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检测油中含水率

工程师或电工正在变压器场检查升压变压器高压状态
维多利亚州
Australia
Published: Nov 10, 2017
电力传输

Powercor Australia 是维多利亚州最大的电力分销商。Powercor 使用永久安装式和便携式油中含水率探头(包括维萨拉 HUMICAP® 水分测定仪 MM70)对变压器运行在线水分监测程序。劣质油的绝缘强度低,甚至可能出现绝缘失效。油处理或更换可以解决大多数油质量问题,但当水分存在于绕组和绕组支撑结构的绝缘纸中时,这些水分会迅速恢复。水分监测为跟踪这种恢复现象提供了方法,而通过在线干燥,可以管理油中含水率,从而保持油的介电裕度。

油中含水率测量

该水分探头可测量以下两种参数:

  1. Aw - 水活度,是指“活性”溶解水分的相对饱和度,分数从 0 到 1。
  2. T - 油温度,以摄氏度为单位。

探头还具有可选的内置算法,可提供以 ppm 为单位的输出。探头出厂时默认采用新的油公式,也可将其他已知的公式以编程方式置入探头。探头的 ppm 值通常低于用于确定油样含水量的卡尔费休 (KF) 测试的 ppm 值。这可能是由于卡尔费休测试捕获的物品中有结合水。在下文中,卡尔费休水分相对饱和度结果被定义为“Rs”。本文中提及的所有变压器均为 66/22kv 铁芯式变压器。

使用永久性探头进行水分监测

12 台 Powercor 变压器已安装了永久性探头。每个探头为监控与数据采集 (SCADA) 系统提供两个模拟输出:ppm 和温度。选择对其进行监测的变压器是那些已知存在油质量问题的变压器,通常相当陈旧,在某些情况下负载很重。大多数都需要在近期进行油再生或更换。对于已拆下散热器组的变压器,探头的首选安装位置是从散热器到主油箱的回油管路的下部排放阀处。这会将探头置于来自变压器热虹吸管的油流中。在未拆下散热器组的情况下,出于类似原因,选择的安装位置是下部散热器排放阀之一。探头具有滑动式密封,这意味着它们可以通过排放阀非常简单地安装,无需停机。

图 1:水分变化,10 MVA ONAN 变压器。图 1 中的变压器是 10 MVA ONAN 变压器,该图展示了负载增加和炎热天气带来的影响。请注意水分是如何在 60 ppm 时达到峰值并且数天都没有恢复的。最后一次油样的 KF 水分含量为 30 ppm。在炎热天气期间,该装置的持续高负载可能会导致水分过多,从而导致介电裕度降低。在线监测表明,对该装置进行脱水操作是明智的选择。

Figure 1: moisture variation,  10 MVA ONAN transformer.

 

图 2:水分比较示例 (SCADA) - 刻度以 ppm 为单位。永久 SCADA 连接使得用户可以在负载和条件相同的姐妹装置之间进行对比分析。显示最低水分含量的变压器大约五年前曾在干燥炉内进行过干燥。

Figure 2: moisture comparison  example (SCADA) - Scale is in ppm.

 

图 3:填充新油后的水分恢复情况。刻度以 ppm/°C 为单位。在图 3 中,20 MVA ONAF 变压器的油量为 17000 升,于 2005 年 10 月 28 日完成换油,承包商所采集油样的水分含量为 11 ppm (KF)。在几天之内,探头数据
显示水分含量已恢复,范围为 16 至 37 ppm。

图 3:填充新油后的水分恢复情况。刻度以 ppm/°C 为单位。

便携式探头

便携式探头也已面世,Powercor 已从维萨拉采购了其中的三种。到目前为止,它们已用于 20 台变压器。这些探头具有电池电源和足够的内存,能够以每小时读取一次的频率存储大约 30 天的数据,基本上相当于电池的寿命。同样,选择的位置通常是散热器排放阀,以确保油流过探头。这些便携式探头使用灵活,可以监测许多个站点。探头安装后可以编程为每隔几分钟记录一次数据。需要回访站点以下载数据,为下一个记录周期清除内存并在需要时为电池充电。

图 4:低水分 -66KV 调节器。在图 4 中,油样显示出异常高的水分和低绝缘电压,22 C 下 KF 测试结果为 43 ppm (Rs =0.7) 绝缘电压 = 36 kV。这很出乎意料,因为该装置最近在干燥炉中干燥过。随后,工作人员快速安装了便携式探头,得到的数据显示很低的水分含量。第二个油样证实了这一点:15 C 下 KF 测试结果为 9 ppm (Rs =0.2) 绝缘电压 = 82 kV。最初的油样很可能被污染了。

Figure 4: low moisture  -66KV regulator.


图 5:水分急剧减少。

Figure 5: dramatic  reduction in moisture.

