变压器充气露点检测及绝缘含水量判定

田子九

西安西电变压器有限责任公司　西安　710077

变压器充气露点检测及绝缘含水量判定

田子九

西安西电变压器有限责任公司西安710077

摘要：介绍了大型电力变压器在进行充气运输及储存过程中，通过检测气体露点值来实现实时判断绝缘含水量的方法。从实际应用情况来看，该方法既能保证变压器的性能，提高安全性，又能降低生产成本，其技术可行，经济效益好，值得推广应用。

关键词：变压器； 露点； 绝缘含水量

Abstract：Described the method to judge insulation moisture in real-time by detection of gas dew point during inflated transportation and storage of large-scale power transformers. From its practical application, this method can guarantee the transformer performance, improve reliability and reduce the production costs. It is worthy for promotion and application owing to its technical feasibility and sound economic returns.

Key Words：Transformer； Dew Point； Insulation Moisture

现阶段电力变压器的运输及储存主要有两种方式： 注油和充气。为了有效减轻变压器运输时的载重量，大型电力变压器一般都采用充氮气(或干燥空气)运输，以降低产品运输成本。充气运输及储存的变压器依靠气体隔离潮气，但受其工艺过程、储存环境及油箱泄漏率的影响，其内部绝缘件仍有受潮的风险，过高的绝缘材料含水量将严重影响变压器的电气强度、可靠性和使用寿命。因此，国家标准对不同电压等级和容量的变压器中绝缘材料的含水量有明确规定，纤维绝缘材料的原始含水量一般为6%～8%，干燥结束后要达到平均含水量为0.5%～0.1%的标准。

近年来，随着电力建设的迅速发展，大型电力变压器充气运输已被广泛应用，但相关标准只对其充气压力有要求，而对所充气体状态以及对应绝缘件含水量判断并无相关说明。因缺乏有效、简洁的方式来检测充气运输及储存的变压器的绝缘件含水量，导致变压器绝缘件局部受潮，引起现场运行事故频发，所以，实时控制、检测变压器绝缘件的含水量是产品质量保证的关键因素。例如本公司给某公司生产的变压器为厂内交货，厂内试验结束并试漏合格后，充正压转交用户，由于用户在现场保存时间过长，虽有充气记录，但最终仍出现表面受潮现象，不得不花费大量资金进行现场处理。如何在充气储存过程中就能判断绝缘件是否受潮，是此次研究的目的。

我公司通过对故障变压器充气运输状态及故障原因分析，经过建模试验和实际应用检测，确认了运输储存状态下充气露点与变压器绝缘件含水量的关系曲线，有效地预防了因运输储存受潮引发的现场事故。

1绝缘材料含水量对变压器性能的影响

变压器绝缘材料含水量直接影响到油-纸绝缘的可靠性和使用寿命，尤其是随着特高压大型变压器的相继出现，对绝缘材料的电气绝缘性能及机械性能的要求日趋严格，可以说绝缘材料的含水量直接影响变压器运行的安全性和可靠性。图1所示为5mm层压纸板的闪络电压与含水量的关系曲线，图2所示为16mm层压纸板的介质损失角与含水量的关系曲线。从图1、图2可以看出，随绝缘件含水量增加，其电气性能严重降低，所以实时检测运输及储存过程中变压器绝缘件的含水量是保证变压器能正常运行的必要手段。

图1　闪络电压与含水量的关系曲线

图2　介质损失角与含水量的关系曲线

2绝缘材料含水量测量方法现状

卡尔费休法： 直接精确测量绝缘材料中残余含水量的方法。这是一种经典的微水测量方法，使用得当可以获得较高的精度，它需要在试验室从绝缘材料上取少量样品，经甲醇萃取后测定。但是，对于变压器储存和运输过程来说并不是理想的测量方法，因为存储及运输过程变压器是密封的，取样较为困难，取样后需运回试验室使用专用设备进行检测，其过程保存难度大，检测周期长。对于现场储存和运输的变压器来说，受场地、环境、检测条件等限制，可操作性、时效性均无法满足实用要求。

绝缘电阻、吸收比测量方法： 通过测试产品的绝缘电阻及吸收比来间接判断产品是否受潮，是现阶段最常用的方式。但根据实际应用经验发现，该方法受环境、检测设备及产品结构影响较大，其检测稳定性、准确度较差，无法有效判断变压器主绝缘件受潮的实际情况。

