感器全部采用高檔光學(xué)鍍膜鏡片，激光防護(hù)等級1級。完全滿足特高壓變壓器絕緣油中顆粒含量檢測要求。

2.顆粒度取樣關(guān)鍵技術(shù)

2.1 取樣瓶的清潔

顆粒度檢測是一項極為精細(xì)且對每部環(huán)節(jié)要求極高的工作，每個環(huán)節(jié)都要做到無雜質(zhì)灰塵污染。首先對取樣瓶內(nèi)部要進(jìn)行顆粒度NAS-0級標(biāo)準(zhǔn)處理，全過程必須帶橡皮手套及口罩。我們使用石油醚作為清洗液，通過真空過濾裝置，依次用孔徑為0.65、0.45、0.3μm的濾膜過濾石油醚，至少循環(huán)2次。將取樣瓶、瓶蓋、塑料薄膜襯墊按GB/T7595規(guī)定方法清洗，向清洗后的取樣瓶中注入占總?cè)莘e45%～55%的清洗液，墊上薄膜，蓋上瓶蓋后充分搖動，用自動顆粒數(shù)計數(shù)儀測定每100ml中粒徑>5μm顆粒不多于100粒。超過時則應(yīng)重新清洗取樣瓶，直至顆粒數(shù)不超過100粒為止?；蛉悠康念w粒污染度比被取油樣至少低兩級。將顆粒數(shù)乘以注入瓶內(nèi)清潔液體積與瓶總?cè)莘e之比值，并將結(jié)果記錄在取樣瓶的標(biāo)簽上，作為該取樣瓶的清潔等級。在檢驗合格的取樣瓶底部留有約10～20ml清潔液，在瓶蓋與瓶口之間墊上薄膜，帶到現(xiàn)場。

圖1 小型空氣清潔裝置

2.2 現(xiàn)場取樣

取樣應(yīng)避免大風(fēng)、雨天、濕度大灰塵多的氣候環(huán)境。到達(dá)現(xiàn)場須帶橡膠手套及佩戴口罩，倒掉取樣瓶中保留的少量清潔液，用干凈綢布沾取石油醚擦凈取樣閥口，再打開、關(guān)閉取樣閥3～5次以沖洗取樣閥，使用與閥口匹配的潔凈塑料管，放出取樣管路內(nèi)存留的油約7.5L，同時反復(fù)用油清潔塑料管口。在不改變通過取樣閥液體流量的情況下，移走污油桶，接入取樣瓶，塑料取樣管伸入瓶口2cm并不得觸碰到瓶壁進(jìn)行取樣?，F(xiàn)場建議采用小型空氣清潔裝置（如圖1所示），通過排風(fēng)機(jī)阻斷外界環(huán)境干擾，進(jìn)行全密封方式取樣，清潔裝置潔凈效率達(dá)90%以上，大大降低了環(huán)境因素對油樣的污染。

3.油中顆粒含量測量

3.1 自動顆粒計數(shù)法

自動顆粒計數(shù)法是依據(jù)遮光原理來測定油的顆粒污染度。當(dāng)油樣通過傳感器時，油中顆粒會產(chǎn)生遮光，不同尺寸顆粒產(chǎn)生的遮光不同，轉(zhuǎn)換器將所產(chǎn)生的遮光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，再劃分到按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置好的顆粒度尺寸范圍內(nèi)并進(jìn)行計數(shù)。每年依據(jù)ISO11171校準(zhǔn)一次自動顆粒計數(shù)儀及傳感器;更換傳感器元件時，也應(yīng)依據(jù)ISO11171重新校準(zhǔn)。

3.2 測量過程

觀察油樣，若油樣中有游離狀水，油有乳化現(xiàn)象，應(yīng)在油樣（體積為VA）中加入適量清潔液使油樣透明，再進(jìn)行測量。記錄加入溶劑的量（VB）。充分搖動油樣約5min，使內(nèi)部顆粒分布均勻，將其置入超聲浴鍋中振蕩脫氣約10min。然后取出取樣瓶擦干外部，將其置入儀器壓力艙中，并開動攪拌器使油樣顆粒均勻分散，期間注意攪拌速度，不能產(chǎn)生氣泡。被測油樣的黏度過大，進(jìn)入儀器傳感器的油達(dá)不到額定流量、或者油樣的顆粒濃度超過了傳感器允許的極限值時，應(yīng)稀釋油樣后，重新脫氣測量。選擇的稀釋液要與被測油樣互溶，并且稀釋液不能溶解或凝聚油樣中的污染顆粒。測試后取下試瓶，用過濾后達(dá)到NAS-0級的石油醚清洗傳感器管道。

測試結(jié)果按式（1）計算，即：

（1）

式中：

C——被測油樣中某尺寸范圍的顆粒數(shù)量，個/100mL;

C'——某尺寸范圍的粒徑若干次平行測量結(jié)果的平均值，個/100mL;

