換流變壓器油高效處理技術(shù)研究

徐德增 張新波

摘 要：以大容量換流變壓器油處理為研究對象，設(shè)計(jì)高效全真空濾油系統(tǒng)，并針對真空分離罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高脫氣、脫水效率，節(jié)約檢修過程中油處理時間。

關(guān)鍵詞：換流變壓器;全真空;延時分層

1 引言

換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵電源轉(zhuǎn)換設(shè)備，換流變壓器油在運(yùn)行中起到關(guān)鍵的絕緣、冷卻作用。然而在換流變壓器制造、運(yùn)輸、維護(hù)過程中，油中不可避免的會溶解水分、氣體雜質(zhì)，混入固體、膠體和極性雜質(zhì)。固體、膠體和極性雜質(zhì)可通過濾芯和吸附材料有效濾出，處理效率較高，但溶解在油中的氣體、水分雜質(zhì)卻不易高效處理，且氣體、水分雜質(zhì)對換流變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行危害極大。

換流變壓器油的含氣量指標(biāo)是變壓器安全運(yùn)行的重要參數(shù)，超高壓換流變?nèi)萘看螅\(yùn)行要求油的品質(zhì)高，油中含氣量超標(biāo)會加速變壓器油和內(nèi)部絕緣件的老化，嚴(yán)重時會發(fā)生放電擊穿事故，影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。油中含水量超標(biāo)會導(dǎo)致絕緣老化。油中的水分主要來自于空氣中水分在油中的溶解或劣化的絕緣材料釋放，也可能是變壓器密封不良所致。水分超標(biāo)會導(dǎo)致油的耐壓強(qiáng)度降低，油介耗值增大，還會導(dǎo)致油乳化、品質(zhì)下降，在油中溶解氧氣的共同作用下導(dǎo)致變壓器鐵芯、夾件等金屬構(gòu)件腐蝕生銹。[1-2]

大容量換流變壓器單臺儲油量達(dá)80 噸以上，高效完成變壓器油脫氣脫水對于節(jié)約檢修工期，保證設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。本文以提高大容量換流變壓器油脫氣脫水效率為主要研究對象，提出改進(jìn)措施并加以驗(yàn)證。首先，設(shè)計(jì)了一種高效全真空濾油系統(tǒng)，同非全真空濾油系統(tǒng)對比驗(yàn)證脫氣效率。其次，針對分離罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證脫水效率的提升。本文通過對換流變壓器油處理效率提升的研究，旨在為工程技術(shù)人員提供經(jīng)驗(yàn)參考。[3-5]

2 全真空高效油處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

換流變壓器檢修時將油排到儲油罐進(jìn)行處理，真空濾油機(jī)搭配儲油罐是常用的油處理系統(tǒng)組成方式，真空濾油機(jī)是脫氣脫水、濾除固體顆粒雜質(zhì)的常用設(shè)備、板框?yàn)V油機(jī)是濾除膠體和極性雜質(zhì)的常用設(shè)備，儲油罐作為油處理的存儲和循環(huán)載體。

常規(guī)處理方式濾油時整個系統(tǒng)處于不完全真空狀態(tài)，即變壓器油循環(huán)至真空濾油機(jī)時處于真空狀態(tài)，但儲油罐卻常常通過呼吸器與大氣相通，空氣很容易在儲油罐的變壓器油中再次溶解，進(jìn)而油中含氣量難以快速降低。較高的濾油溫度下含氣量如果下降緩慢同樣會破壞油的品質(zhì)，油容易被氧化。但如果變壓器油處于真空狀態(tài)下加熱則允許工作溫度較高。另外，常規(guī)處理方式往往不能在脫氣脫水的同時濾除油泥等導(dǎo)致油介損升高的雜質(zhì)。為提高大容量換流變壓器檢修過程中油處理效率，避免影響檢修工期，設(shè)計(jì)一種全真空高效油處理系統(tǒng)，同時處理油中氣體、水分及其他雜質(zhì)。

