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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400年[4]。而制造廠的設計要求和技術指標，一般把變壓器的預期壽命定位30年,運行實例表明，維護很好的變壓器，實際壽命能達到50～70年[5]。因此，保持變壓器的正常運行并加強對絕緣系統(tǒng)的合理維護，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度的最重要因素，油的絕緣強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)的絕緣強度降低至危險水平，同時可以對變壓器整體絕緣狀況進行評估[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)測與處理的設備在電力系統(tǒng)運用還非常少，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)瀘州供電公司的運行情況，研究了分子篩吸附技術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。干燥絕緣紙的強度主要取決于纖維的狀況、強度及其化學鍵，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，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，水是強極性液體，易向高場強區(qū)聚集，因此在變壓器最危險的高場強區(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，所以當變壓器負荷發(fā)生突變時，就極易形成極性通道，導致變壓器發(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行，延長使用壽命的關鍵措施。

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。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入孔道，則不被分子篩吸附。特定的分子篩對水有較強的吸附能力，即使在很低的分壓或溫度下仍有相當高的吸附容量，一個分子篩能吸附高達其自身重量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)定運行，延長重負荷變壓器的運行年限，國網(wǎng)瀘州供電公司從美國引進基于分子篩吸附技術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計的高吸附性材料。當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，投運時間：1998年11月)上并順利投運，如圖3所示，截止到目前為止，該系統(tǒng)運行正常。

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，該裝置自投運以來，持續(xù)在線運行，截止到2014年1月23日，進口離線數(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。且每一次進口和出口的測試值基本一致，因此可以認為該系統(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)投運前后

5 結(jié) 論

從以分子篩吸附技術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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