Cb——稀釋液中某尺寸范圍的顆粒數(shù)量，個/100mL;

Va——油樣體積，mL;

Vb——稀釋液體積，mL。

三次平行測量中，大于 5μm顆?？倲?shù)的最大相對誤差為±6%，按NAS-1638顆粒污染度分級標(biāo)準(zhǔn)劃分顆粒度等級。

3.3 試驗問題分析

現(xiàn)場油務(wù)處理初始階段，經(jīng)過濾機(jī)過濾2次油樣顆粒含量均達(dá)到5000以上。結(jié)果見表2所示。過濾4次約幾十小時處理后，顆粒含量仍然維持在3000～4000左右，見表3所示。

表2 過濾2次后顆粒度結(jié)果（個/100mL）

設(shè)備

檢測項目 油罐1 油罐2 油罐3 油罐4

顆粒度 6780 6578 7230 5870

表3 過濾4次后顆粒度結(jié)果 （個/100mL）

設(shè)備

檢測項目 油罐1 油罐2 油罐3 油罐4

顆粒度 3340 3460 3124 3097

經(jīng)反復(fù)取樣試驗分析，發(fā)現(xiàn)顆粒度含量不下降的主要原因總結(jié)為以下幾點：

濾油機(jī)過濾精度及內(nèi)部處理問題。經(jīng)反復(fù)取樣試驗分析，發(fā)現(xiàn)為了配合特高壓變壓器高標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)場使用的真空濾油機(jī)必須提高過濾精度，必須采用2級以上真空濾油機(jī)，其過濾器必須使用名副其實的0.5μm濾芯。真空濾油機(jī)必須具備如下功能：①同時具有真空濾油與注油功能。②進(jìn)油泵、排油泵的流量和揚程必須與濾油機(jī)凈油能力和過濾系統(tǒng)的阻力相匹配。③具有強(qiáng)勁的真空提升能力，以適應(yīng)油箱的大容積、高真空度。④具有全自動運行功能，適應(yīng)長期連續(xù)不間斷運轉(zhuǎn)要求。⑤采用自動跟蹤調(diào)速變流技術(shù)。為避免油泵或供油電磁閥的頻繁啟停造成斷流與過沖、油泵頻繁供油不足、摩擦加劇、局部過熱而產(chǎn)生乙炔和過急的油流產(chǎn)生的流動帶點現(xiàn)象，濾油機(jī)的自動油路不應(yīng)再采用全開全關(guān)的泵或閥。⑥濾油機(jī)應(yīng)有再循環(huán)閥，以方便調(diào)節(jié)注油流速和提升注油壓力。⑦宜使用數(shù)字式或指針式真空計，以防止抽真空時麥?zhǔn)秸婵沼嬎y進(jìn)入變壓器器身。后項目部考慮重新更換過濾濾網(wǎng)，清潔機(jī)身內(nèi)部環(huán)境，經(jīng)過3～5個循環(huán)后，過濾雜質(zhì)能力有顯著提高。另外，為增強(qiáng)現(xiàn)場處理顆粒度能力，可以考慮在真空濾油機(jī)出口側(cè)串接精過濾器（如圖2所示）。精濾器采用三級精過濾器，第一級濾芯的過濾精度為10μm，第二級濾芯的過濾精度為1μm，第三級濾芯過濾精度為0.5μm，專門進(jìn)行雜質(zhì)及顆粒的精過濾處理。實踐證明，精過濾器的使用可有效縮短過濾油的時間，加快顆粒度達(dá)標(biāo)。

圖2 三級精濾器

現(xiàn)場還發(fā)現(xiàn)儲油罐中顆粒含量指標(biāo)合格的油在注入變壓器后，顆粒含量明顯增加，必須反復(fù)進(jìn)行熱油循環(huán)后，才能最終達(dá)到規(guī)定的顆粒度指標(biāo)。油中顆粒對變壓取油樣方式。經(jīng)過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)取樣點不同（濾油機(jī)出口、儲油罐取樣、本體取樣閥）、取樣容器不同（顆粒度儀專配的取樣瓶、普通磨口瓶、質(zhì)量好的和質(zhì)量差的針管注射器）、油樣是否靜止（在濾油過程中取樣、在本體熱油循環(huán)靜止48小時后取樣、在靜止油罐中取樣、取樣后油樣是否經(jīng)震蕩脫氣去氣泡等）均對檢測結(jié)果有明顯影響。后經(jīng)我試驗室組織相關(guān)單位分析討論決定：①不采用注射器取樣，統(tǒng)一采用顆粒度儀專配取樣瓶從本體底部出口閥取樣。②取樣瓶必須嚴(yán)格進(jìn)行NAS-0級標(biāo)準(zhǔn)前處理，瓶身合格后方可取樣。④采用潔凈塑料管代替乳膠管取樣。取樣時佩戴口罩與手套。③油樣不靜止，取樣后10min內(nèi)進(jìn)行試驗。⑤試驗前嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)清洗顆粒度儀傳感器，做到NAS-0級標(biāo)準(zhǔn)方可進(jìn)行油樣試驗。⑥每個樣品連續(xù)進(jìn)行5次試驗，剔除前2次數(shù)據(jù)，采納后3次數(shù)據(jù)取算數(shù)平均值作為測試結(jié)果。取樣環(huán)境。雨天、大風(fēng)、濕度大的天氣取樣數(shù)據(jù)無準(zhǔn)確性與可靠性，應(yīng)盡可能在晴天或良好氣候條件下取樣檢測。