全真空高效油處理系統(tǒng)組成如圖1 所示。

該系統(tǒng)工作原理為真空儲油裝置1 通過管道與球閥同其他油處理設(shè)備相連接，并通過抽真空接口同真空濾油機(jī)3 相連接保持真空狀態(tài)，換流變油先經(jīng)過加熱器2 預(yù)加熱以增加該裝置的加熱效率，經(jīng)過加熱器預(yù)加熱后進(jìn)入真空濾油機(jī)脫氣脫水及濾除油中固體顆粒雜質(zhì)，再經(jīng)過采用再生吸附濾紙的板框?yàn)V油機(jī)進(jìn)行油再生處理，吸附油中膠體和極性雜質(zhì)，最后流回真空儲油裝置完成一次處理流程。5、6 為故障監(jiān)測器，可實(shí)時監(jiān)測真空濾油機(jī)和板框?yàn)V油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，濾油機(jī)發(fā)生故障時監(jiān)測器發(fā)出報(bào)警信號和聲音提醒操作人員，操作人員進(jìn)行停機(jī)操作后可將故障濾油機(jī)旁路，不影響其他處理單元繼續(xù)運(yùn)行，具體方法為：當(dāng)真空濾油機(jī)3 發(fā)生故障，操作人員操作真空濾油機(jī)停機(jī)后打開球閥1-3，關(guān)閉球閥1-4。當(dāng)板框?yàn)V油機(jī)4 發(fā)生故障，操作人員操作板框?yàn)V油機(jī)停機(jī)后打開球閥1-5，關(guān)閉球閥1-6。濾油機(jī)故障消除后，將旁路切換為濾油機(jī)通路即可。流量計(jì)7 和壓力表8 可幫助操作人員掌握油處理裝置的運(yùn)行狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)流量降低、壓力升高等現(xiàn)象則需檢查確認(rèn)板框?yàn)V油機(jī)濾紙吸附狀態(tài)，必要時可將板框?yàn)V油機(jī)旁路更換吸附濾紙。這樣該裝置可在換流變油不停止循環(huán)的狀態(tài)下將油各項(xiàng)指標(biāo)處理至合格，大大提升油處理的效率，為換流變壓器檢修節(jié)約寶貴時間，及時恢復(fù)運(yùn)行，提高電力供應(yīng)可靠性。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

采用同樣初始狀態(tài)的變壓器油各10 噸，采用同樣的油處理設(shè)備和管路，采用傳統(tǒng)的經(jīng)呼吸器與大氣相通的非真空儲油罐對比本系統(tǒng)采用的抽真空接口設(shè)計(jì)的儲油裝置，通過脫氣速度對比效率提升情況。如圖2 所示。

由圖中可以看出，采用全真空高效油處理系統(tǒng)后，脫氣效率極大提高，僅36 小時就達(dá)到含氣量小于1%的指標(biāo)要求，節(jié)約了油處理時間。

3 真空分離罐的立式延時分層技術(shù)改造

水分在低于100Pa 的高真空條件下沸點(diǎn)降低到20℃以下，換流變壓器油中溶解的水分主要在真空濾油機(jī)的真空分離罐中蒸發(fā)后經(jīng)由抽真空管路從油中分離。在一定溫度和一定的真空度下，脫水效率主要由真空分離罐的結(jié)構(gòu)決定，主要影響因素為變壓器油在真空分離罐中的停留時間T 以及真空分離罐的有效蒸發(fā)面積S。蒸發(fā)效果Z 同S、T 的乘積成正比，Z=k·ST，其中k 為由系統(tǒng)決定的常數(shù)，S 由分離罐的直徑?jīng)Q定，考慮設(shè)備占地和成本不可能無限大，為此著重研究增加變壓器油在真空分離罐內(nèi)的停留時間T，在分離罐高度一定的條件下，將真空分離罐設(shè)計(jì)為多延時分層結(jié)構(gòu)可有效增加時間T，圖3 所示的立式真空分離罐內(nèi)部設(shè)置多層延時結(jié)構(gòu)，每個延時分層均采用密集多孔篩狀結(jié)構(gòu)減緩變壓器油液的滴落速度。

