高壓套管芯體高頻真空干燥工藝研究

張 朝，饒金海，盧宗慧，張 嚴，韓 亮

（北自所（北京）科技發展股份有限公司，北京 100120）

0 引言

目前特高壓電網上使用的套管依賴進口，嚴重制約我國國產特高壓套管的發展，影響特高壓電網重大裝備的國產化。套管制造的核心是電容芯體的干燥技術，該項技術的突破對于特高壓交直流電容套管產品產業化，具有非常重要的意義。

1 國內外高壓套管真空干燥現狀

國內外高壓套管芯體干燥處理的方法主要為外熱干燥法，如熱油循環加熱干燥法和熱風循環加熱干燥法等。此類方式干燥時間很長，芯體絕緣紙老化嚴重，不僅影響使用壽命，而且存在套管芯體干燥不徹底的風險，會造成套管使用中的安全隱患。

以額定電壓126kV套管電容芯子為例，外熱干燥的特點如下：

1.1 干燥時間長

為防止套管芯體內部的電纜紙老化，真空罐壁溫度在干燥過程中一般不大于150℃，利用真空除去水分，可降低水的汽化點，但是真空罐內沒有熱對流，僅靠輻射傳熱，使高壓套管芯體絕緣材料獲得熱量的速度很慢，降低了套管的干燥效率。套管芯體的電纜紙每隔2mm～3mm放置一層鋁箔，由于受到鋁箔的遮擋，干燥時水汽不能從芯體的徑向排出，只能沿軸向排出，大型套管芯體軸向長度可達11米左右，這種結構加大了套管芯體干燥的難度，導致套管芯體干燥的速度很慢。加熱時間長，不僅損失大量的熱能，而且容易造成電纜紙的老化，影響套管的使用壽命。額定電壓126kV套管電容芯子，采用現行工藝干燥時間約300小時左右。

1.2 干燥不均勻

1.2.1 加熱溫場不均勻

真空罐壁為雙層結構，夾層中通入油或熱蒸汽加熱，熱量在真空狀態下主要靠熱輻射傳導到套管芯體。距罐壁越遠，溫度越低，罐內溫度場越不均勻。此外，為提高設備使用效率，設備一次需要同時干燥多支芯體，對于同時進行干燥的芯體產品，所在的溫場更加的不均勻。

1.2.2 傳統干燥方式造成不均勻

實際生產中套管芯體絕緣紙的局部含水量不同，外熱干燥法會造成套管芯體局部干燥不徹底且很難被發現，干燥不徹底的套管運行一段時間后，會出現介損回升的現象，導致套管運行時會出現熱擊穿。

1.3 干燥系統龐大、復雜，運行費用高,占地面積大,效率低，自動化程度低

綜上，現行的外熱法干燥套管芯體造成不均勻、絕緣紙老化、品質一致性差，嚴重影響套管整體質量，這就需要研究其他方法來達到干燥套管芯體的目的。經研究論證，高頻真空干燥工藝是一種可行的工藝方法。

2 高頻真空干燥原理

采用高頻進行加熱、利用真空進行除水的干燥方式，在木材干燥中已有所應用。對高壓套管芯體采用高頻電場進行加熱，與木材的真空干燥相比存在很大差異，木材干燥要求干燥后的絕對含水量在8%～10%左右，高壓套管芯體干燥要求含水量從正常環境中的8%～10%降至0.3%以下。

高頻真空干燥的原理，是將高頻電源加在套管芯體金屬管芯和外部金屬套之間，在套管芯體結構中形成一個高頻電場，水分子在該電場中吸能升溫并且汽化，形成內高外低的溫度和壓力梯度，有利于材料內水分向外排出，加快干燥速度，縮短干燥周期。干燥過程在真空罐中完成，真空環境可以對材料內外形成一個壓力差。這種干燥工藝極有利于套管在內熱下對套管芯體絕緣紙進行干燥。

高頻真空干燥紙芯的最高溫度控制在100℃左右，干燥時間比傳統的干燥時間大幅度縮短，更好的保證了紙的性能。高頻介質加熱不同于高頻感應加熱，極板間只有電場，不會產生渦流，電容芯子中的鋁箔不會被加熱造成溫度過高現象。

3 高頻真空干燥工藝

高壓套管芯體干燥工藝從5個方面進行了試驗研究：

1）裝載方式對干燥特性的影響。

2）高壓套管芯體在干燥中的高頻電場的建立。

3）溫度變化分析。

4）真空度變化分析。

5）高頻頻率、功率對干燥特性的影響。

高壓套管芯體的裝載方式、高頻電場的建立對干燥的影響較大，本工藝采用每支套管芯體單獨裝載在專用金屬管中的方式，配合單獨的高頻發生器，便于對干燥功率的控制。

套管芯體溫度變化對于其排水有較大影響，通過對頻發生器干燥頻率的選擇、功率的調節實現對套管芯體溫度的有效控制。排水過快容易造成套管芯體紙卷的“松卷”，影響使用。通過對不同溫度對排水的影響的實驗數據，制定出最終的加熱升溫的工藝曲線，解決了上述問題，取得的良好的效果。