4.絕緣油顆粒度幾個階段的檢測

在國網(wǎng)公司召開的特高壓直流變壓器絕緣油選用原則研討會上，對現(xiàn)場絕緣油顆粒度檢測取樣時間節(jié)點和取樣點作了明確規(guī)定。1）油在注入變壓器之前，每個油罐中取油樣;2）熱油循環(huán)后靜止48小時和168小時，在本體的油樣閥口進(jìn)行取樣。

因特高壓變壓器對油中顆粒度要求嚴(yán)格，當(dāng)油從油罐注入本體后必須利用熱油循環(huán)清除其內(nèi)部的殘留雜質(zhì)。經(jīng)過反復(fù)循環(huán)，現(xiàn)場分別在靜置48h和168h后，從本體取樣進(jìn)行檢驗，顆粒度及其他關(guān)鍵性試驗結(jié)果如表4。

表4 變壓器在靜置48h和168h后絕緣油的檢測值

靜置

時間/h 顆粒度

（個/100mL） 含氣量

% 微水

mg/L 擊穿電壓

kV 介損

%

48 785 0.6 5.3 78 0.046

168 662 0.3 5.6 77 0.048

5.顆粒對變壓器絕緣強(qiáng)度的影響分析

（1）顆粒度對不同絕緣結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的影響。高電壓產(chǎn)品易受損的部位主要是高壓套管屏蔽處和高壓引線處，它們受損后在油隙中就無絕緣覆蓋，此時油中的顆粒會對變壓器的絕緣產(chǎn)生較大影響。電力變壓器的主絕緣低壓繞組和高壓繞組都有絕緣覆蓋，此時顆粒會產(chǎn)生較小的影響，而且表現(xiàn)出的擊穿過程和無絕緣的擊穿不相同。顆粒如果沉積在絕緣材料表面也會對設(shè)備的絕緣強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

（2）顆粒種類不同對絕緣強(qiáng)度的影響不同。金屬顆粒對變壓器絕緣的影響要大于非金屬顆粒的影響。但是具我了解沒有因金屬顆粒污染引起變壓器的故障，原因是大金屬顆粒沉積在箱底和絕緣表面，一般不會對絕緣產(chǎn)生較大影響，易于及時發(fā)現(xiàn)予以處理。小金屬顆粒含量少，即使存在也會被抗氧化劑吸附失去活性。油中存在的顆粒主要是非金屬類雜質(zhì)，其本身不會對變壓器絕緣產(chǎn)生較大影響。但有關(guān)專家研究表明：如果水分和雜質(zhì)（尤其是纖維雜質(zhì)）共同存在時，其對絕緣的影響會明顯增加。所以油中顆粒度的檢測要和微量水分含量同時進(jìn)行，以便于對絕緣性能進(jìn)行綜合分析。

（3）顆粒度在不同類型電壓下對絕緣強(qiáng)度影響不同。雜質(zhì)顆粒在直流電壓作用下更容易產(chǎn)生定向運動，形成導(dǎo)電橋路，由此分析，變壓器油中雜質(zhì)顆粒度對設(shè)備介電強(qiáng)度影響在直流電壓下要比交流電壓下大的多。所以此次我奉賢±800kV直流換流站直流變設(shè)備要求油中潔凈度達(dá)到NAS-3級以下，即顆粒度<2000個/100ml。

6.結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗判斷，油樣顆粒度檢測結(jié)果大于50μm的顆粒較多，很可能是取樣環(huán)節(jié)受環(huán)境污染造成，若檢驗結(jié)果中5～25μm顆粒較多，則主要是油本身雜質(zhì)含量高，需要進(jìn)一步濾油處理。特高壓設(shè)備用油量大，將油中顆粒含量標(biāo)準(zhǔn)提高到“5～100μm的顆粒數(shù)<2000個/100mL無100μm以上顆?！苯o油務(wù)處理帶來較大的工作量，因此現(xiàn)場必須配合精度較高的濾油設(shè)備，嚴(yán)格按顆粒度檢測工藝流程進(jìn)行油務(wù)處理，熟練掌握顆粒度檢測的取樣前和取樣時環(huán)節(jié)，確保數(shù)據(jù)的及時、準(zhǔn)確、可靠性。

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作者簡介：

李文（1972—），男，大學(xué)本科，工程師，華東送變電工程公司變電分公司副經(jīng)理。

王賢（1982—），男，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于華東送變電工程公司。