由于缺少一种方便、有效的测试方法，各大变压器生产厂都只能根据经验制定变压器充气运输及储存的时间，认为变压器充气的库房储存时间需≤6个月，否则应注油保存。GBJ148—1990《电气装置安装工程高压电器施工及验收规范》要求变压器、电抗器到达现场后，现场露天储存时间需≤3个月，否则应在1个月内注油保存。然而该基于经验的规定无法定性地说明其合理性，并且在实际生产应用过程中，受生产计划、运输线路及工程周期等因素的影响，多数产品无法有效地执行该项规定。

3变压器充气露点检测及绝缘件含水量判定的研究

3.1　基本原理

在变压器运输及储存过程中，油箱内所充气体的露点值，反应了器身绝缘周围空间气体含水量。气体中水分与器身绝缘残余水分在一定温度下，经过一段时间可逐步接近平衡状态，如果能得出绝缘材料残余含水量和充气露点对应的平衡关系，便可以通过测量油箱气体露点来判定绝缘材料的残余含水量。

3.2　试验目的

通过在试验室内模拟变压器充气状态下绝缘材料与所充气体含水量的均衡状态，用卡尔费休法标定不同受潮状态下绝缘纸板的含水量，并同时测试该状态下所充气体的露点值，应用统计方法得出绝缘材料残余含水量和充气露点对应的平衡关系曲线，并将该曲线应用于实际。

3.3　试验模型

根据实际设计经验，变压器产品随电压等级、容量的增大，其油箱内充气体积与绝缘件体积也对应增加。选取典型产品分析其绝缘纸板体积与油箱内充气体积的关系，发现油箱内充气体积约为绝缘纸板体积的10～11倍，见表1。

表1　油箱内充气体积与绝缘纸板体积的关系

注： 计算过程中可认为油箱内充气体积等于变压器油填充体积。

根据上述数据统计，可将变压器油箱与绝缘纸板体积按比例缩小，在试验室中建立模拟受潮及露点检测模型。选取试验油箱，体积为8m3，其内放置标准绝缘纸板样块，体积为0.8m3，该油箱设置充气接头、检测接头、注油阀门及放油阀门。

由于理想气体露点值受其温度及压力影响，为避免数据偏差，试验过程设定环境温度20℃，充气压力20kPa。统一使用材料及设备： 瓶装干燥空气(标况下，露点≤-60℃)，合格变压器油(含水量≤5mg/kg)，露点测试仪。检测模型示意如图3所示。

