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摘要：变压器是变电站最重要的一次设备，变压器的绝缘材料状况的优劣决定和影响整个变电站的供电可靠性。本文分析了绝缘老化机理和在油纸绝缘的水平衡系统。介绍了一种基于分子筛技术的变压器在线干燥预防技术，并比较了与传统变压器干燥的优点。

关键词：变压器，油纸绝缘 ，绝缘老化，分子筛技术，在线干燥

The new on line transformer dry system based on molecule sieve solution

Abstract： The transformer is the most important equipment in the substation. The lifecycle of transformer is directly effect the life of substation .There fore the lifecycle of transformer depend on the insulation status of the activity part. The paper introduced the prevention solution for enhance the condition of insulation material by using the molecule sieve device and figure out the advantage.

一、变压器绝缘材料的重要性

变压器是变电站最重要的一次设备。变压器内部安全运行寿命主要取决绝缘材料的机械强度和电气强度。在这个意义上来讲，变压器的绝缘材料状况的优劣决定和影响整个变电站的供电可靠性。而变压器绝缘材料从变压器生产完成第一刻就开始其或快或慢的绝缘材料老化过程。传统的变压器运行维护理论都是基于着重检测变压器绝缘电阻、吸收比、极化指数、介质损耗、绕组泄漏电流、油中微水分析等，分析变压器是否受潮，判断绝缘是否降低或老化，然后采取离线检修或在线滤油的方式进行处理。这种事后处理的被动维护方式已经落后于目前电网提倡的设备状态检修理念。本文从变压器油纸绝缘老化失效的原理分析入手，介绍一种基于分子筛技术的变压器在线干燥预防技术。

二、油纸绝缘老化

影响变压器绝缘老化的主要因素有：温度、水、氧气及油的老化产物。（1）。水的影响：绝缘材料的主要成分纤维素是有许多葡萄糖基借1-4配醣键连接起来的大分子。其很容易在酸性水溶液和高温水的作用下水解，其生成呋喃型化合物，并最终分解成酸性物质、气体、和水。温度的影响：变压器绝缘材料的纤维素在高温下的降解，使纤维岁分解成水分子、酸性物质和气体。氧气的影响：油中溶解的氧气促使纤维素的氧化，氧化最终导致纤维素生成水分子。以上三个影响过程，其中最主要的因素是水份和温度的影响，而这两个因素又相互循环促进绝缘的老化。研究表明变压器中温度在120度以内，主导绝缘纤维退化的主要过程是水解过程，它比高温降解现象多得多（1）。

三、 绝缘老化产生的变压器故障

随绝缘材料的老化生成的水、酸性物质和气体最终通过如下过程使变压器绝缘失效而出现击穿和局部放电的故障。

1， 首先绝缘材料中的水直接增强绝缘的导电性能，降低绝缘材料电气强度，导致绝缘击穿或局放现象。

2， 由于水是强极性液体，它本身比油和绝缘纸的介电常熟高很多。而变压器运行稳定，油温恒定的时候，油纸系统会达到含水平衡状态，水份在油和绝缘材料中的分布动态平衡，但含量又不是一个当量级别（这是对变压器干燥处理的关键依据，下节中将着重阐述）。这样绝缘材料中自由态水会被高场强吸引，恰恰在最危险的高电场区往往会聚集较多的水，最后造成击穿等故障。

3， 变压器运行中随着温度上升，绝缘材料上述老化产生气体，同时微水也在温度作用下气化而形成气泡，气泡首先发生游离放电，游离出的带电质点再碰撞油分子，使油又分解出气体，气体体积膨胀，游离进一步发展，最终降低油的击穿电压和局部放电场强，引发绝缘击穿和局部放电。

