煤油气相真空干燥法原理及工艺改进

阮势伟

（广西柳州特种变压器有限责任公司，广西 柳州545006）

0 引言

变压器绝缘干燥处理是其制造过程中非常重要的工序，干燥工艺的好坏直接影响到产品的性能和使用寿命。变压器的电气强度、介质损耗在很大程度上依赖于绝缘材料的绝缘强度，而绝缘材料的绝缘强度与材料中水分的多少有很大关系，当绝缘件中的水分大于1%时，就会加快绝缘件的老化速度，甚至造成产品试验不合格。减少水分的主要途径就是干燥处理，目前干燥处理最有效的方法是煤油气相真空干燥法。

1 绝缘材料干燥原理

变压器干燥的目的就是除掉绝缘件中的水分。绝缘件以纸板为主，纸板的主要成分是纤维素。变压器绝缘材料中的水分都是以毛细吸附形式存在。第一阶段：表面干燥，特点是在纸表面的水分以均匀速度蒸发，速度快，易干燥，时间短。第二阶段：内表层干燥，特点是干燥由外向内一层干了之后再干另一层。干燥速度减慢，蒸汽必须穿过已经干燥了的纸层的毛孔向外散发。扩散路径随含水量减少而变长，还要不断克服水分子和纸分子的吸引力。第三阶段：深层次干燥，特点是纸板含水量较低，水分子在克服纸分子二次结合力时所需能量越来越大，速度更慢。当含水量与周围大气含水量平衡时，水分就不再下降。由此看出，要使绝缘干燥达到技术要求，必须让水分由液态变为气态，再通过绝缘材料内部与外围的环境压力差（即水蒸气分压差）把水分排出，水蒸气分压差越大，出水越快，干燥速度就越快。而要实现水分变为气态，可以通过降压（抽真空）和加热来实现。

提高环境的真空度，可使水汽化温度降低，如在1个标准大气压（101 325 Pa）下，水的汽化温度是100℃；当气压降到30 397 Pa时，水的汽化温度是68℃；再降到10 132 Pa时，水的汽化温度只需要45℃。相同压力下，温度越高，水蒸气分压差越大；相同温度下，真空度越高，水蒸气分压差也越大。可见，提高加热温度和真空度是比较有效的干燥方法，而煤油气相真空干燥工艺就可同时满足这2个条件。

2 煤油气相真空干燥的原理

煤油气相真空干燥是用特种煤油蒸汽为载热介质，利用相变换热原理加热并清洗变压器器身，使变压器绝缘的出水量达到一定的要求值，来实现变压器身的干燥处理，特别适合于110 k V电压等级及以上产品的干燥处理和返修变压器的处理。该方法具有以下4个优点：（1）加热温度高。整个干燥过程完全在无氧的环境中进行，因此可以将干燥温度提高到130～135℃。虽然只比传统真空干燥温度提高20℃，但却使绝缘件内的水蒸气分压差提高了2倍以上，从而使绝缘干燥处理最终的含水量更低。（2）加热速度快，绝缘出水快。以煤油蒸汽作为载热介质，除用对流换热方式对绝缘加热外，还在绝缘材料表面发生相变冷凝放热，凝结后的煤油又在绝缘材料的表面进行膜层换热，因此加热速度快。（3）温度分布均匀。热交换可以在所有被干燥物体的表面上进行，在越冷的地方冷凝进行得越快。而热风循环加热时，必须给载热介质以循环通路，产品的一些死角空间难以加热。气相干燥是具有相变的换热，对于死角空间进去的是气相，冷凝放热后出来的是液相，不需要十分畅通的循环通路便可将这些死角空间均匀地加热。另一方面，凝结成液体的煤油，可以携带着热量进入绝缘材料内部，使得绝缘材料的深层温度分布也比较均匀。（4）清洁器身。煤油可以清洗绕组和器身上积聚的尘土和脏污，这些尘土和脏污绝大部分是在加热阶段被冷凝煤油带走的，特别是还能使绕组上的油分分解并将其洗掉，所以对器身有良好的清洁作用。由此看出，煤油气相真空干燥法对变压器具有良好的干燥特性，缺点就是该设备与传统的干燥设备相比，造价高、结构复杂、操作要求比较高、工艺参数多等。