图3　检测模型示意图

试验模型油箱内气体含水量计算：

Wq=0.008g/m3×8m3=0.064g

标况下气体含水量的露点温度与体积比对照表见表2。

试验模型油箱内变压器油含水量计算：

Wy=5×10-6×895×103g/m3×8m3=35.8g

其中变压器油密度为895×103g/cm3。

试验模型油箱内绝缘件含水量计算：

Wj=0.005×0.8m3×1.2g/m3×106

=4.8×103g

其中合格绝缘件含水量为每克绝缘件含水0.005g，绝缘件密度为1.2×106g/m3。

按绝缘件含水量为0.5%计算：

Wq/Wy=1.79×10-3

Wq/Wj=1.33×10-5

由以上计算结果可知：

1) 露点为-60℃干燥空气的含水量小于合格变压器油含水量，所以在工艺控制得当的情况下，可以使用干燥空气代替变压器油进行运输。

2) 绝缘件中水分的含量远超过干燥空气中水分的含量，所以平衡过程应为绝缘件中的水分向干燥空气中跃迁。平衡后干燥空气中水分含量会相应增加，从而露点温度将升高。

表2　标况下气体含水量的露点温度与体积比g/m3对照

3.4　试验过程

3.4.1干燥空气与绝缘件样块含水量平衡时间测定

① 将绝缘纸板样块进行气相干燥处理，出炉后应用卡尔费休法检测其含水量，并进行记录。

② 按照如图3所示检测模型示意图，将含水量一致的绝缘件样块取0.8m3放入油箱中，从注油阀注入合格变压器油，将油箱内空气排尽，绝缘浸油24h。

③ 打开充气阀门注入露点为-60℃干燥空气，将油箱内变压器油从排油阀排尽，保证内部空间充满-60℃干燥空气，并充气至20kPa。

④ 使干燥空气与绝缘件样块充分接触，每放置6h，连接露点仪检测油箱内部干燥空气露点，并进行记录。

重复①～④，观察露点变化，发现露点值在36h后趋于平衡。为方便工程应用，确定干燥空气与绝缘件样块含水量平衡时间为48h。

3.4.2绝缘样块含水量与露点值对应关系曲线测定

① 将绝缘纸板样块进行气相干燥处理，出炉后应用卡尔费休法检测其含水量，并进行记录。

② 按照如图3所示检测模型示意图，将含水量一致的绝缘件样块取0.8m3放入油箱中，从注油阀注入合格的变压器油，将油箱内空气排尽，绝缘浸油24h。

③ 打开充气阀门注入露点为-60℃干燥空气，将油箱内变压器油从排油阀排尽，保证内部空间充满-60℃干燥空气，并充气至20kPa。

④ 静置48h以上，使干燥空气与绝缘件样块充分接触平衡后，连接露点仪检测油箱内部干燥空气露点，并进行记录。

⑤ 将气相干燥处理后的缘件样块放置在潮湿空气中暴露受潮，每6h应用卡尔费休法检测其绝缘含水量，并进行记录。

重复进行①～⑤，并记录采集数据，得到各阶段绝缘样块含水量与露点值对应关系，根据理想状态气体方程换算出不同温度下的对应关系，建立20kPa时充气露点和绝缘样块含水量的关系曲线如图4所示。

图4　20kPa时充气露点和绝缘样块含水量的关系曲线图

4产品试用

笔者应用试验模型所得的曲线对30台大型电力变压器充气运输及储存过程进行验证，在产品油箱内放置绝缘样块，经检测，该曲线与实际测试结果一致，为避免测量误差造成质量风险，应用该曲线时，检测产品绝缘件的含水量需≤0.5%。经过对上述产品实际运行状况跟踪，均满足现场投运要求，运行质量良好。

通过对变压器浸油后的产品运输、储存实践经验，将该项试验模型曲线应用到器身干燥后直接充气运输的产品，以露点测定来判定变压器绝缘件的含水量，并成功在国网公司特高压直流项目换流变压器上进行实践。此台变压器，由于运输道路的封闭问题，必须在规定时间通过运输道路，运抵西电常变。故此台产品在器身干燥后直接进行油箱装配(器身未浸油，线圈为白皮线圈)，充干燥空气运输到异地进行总装、真空注油及试验。该变压器未浸油直接运输，这在西变运输上是第一次，防止绝缘件受潮以及判断绝缘件是否受潮成为第一工作要务，在采取专门密封措施后，采用上述干燥空气露点测量法进行绝缘件含水量的判断，在气体平衡后，经测量运输前环境温度和充气压力，以及运输后环境温度和充气压力值，并与图4对比后，绝缘含水量均小于0.5%。在后续安装附件和相关工艺要求下，此台±800kV特高压直流变压器产品一次通过全部试验。为进一步减轻大型变压器载重量和变压器跨区域制造、试验提供理论依据及实践基础。

该项试验结论将相关标准的理论内容进行融合，并有效地应用到生产当中。对变压器绝缘受潮故障的判断及预防有实际意义，而且为实现大型变压器无油干燥运输奠定理论依据。

参考文献

朱英浩，计宏伟，郑时伊.新编变压器实用技术问答.沈阳： 辽宁科学技术出版社，2001.

赵静月，张庆，康运河.变压器制造工艺.北京： 中国电力出版社，2009.

GBJ 148—1990.电气装置安装工程电力变压器、油浸电抗器、互感器施工及验收规范.

GB/T 5832.2—2008.气体中微量水分测定.

GB/T 11605—2005.湿度测量方法.

Tri T Le, David J T Hill, Mat Darveniza. Aging of Transformer Insulation Paper. Journal of Macromolecular Science Part A-pure and Applied Chemistry. 1996,33(12): 1885-1895.

Ahmed E B, Abu-Elanien, M M A Salama. A Monte Carlo Approach for Calculating the Thermal Lifetime of Transformer Insulation. Electrical Power and Energy Systems, 2012,43(1)：481-487.

A Bahadori. Prediction of Saturated Air Dew Points at Elevated Pressures Using a Simple Arrhenius-Type Functiom.Chemical Engineering & Technology, 2011,34(2): 257-264.

文章编号：1674-540X(2015)04-009-05

中图分类号：TM405

文献标识码：B

作者简介：田子九(1969-)，男，工程师，主要从事变压器装配技术的研究工作

收稿日期：2015年6月