基于露点法的电力变压器器身绝缘材料含水量测量

刘利

广州西门子变压器有限公司，广州 510530

摘要：电力变压器器身绝缘件中吸附的水分，将会大幅降低电力变压器的绝缘电阻以及局放起始电压和击穿强度，从而影响电力变压器的安全运行；此外，水分的存在，还将会加速器身绝缘件及绝缘油的劣化速度，从而影响电力变压器的安全使用生命周期。因此，测量电力变压器器身绝缘件的含水量，对于控制电力变压器的安全运行尤其重要。本文介绍了通过露点测试仪去测量电力变压器器身绝缘材料的露点，然后根据露点值与环境温度以及电力变压器本体压力的对应曲线，推算出电力变压器器身绝缘材料的含水量，为判断电力变压器是否具备出厂或者投运提供了有力的质量判断依据。此外，为确保露点测量的准确性，本文还研究了露点测试值的影响因素，以便有效规避因露点测试数据的不准确而引发的潜在质量问题。

关键词：电力变压器；露点；压力；温度；露点仪精准度；含水量

0. 引言

为贯彻落实习近平总书记让清洁能源更好的造福人民的重大要求，近年来，紧随国家清洁、绿色能源西电东送的步伐，国内工程架起了一座座绿色发展桥梁，实现了国家总体层面上能源供需的平衡，为整个国家和社会带来了巨大的经济社会综合效益。作为电力工程的主角之一：电力变压器，在绿色发展的总体目标中发挥着举足轻重的作用。但伴随着电力变压器电压等级越来越高、输送容量越来越大、输送距离越来越远，电力变压器在设计和制造方面面临着前所未有的巨大挑战，同时，电力变压器在运输及库存期间的质量安全，也是我们必须面对并且必须攻克的难题。

电力变压器在出厂试验通过后，需要按照运输图纸的要求拆卸附件。通常在附件拆卸后，电力变压器本体将会根据储存时间的长短，采取合适的储存方式：如果需要长时间存储，则需注油保存；如果短时间内需要安装投运，则会采取充入干燥空气或者高纯氮气，进行正压存放^[1]。工程实际应用中，大多以正压存放居多。但在附件拆卸过程中，器身不可避免的暴露在空气中，导致器身不同程度的受潮。如果器身中的水分没有被及时处理掉，或者处理的不到位，当电力变压器器身中绝缘件含水量超过某一限值后，将会成为整个器身的薄弱点。在外施电压较高时，该薄弱点将会成为液体击穿的通道，从而导致电力变压器绝缘电气性能急剧下降，严重影响电力变压器的安全运行^[2]。资料表明，在运行过程中，当电力变压器绝缘纸含水量由0.13%增加到1%时，其老化速率增加6倍；含水量增加到2%时，其老化速率增加20倍%^[3]。因此，需要严格控制电力变压器器身绝缘材料中的含水量。

前期大量文献虽然描述了电力变压器绝缘件受潮的危害性，但未涉及到电力变压器绝缘材料含水量如何进行测量。之前虽有学者曾经引入过卡尔费休法来测量绝缘材料中的含水量，但该方法需要在电力变压器内部取出小块样品，在试验室经甲醇萃取后测定^[4]，即该方法仅适用于试验阶段。但在实际工况中，电力变压器通常存放于条件比较恶劣的室外，取样较为困难，而且在取样过程中，也会造成样品暴露于空气中，样品经吸潮后测出的含水量，与实际工况已不相同，因此无法满足实际工程需要。

本文站在工程实际应用的角度，尤其针对环境比较恶劣的变电站现场或者运输途中，在大量实践和经验的基础上，详细介绍了通过测量电力变压器本体的露点来计算电力变压器器身绝缘材料的含水量，为判断电力变压器绝缘材料是否受潮提供了简单直观的依据；同时，分析了在测量过程中，可能影响露点数据准确性的影响因素，有效的预防了因测量误差而导致的质量隐患。

1. 露点定义

露点，顾名思义，是指在某一恒定的气体压力下，即在密闭的空间内所含的气态水在达到饱和的状况下凝固成液态水所需要的温度。只有在完全密闭的条件下，即在电力变压器附件拆卸并且重新完成密封后，才具备测量露点的条件。

附件在拆卸过程中，电力变压器器身绝缘纸浅表面吸附的水分，在与空气接触的时候，绝缘纸中吸附的水分和气体的水分将会逐渐在纸板中进行迁移和扩散，在一定的压力和温度下，会达到一种平衡状态%^[5]。在该平衡状态下，通过露点测试仪测量电力变压器器身绝缘材料的露点，再通过露点与绝缘材料含水量的关系曲线图，可推算器身绝缘纸中的平均含水量。