四、变压器的水含量

以上分析了绝缘老化后产生的水分，以及绝缘老化产物如何导致变压器内部击穿和局放等故障。但根据变压器运行经验，目前维护良好的变压器油的微水含量一般在规定的10PPM左右，即使有绝缘老化，但变压器油是合格的，再进一步测量变压器绝缘电阻、吸收比、极化指数、介质损耗、绕组泄漏电流等前，（因为维护检测周期原因，这些和油的取样有时间差）运行人员会认为变压器是正常的，而没有任何必要进行油或变压器干燥的处理。

实际上，变压器油中的含水量和变压器绝缘材料的含水量不是一个当量的。最稳定运行的变压器中的水97%-99%存在于绝缘材料中，而剩余的水才是以溶解态水存在于变压器油中。也就是说新变压器，其油在处理后的工艺要求水含量达到10PPM，而变压器绝缘材料处理后的含水在0.2%-0.5%。变压器器身的水是油中水的百倍，绝缘材料有如变压器油的“庞大水库”（2）。而考虑正常运行密封良好的变压器，其油中的微水一直以容解态存在，油的击穿电压都能稳定的达到规定要求的50kV，或更高电压等级。所以单靠判读油中微水含量，无法判定变压器绝缘状态，甚至于会有错误的判读。

上述为新变压器的水在油和绝缘材料中的状态，该状态水在绝缘材料中是不饱和的。研究表明，水分在油和纸会经过一个长期的平衡过程而达到最终平衡，系统内纸的水蒸气分压等于油中水蒸气分压，即遵循相对湿度相等的理论。上世纪20年代，人们开始认识到水在油和绝缘纸中的平衡重要性，并根据相对湿度相等的理论原则和大量相关的实验数据， Fabre 和Pichon于上世纪六十年代总结和绘制了不同温度下油纸绝缘微水稳态分布曲线，该曲线被称为Fabre-Pichon曲线如图

图中给出了在油温分别为0 ℃度到100℃各主要温度点，油中水的饱和含量（X轴）对应的绝缘纸水的饱和含量（Y轴）。根据平衡曲线，如上述我们正常处理完的变压器器身，在温度40度时，其油微水含量在10PPM时，对应平衡的绝缘材料应该为含水2.5%，而器身干燥工艺后的器身水含量要求一般为0.2%-0.5%，这样器身水含量远远低于平衡曲线的2.5%。投入运行后的很长一段时间内，油-纸绝缘系统要达到水平衡，必将是水分从油中持续不断地向纤维素材料中转移。变压器内新的水分（主要是内部分解产生和可能的外来水分）也就经过平衡过程进入纤维材料后，变压器油中的含水量在爬经极小数值后仍然维持在近原始的低数值水平并不发生明显变化。如当运行温度在70度时，运行若干年后，根据平衡曲线，油中的微水不会超过10PPM，因为绝缘材料纤维中的含水还没有饱和。但绝缘材料已经从初始的0.2%-0.5%含水通过平衡上升到新的1%。假如一台220kV 的绝缘材料总量为7000kg的话，其绝缘材料实际吸收了7000X（1%-0.2%or0.5%）=35or56kg. 可见变压器油微水测量到10PPM与原始状态相同，而变压器绝缘的干燥度已经与原来完全不同了。根据试验证明表明，在绝缘材料微水含量每增加0.5%，其绝缘老化速度将会是原来水平的1倍。（3）

根据以上的论证，不能单从传统的变压器油的微水含量判断变压器内部绝缘，即使运行良好的变压器，变压器绝缘老化产生的水也可能导致变压器内部绝缘事故，而这被往往被我们所忽略。特别是现在电网对变压器运行寿命要求30年甚至40年的情况下，对这绝缘材料水的处理就攸关总要。

五、基于分子筛技术的变压器在线干燥系统。

一种基于分子筛技术的变压器在线干燥系统很好的解决了我们所遇到如何去掉运行中变压器绝缘材料中过多的水分问题。分子筛是结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通常为0.3～2.0 nm）的孔道和空腔体系。由于含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水，水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，而把比孔道大的分子排斥在外，因而能把形状直径大小不同的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子，饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。目前在冶金，化工，电子，石油化工，天然气等工业中广泛使用。（4）