图 5 显示的是 10/18 MVA ONAF 变压器的数据。水分减少恰逢观测站调试新变压器,这显著降低了该装置的负载。总之,便携式探头为监测在适当位置装有阀门的任何变压器提供了一种非常方便且经济高效的方法。

没有此类配件的变压器也可以在主油箱排放阀或采样阀中安装探头。不过,如果没有油流过探头,结果可能不准确或不能代表总体油况。使用分子筛装置进行干燥。Powercor 有两台分子筛在线干燥机。这些装置安装在手推车上,只需将油泵入含有分子筛材料的滤芯即可去除水分。

它们装有一个水分探头,可以监测进油或出油(取决于旁通阀的位置)。当出口油水分等于(或超过)入口油水分时,滤芯可能已达到饱和,表明应更换滤芯。每个滤芯理论上可以容纳一升水,每台干燥机有四个滤芯。滤芯非常昂贵,目前没有可用的回收选项。这些装置设计用于从底部的主油箱吸入进油,并将油返回到储油器。

这种设计的优点是可以避免空气进入系统时出现任何瓦斯继电器(压力突变继电器)问题。它的缺点是会使新的干燥油接触到油枕的顶部空间。对 Powercor 来说,这个顶部空间与大气相通。迄今为止,这些干燥机已用于九个变压器,结果总结如下。

 

表 1:从部分变压器分子筛干燥机收集的结果

Table 1: molecular sieve dryer  results of some transformers

 

请注意:油参数来自油样(即 KF 和介电击穿测试),但后期油参数“S3”和“L2”例外,它们来自探头。估计去除的水分基于滤芯更换次数以及干燥机入口和出口的水分读数。尽管滤芯的额定容量为 1 升,但人们认为,随着水分含量的降低,它们会在达到该容量之前停止去除水分。为了证明这一点,工作人员配置了称重罐,并将新滤芯和“满”滤芯浸没在油中进行称重。得到的平均增重为 641 克,表明水分含量为 0.641 升。据估计,每组过滤器在 10-20 ppm 的水分含量下可去除 2.6 升水分。人们还发现,在过滤器夹紧装置中添加额外的密封垫圈,干燥机的性能会显著提高。干燥机不是连续运行,而是关闭一段时间以便让水分含量恢复。确定何时停止过滤的一般经验法则是当水分含量始终保持低于 20 ppm 或 0.2 Aw 时。事实证明,维萨拉监测探头在进行这种评估方面很有价值。

 

图 6:监测干燥。图 6 显示了“L2”变压器上的永久探头在 10 个月干燥期间的数据。注意干燥机中的水分减少,以及随后由于纤维素中的水分和油中的水分达到新的平衡而出现的水分恢复。另请注意,随着水分含量的降低,每个日负荷周期内的水分变化程度也会随之降低。

图 6:监测干燥。图 7:典型过滤数据。


纸质滤芯干燥机

Powercor 最近购买了另一款带有纸质滤芯的在线干燥机。该装置通过轴向泵送油,使油流过滤纸卷来去除水分。只要纸比油干燥,水分就会从油迁移到纸上。该装置有一个非常完善的可编程逻辑控制器 (PLC) 控制系统,可以在每个过滤周期后重新干燥滤纸。该装置在进油口和出油口处装有水分探头,并具有数据记录和远程监测设施。干燥机装有水分捕集器,因此可以收集实际去除的水分。

该装置的优点是过滤器寿命比分子筛装置长得多。干燥机与主油箱底部排放阀的进油和顶部放油阀的出油相连。到目前为止,已经对三台变压器进行了干燥,第四台正在进行中。表 2:从采用纸质滤芯的干燥机收集的结果。

Results

请注意:油参数来自油样(即 KF 和介电击穿测试)。由于这些干燥操作是最近进行的,因此尚未进行后续油监测。预计水分含量会有所恢复。该干燥机还具有在“分析”模式下运行的设施,在该模式下,过滤器会被绕过,油将会循环并通过其中一个水分探头得到监测。这不仅提供了监测功能,还提供了干燥功能。图 7:典型过滤数据。请注意:左轴 (Aw) 刻度为 0 到 0.250;右轴(入口油温)刻度为 0 到 45 摄氏度。此示例显示了过滤器充满水分并重新干燥时的锯齿状特征。注意入口油水分的稳定减少。本示例中的过滤时间已设置为长于所需时间(12 小时),因为出口水分超过了入口水分。

持续的努力必不可少

在线水分监测可以为存在水分问题的变压器提供一种有价值的状态监测工具,也可以用于揭示可能存在常规油样采样无法检测到的水分问题的变压器。一种常见现象是,单次严重过载超温事件会迅速增加油中含水率,因为水分是通过纤维素传导的,显然,水分恢复到早期水平可能需要相当长的时间。但是,仅靠监测并不能解决任何问题。可以改善状况的是根据监测结果采取的相关措施。在线干燥通常可以快速改善油的质量,但这种改善可能无法永久保持下去。进行后续监测才是明智之选,而这通常会产生又一次干燥循环。要实现有效的在线干燥,需要付出持续的努力,而且可能需要持续数月的时间。

本文最早发表于维萨拉新闻 175/2007(澳大利亚墨尔本市 Powercor 公司工厂维护工程师 Colin Feely)。

 

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