3 煤油气相真空干燥工艺过程及改进措施

3．1 准备阶段

把蒸发器加热至指定温度（70℃以上），用真空机组将真空罐抽至700 Pa。这个阶段一般需要2 h左右。

3．2 加热阶段

此阶段加热系统启动，蒸发器产生的煤油蒸汽对变压器器身进行加热。在加热过程中温度不断升高，真空罐内的水蒸气含量不断增加，罐内的压力也不断增加。这时要开启真空泵，通过冷凝收集罐对真空罐抽真空，维持收集罐和真空罐的压差。在实际操作中，我们发现系统中的2台旋片真空泵经常出故障，影响生产，经过研究分析，认为在加热阶段，大约可以排除90%的水分，同时该阶段也应对器身中的粉尘进行清除，特别是应当修理的变压器，器身里杂质特别多，会有大量油水混合物和杂质进入真空泵，从而不利于设备的运行。因此，我们考虑在加热阶段用液环真空泵代替原来的旋片真空泵工作，该泵比较适合加热阶段的工况，既能满足抽真空的目的，又可保护旋片真空泵。

加热阶段加热时间的长短主要与绝缘结构、绝缘重量和器身总重量有关，可根据运行经验灵活地掌握和处理。为了提高工作效率，保证工作质量，我们对该工序做了以下改进：（1）在加热阶段时间分配上，我们刚开始按总时间的1／3左右分配，后来经过多次调整，发现把加热时间延长到整个干燥时间的60%左右，可使整个干燥时间缩短10%～15%。如对几台ZHSFPTB－93700／220产品分别进行干燥，加热阶段时间分别设置在30 h、33 h、37 h，到干燥结束所用的总时间分别为75 h、67 h、62 h，而且最后的参数分别为：真空度45 Pa、42 Pa、39 Pa，露点温度－50℃、－55℃、－58℃。（2）蒸发器的温度调整：在加热阶段，我们把蒸发器的温度从120℃提高到135℃，发现温度升得较快，再配合2次中间降压，可使时间缩短，器身温度也比以前升高了10℃多，理论上说明干燥效果要好于以前。原因如下：只有在加热阶段尽可能地把水分脱出来，才能保证在干燥的高真空阶段绝缘材料温度不会因水分蒸发而大幅度降低。绝缘件中狭长通道研究已表明，这一区域的温度基本在加热阶段就稳定下来了，绝缘材料缝隙通道在下一阶段由于煤油蒸汽冷凝减少或没有，传导给绝缘件的热量只相当于水分蒸发带走的热量，内在温度不可能再升高，尽管变压器表面的平均温度还在升高。（3）温度的控制：在湿度较大的时候，铁心出现过生锈现象。原因是加热前期，温度控制不好，铁心的温度与器身温度相差太大，器身上的水蒸气在铁心上冷凝，造成铁心生锈。经过调整，在加热前期温度上升速度控制在15～20℃／h，铁心上下温差控制在30℃内，就会消除铁心生锈现象，特别是对于焊接工作量大、水分多的产品要更加注意。（4）加热阶段结束条件：器身温度在120℃以上，铁心温度在115℃以上，连续4 h出水量很少的情况下可结束。

3．3 降压处理阶段

停止送煤油，蒸发器系统停止工作，对真空罐抽真空，把遗留在器身上的煤油变为蒸汽抽出，提高真空度，降压前真空罐内的压力大约10 000 Pa，降压后真空度≤2 500 Pa。结束条件：真空压力≤2 500 Pa，基本没有冷凝液生成，时间（一般需要3～6 h）到可结束。

3．4 高真空处理

进一步提高真空罐的真空度，使绝缘件内的水分和煤油进一步蒸发，达到彻底干燥器身的目的。结束条件：露点达到设定值（－40℃）以下，真空度达到设定值（一般50 Pa）以下，设定时间到。

从实践经验看，如果加热阶段进行得比较好，此阶段真空度值和露点值会很快达到要求；反之，这2个数值提升会很慢很艰难，甚至达不到要求。

4 结语

采用煤油气相真空干燥法来干燥变压器器身，是比较先进的工艺，也是目前大型变压器厂家必用的工艺方法。制定参数时，只有熟悉此设备的原理、性能和结构特点，总结运行经验，才能得出合理的工艺参数，达到既能节约能源、提高效率，又能保证产品质量的目的。

［1］徐成海，张世伟，关奎之．真空干燥［M］．北京：化学工业出版社，2004

［2］赵静月．变压器制造工艺［M］．北京：中国电力出版社，2009

［3］王常林．简介变压器几种干燥方法［J］．化工施工技术，1993（2）

［4］陈新力．现代煤油气相干燥工艺及设备（下）［J］．变压器，1998（1）