基于成熟分子筛技术的变压器在线干燥系统，选用合成晶体硅酸盐材料，其多孔的材料结构能成功过滤小分子的水分子，而对变压器主要气体组份和油分子不具有过滤作用。在三个过滤罐体中晶体硅酸盐材料其内部吸附面积可以达到2.5万平米。

结构与安装

其基本结构含以下主要部分：1进油阀，2油样阀，3开关，4干燥罐体，5微水测量仪，6回油阀，7控制模块，8油泵模块。设备安装简单，在变压器周围合适位置，利用本体上两个取油样阀链接。高度上注意其回油阀的高度离变压器油枕油位计差要不低于0.5米。同时进出油阀的距离不低于2米。

运行和维护

运行时只需要监测微水测量仪关于进出口侧微水含量的值，通过比较微水含量值，我们可以判定滤油是否可以结束或者干燥罐内分子筛是否饱和需要更换新干燥罐体。系统能够在1.5-2升/分钟的流速下自动除掉本体中的水份。需要更换干燥罐体时和重新开启运行时，必须进行下列操作以防止空气进入变压器：打开脱气罐的放气塞;打开干燥系统的人口阀门，同时出口阀门保持关闭;依靠油的静压力保证设备内所有存留的气体全部经放气塞放出;气体全部放出后，关闭脱气罐的放气塞;打开干燥系统的出口阀门;这时入口阀门可以完全打开;接通油泵电源;可以看到油流通过油流指示器;监视干燥系统持续运行至少20 min，在此期间，检查是否存在漏油和其他非正常情况;安装和试运行之后，系统即可连续运行，并定期检查系统运行情况。

相比较传统变压器退出运行，进行的油处理方式， 基于分子筛技术在线干燥系统可以在变压器励磁状态下使用，节约大量的运行成本。它通过持续降低油中水分子，使油中水蒸气分压远低于绝缘材料中的水蒸气分压，为使变压器中的油纸绝缘达到新的平衡，水分从绝缘材料纤维中移动到油中，这样通过在线运行基于分子筛技术在线干燥系统成功的将变压器绝缘材料中水分处理完成。而同时通过安装在过滤器进出口的微水测量仪，精确监控油中微水含量情况，有效控制在线干燥系统的运行，确保变压器微水处理到位并避免过分干燥。

基于分子筛技术的在线干燥系统支持并可安装在从1.6MVA到1200MVA各容量的新旧变压器产品上。实时微水信息更具有可以通过邮件 或短信的方式发送到控制屏幕或运行专家手机上的功能。在线干燥系统安装简单，运行可靠，维护方便。可以直接固定在箱体上如图，通过变压器本体提供的一个油箱底部和一个油箱上部的油阀直接连接。作为一种预防性的干燥设备，它不仅使干燥处理提前至预防，同时它比传统离线干燥处理节约成本，比传统滤油机处理处理得彻底并不影响变压器本体油中各种气体组分，从而不会对在线检测设备分析数据造成大影响。

六、结束语

如何防止变压器内部绝缘击穿是个长期过程，本文通过论述绝缘材料老化机理和水在油纸绝缘系统中的平衡，探讨如何更近一步的处理变压器内部的水的重要性。通过对对变压器的在线干燥的维护探讨，提出完善电网运行中的状态检修的新方法，并乐于和大家一起对其进行进一步的探讨。

参考文献

[1]选自<<life management techniques for power transformers>> GIGRE A2.18

[2]刘玉仙《变压器油纸绝缘的含湿分析及其对运行安全的影响》，变压器 2002，5月

[3]刘敏《不同含水量对油纸绝缘老化速率的影响》，绝缘材料2008，41

[4]刘宪俊，陆昶，张玉清. 分子筛/聚合物复合材料的研究进展. 化学推进剂与高分子材料.