2. 露点测量的影响因素

通过露点法可以测量电力变压器器身绝缘材料的含水量，因此，露点测量的数据准确性，对于电力变压器的质量判断至关重要。通过大量的经验和实践，证明影响露点测量准确性的影响因素主要有如下4点。

1. 1. 电力变压器在密封状况下的压力。

电力变压器只有在密闭的空间内，充入一定的干燥空气或者高纯氮气，在保持一定压力的前提下，才具备测量露点的条件。同一台电力变压器以及相同的环境温度，在不同压力下测量出的露点值波动也会很大。因此，需要对露点测量的正压值，规定统一的基准，方可进行判断。对于电力变压器，通常会将电力变压器本体的压力保持在20~30kPa的压力范围进行测量。然后根据对应的环境温度，即可判断电力变压器器身绝缘件的含水量是否符合出厂或者运行的要求。

1. 2. 环境的温度

电力变压器在同样的压力下，器身绝缘纸的露点值在在不同的环境温度下，测量值通常具有较大的波动。因此，判断电力变压器绝缘件中的含水量是否符合要求，应考虑到环境温度对露点测量值波动的影响。同时，对于电力变压器，在油箱内部压力保持一致的前提下，露点测量应尽量避免早上或者晚上温度波动比较大的时间段，应该选择在差不多的环境温度中进行测量，这样露点测量值才有参考和可比性。

1. 3. 平衡时间

以前在测试的过程中，存在某一误区。部分操作人员可能会在油箱重新密闭并充入规定压力的干燥空气后，马上使用露点测试仪对器身绝缘件的露点进行测试。实际上，在刚充入干燥空气后，电力变压器器身绝缘纸中的水分和冲入的干燥空气还需要一定的时间，才能在油箱内部达到分子级别的平衡。平衡后测量的露点，才是相对准确的露点值。而达到平衡状态所需要的时间，通常与环境、本体温度、本体充入干燥空气的压力大小、以及油箱结构尺寸的大小密切相关。对于常规的交流电力变压器，业界普遍认可器身绝缘纸板表面吸附的潮气和干燥空气混合到达平衡的时间需要6~12小时左右。

1. 4. 露点测试仪本身的精准度

露点测试仪本身的精准度是最容易被忽略的点。作为一个计量器具，为避免测量误差造成质量风险，需对露点测试仪进行定期校验。只有且仅有经校验合格后的露点测试仪，方可用于露点测量。露点测试仪作为一个基准，如果基准本身的精确度偏离标准，那测量的数据就毫无意义，无法用于工程实际应用。

3. 露点测试的操作方法

为了测量电力变压器充入干燥空气或高纯氮气后的真实露点，以判断电力变压器器身绝缘件的含水量，可遵循以下步骤对电力变压器的露点进行测量：

1. 1. 所使用的露点测试仪，在测量前应提前完成校验露点测试仪的校验；

   2. 电力变压器本体内充入质量合格的干燥空气或者高纯氮气，通常充气压力为20~30kPa；

   3. 静放6~12小时，确保干燥空气或高纯氮气与器身绝缘件充分接触平衡；

   4. 将露点测试仪软管，接至电力变压器便于操作的位置，以阀门处为宜。以接于阀门处为例，在接入露点测试仪前，先打开阀门2~3分钟，待软管中完全充入器身侧的干燥空气或氮气后，再将露点测试仪接至软管的另一端。

   5. 开启露点测试仪，待露点测试仪数据稳定后，读取并记录露点数据。建议测量3~5次，以便尽量减少测量过程可能带来的误差。

2. 通过露点判断电力变压器绝缘材料的含水量

基于测量好的露点数据，以充气压力20kPa为例，通过图1中露点-环境温度-绝缘材料含水量对应曲线表，直接可判断出电力变压器器身绝缘材料中的含水量。

　 图1：20kPa时充气露点和绝缘材料含水量的关系曲线图^[6]

从图1中还可以看出，在同样的电力变压器本体压力（20kPa）下,即便在同样的露点数据下，其含水量随着环境温度的不同而不同。以实测露点-50°C为例，如果环境温度为40°C，则器身绝缘件含水量为0.1%；如果环境温度为30°C，则器身绝缘件含水量0.18%；如果环境温度为20°C，则器身绝缘件含水量为0.3%。因此，从图中也可以看出，电力变压器器身绝缘件露点随着环境温度的变化而变化。

DL/T596对运行中电力变压器器身绝缘纸含水量的规定如下： 500kV一般不大于1%；330kV一般不大于2%；220kV一般不大于3%^[7]。但如果合同有特殊规定，还需按照合同的要求执行。

在换流电力变压器中，通常换流变压器技术合同通常都会要求器身绝缘材料在常温下，露点应不低于-55°C，但我司考虑到长途运输以及换流变压器的技术特殊性，通常都会按照优于技术合同的要求去执行。某台高端换流变在出厂前测试的露点数据，可以看出该产品在环境温度24.01°C下，实测露点已达到-61.39°C，根据换流变本体的压力值，参照本文图1曲线，可判断出该换流变器身绝缘件含水量为0.11%，以优于技术标准的要求进行质量输出，有力保障将质量合格的产品交付至现场。