變壓器油經(jīng)過每層延時結(jié)構(gòu)時下降速度降低，在真空分離罐內(nèi)停留的時間被延長。相鄰兩層延時結(jié)構(gòu)距離d 越小，延時分層就越多。分離罐液位高度g 的取值應(yīng)根據(jù)變壓器油中含氣含水量而定，含氣含水量高可能產(chǎn)生過多的泡沫，此時g 不宜過高，反之g可適當(dāng)增加。H 應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件盡可能大。

為研究采用延時分層結(jié)構(gòu)延長變壓器油在真空分離罐中停留時間對脫水效果的影響，采用相同初始狀態(tài)的變壓器油，分離罐外形保持不變，即高度H 和直徑R 不變，采用相同結(jié)構(gòu)的延時分層，層間距d 保持不變，使用同樣的真空泵組對真空分離罐進(jìn)行抽真空，即分離罐內(nèi)真空度相同。通過增加延時分層的層數(shù)可延長變壓器油在真空分離罐中的停留時間。

因第一層延時分層距離真空分離罐頂部很近，所以忽略油噴灑到第一層延時分層的時間，設(shè)變壓器油在每一層延時分層中停留時間為t0，油在層間和最后一層到分離罐底部油面均為初速度為零的理想自由落體運(yùn)動，時間分別為t1、t2、t3...tn，n 是設(shè)置的延時層數(shù)， 那么變壓器油在真空分離罐中的停留時間T=n·t0+t1+t2+t3+...+tn。通過試驗(yàn)得到10 噸變壓器油一個油處理循環(huán)后的T 和脫水效率φ（處理后含水量占處理前含水量的百分比）的一組數(shù)據(jù)如表1 所示。

繪制φ與T 的對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)并經(jīng)曲線擬合，如圖4 所示。

脫水效率φ同停留時間T 符合拋物線規(guī)律，φ=k·√T），k值近似為22，即φ=22·√T，隨著停留時間變長，脫水效率在提高，所以通過增加延時層的方式可以有效增加脫水效率。

4 總結(jié)

本文研究了提高換流變壓器油處理效率的措施，設(shè)計(jì)了全真空高效油處理系統(tǒng)，改造了真空濾油機(jī)的真空分離罐結(jié)構(gòu)，對處理效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論如下：

4.1 全真空高效油處理系統(tǒng)對比非全真空系統(tǒng)有更高的脫氣效率，且可不停機(jī)處理設(shè)備故障，一次性去除油中溶解氣體、水分雜質(zhì)和固體、極性、膠體雜質(zhì)，提高換流變壓器油處理效率。

4.2 對真空濾油機(jī)真空分離罐進(jìn)行改造，增加延時分層可有效提高換流變壓器油脫水效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟群輝，王維霞，毛玲玲， 等.三種主要雜質(zhì)對變壓器油絕緣性能的影響及控制措施[J]. 廣東化工，2013，40（14）：97-98.DOI：10.3969/j.issn.1007-1865.2013.14.049.

[2] 曹松彥，楊俊，柯于進(jìn).變壓器油中含氣量超標(biāo)原因分析及對策[J].熱力發(fā)電，2018，47（8）：138-142.

[3] 黃福盛，涂建山.提高真空濾油機(jī)脫水效率的措施[J].過濾與分離，2008，18（4）：40-42.

[4] 張燕雄.真空濾油機(jī)脫水效率的提升措施探討[J].自動化應(yīng)用，2018，（8）：58-59.

[5] 盧浩聞，張賢明，陳彬， 等.真空濾油機(jī)研究現(xiàn)狀[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版，2012，29（3）：75-78.DOI：10.3969/j.issn.1672-058X.2012.03.017.DOI：10.3969/j.issn.1674-778X.2018.08.024.

作者簡介：

徐德增（1986），男，遼寧黑山人，工程師。

張新波（1983），男，湖北監(jiān)利人，工程師。

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州510663）