对于出口的电力变压器，考虑到地理位置差异以及长达数月的运输周期，我司通常也将会以优于技术合同的要求产出。表1是我司生产的越南某项目4台500kV电力变压器的露点实测数据。从表中可以看出，该系列电力变压器在环境温度25°C左右，在油箱本体压力26~30kPa下，实测露点均低至-56~-60°C，以高于国际标准以及高端换流变的技术要求对该系列交流电力变压器进行了产出，并在现场获得了客户对该系列产品的一次性顺利验收。

Project Number （项目号）		Q881655	Q881656	Q881657	Q881658
Dew point 露点 （°C）		-58.63	-56.47	-60.56	-60.46
Atmospheric temperature环境温度 （°C）		25.21	25.87	25.9	26.13
Tank gauge pressure油箱本体压力 （kPa)		26	30	28	28
Atmospheric pressure 环境压力 （kPa)		101.35	101.35	101.35	101.35

表1 我司生产的越南某电站电力变压器在出厂前测试的露点数据

5. 露点测量的现实意义

露点测量在实际运行中具有非常重要的意义，广泛应用于电力变压器厂内生产以及现场运维。之前曾经收到某变电站现场运维的电话咨询，称该变电站存在1台备用电力变压器，已在该变电站存放了将近5年。因运行相质量故障，需要尽快将该备用电力变压器进行现场安装并投入运行。但在安装前，测量该备用电力变压器的绝缘电阻，却发现电阻明显偏低，客户想要我司给出快速响应的解决方案。我司基于前期经验，首先建议客户使用经校验合格的露点测试仪对该备用电力变压器进行了露点测量，结果发现露点值明显偏高，通过露点与绝缘材料含水量关系曲线可直接计算出该备用电力变压器的绝缘件含水量，快速高效的判断出该备用电力变压器在存放期间已发生绝缘材料受潮现象。

至于该备用电力变压器的受潮现象，是采取现场维修还是返厂维修，完全取决于绝缘件的受潮程度。如果只是轻微的受潮，可采取保守的“治疗”，比如通过器身抽真空，器身的热油循环等工艺措施，将器身轻微的潮气排出，然后再重新抽真空充干燥空气测露点，直至露点合格为止，也可确保电力变压器满足现场运行的要求；但该备用变压器，通过现场实测的露点值，判断出该器身绝缘材料的含水量已经高达4%左右，已经超出DL/T596对电力变压器绝缘含水量的要求。为稳妥起见，站在产品质量的角度考虑，后来我司还是建议将该备用电力变压器重新拉回生产厂家，将电力变压器器身重新吊芯，入炉重新干燥，干燥后出炉下箱和附件安装，重新完成抽真空注油等工艺流程，再次进行了出厂试验验证。等待试验全部通过后，再发至现场进行安装。目前该变电站的电力变压器已顺利投运，且在运行期间无不良缺陷。

6. 结束语

随着国内电力变压器设计技术和制造水平的逐渐提高，对电力变压器的质量考核也越来越精细，行业也越来越重视电力变压器器身绝缘材料中的含水量控制。本文详细介绍了露点测量的操作步骤和方法；通过经验和实践，指出了电力变压器本体压力、环境温度、平衡时间以及露点测试仪本身的校核有效性，是影响露点测试是否准确的关键因素。最后，通过在额定正压-露点测量值-环境温度和绝缘材料含水量的关系曲线图，可以迅速推算出电力变压器器身绝缘材料的实际含水量。该方法可适用于各种复杂的工况，操作性强，数据直观准确，因而在行业了得到了普遍的认可和广泛应用，为判断电力变压器是否具备出厂或者现场运行提供了有力的质量判断依据，也有效的预防了因电力变压器绝缘材料受潮而引发的现场质量事故。

参考文献

[1] GBJ148-1990, 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[S];

[2] Lundgaard L E, Hansen W, Linhjell D, et al. Aging of

oil-impregnated paper in power transformers[J]. IEEE

Transactions on Power Delivery, 2004, 19(1): 230-

239；

[3] 梁汉城、孙军彦，减少现场安装大型电力变压器绝缘表面含水量的措施，电力建设，2008第29卷，第4期：37-39；

[4] 赵静月、张庆、康运河，电力变压器制造工艺[M]，北京：中国电力出版社，2009；

[5] DL 580-2013，用露点法测定电力变压器绝缘纸中平均含水量的方法；

[6] 田子九，电力变压器充气露点检测即绝缘含水量判定，上海电气技术，2015第8卷，第4期： 9-12；

[7] DL /T 596-2005，电力设备预防性试验规程。

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