此外，高壓套管芯體干燥要到達好的效果，需要在真空度較高的真空環境下進行，高頻在真空下會放電，本工藝采用了循環變壓法的工藝方式，成功的解決了此問題。

4 高頻真空干燥的設備

設備是工藝的載體，工藝通過設備來實現。為驗證上述工藝的可靠性，我們研發制造了一臺用于高壓套管芯體高頻真空干燥的自動化干燥設備，由真空系統、自動排水系統、高頻干燥發生器、物料小車及軌道、芯體冷卻系統、自動控制系統等組成如圖1、圖2所示。

圖1 設備總圖

圖2 設備主體照片

4.1 真空系統

由真空罐、真空管道、真空閥門、真空機組、水冷系統等組成。真空罐、真空管道、真空閥門材質均為不銹鋼。整個真空系統不允許無水運行，無水時發出缺水報警，機組不能啟動。前級閥、充氣閥互鎖保護，保護真空系統安全。

4.1.1 真空罐

干燥罐體的直徑φ2000mm、長度約4000mm，材質采用不銹鋼。罐體極限真空度達到＜3Pa，真空系統空載泄漏率：≤10Pa.L/S；真空系統極限真空度：≤1Pa（麥氏計測量）。

罐門開閉操作自動、簡單、輕便，同時充分考慮滿足未來干燥大尺寸套管的需要，采用多個罐體串聯運行的方式用于大型套管的干燥，該設備預留了串聯接口。在罐體上預留了高壓套管芯干燥所需的高頻發生器接線口，套管芯體加熱溫度監控接口等。套管芯體干燥前，需要先把組裝好套管芯體放入工件車（如圖3所示）。

圖3 設備側剖圖

4.1.2 罐門自動開閉

研制罐門自動開啟、關閉系統的出發點，是安全、可靠及操作方便。為此，設計時在罐門的底部采用萬向球及定向限位結構，以方便罐門能在所需的方向輕便的移動。罐門的松開和壓緊采用四組氣缸進行驅動，罐門的平移由伺服電機進行控制。

4.1.3 真空機組

該設備的真空機組由水環泵、羅茨泵、機械泵和分子泵組成。水環泵獲取的真空較低，用于套管紙芯干燥的初期除水，由于水環泵的結構特點，除水時不會發生泵密封油脂被水乳化的現象，從而減少了設備換油維修，提高干燥設備的效率和可靠性。分子泵的使用，可以在套管紙芯干燥末期獲取較高的真空，且無“返油”污染真空罐的現象，提高了套管紙芯干燥品質。分子泵運行時的功率小，節能效果明顯。

4.2 自動排水系統

自動排水系統由排水管道、閥門、儲水罐等組成。在干燥初期，套管紙芯含水較高，出水較多，排出的汽態水遇到真空罐壁凝結成水，積結于真空罐底部，為快速排除積水，在真空罐的底部設計有排水管道，將水引入下面的儲水罐，排水管與儲水罐裝有截止閥便于控制。儲水罐裝有自動稱重系統，可以自動稱取儲水罐中水的重量，自動計算出套管紙芯的出水速率，據此可以判斷干燥初期的階段是否結束。套管紙芯出水的速率做為重要的控制反饋信息，再結合對高頻加熱速度、套管紙芯溫度、真空度等變量的控制，進而對套管紙芯出水速率進行有效的控制，意義在于解決了套管紙芯出水過快對紙張造成的不利影響。

可以在系統中制定紙芯出水速率的標準工藝曲線，計算機據此自動完成對干燥過程的控制。

4.3 高頻干燥發生器

高頻發生器的工作頻率范圍為4～12MHz，是高頻干燥的核心部件。使用高頻干燥發生器加熱，套管芯體升溫迅速，不存在間接加熱的延遲效應，加熱溫度控制也更加精準可靠，便于實現自動控制。

4.4 物料小車及軌道

真空罐體內的底部設置有導軌結構，沿罐體的長度方向延伸至開口，物料小車的底部具有與導軌結構配合的滾輪，當物料小車推至真空罐體的開口處，即可與導軌結構配合，直接推入真空罐體內，并且，傳統的高壓套管芯體干燥廠房為了在一定時間內干燥高壓套管數量最大化，而將真空罐體豎直放置，從而能夠在同等面積的廠房內容置更多的真空罐體，還需配備專門的吊裝裝置將高壓套管芯體提升或下放入真空罐體內，采用高頻干燥，由于干燥周期大大縮短，可將真空罐體水平放置，也不會降低產量，能夠直接采用導軌結構將物料小車送入真空罐體內即可，更加方便安全。

將制作好的套管放入專用的物料車，物料車一次可裝載12支套管（φ114mm，長2340mm）。

4.5 芯體冷卻系統

由于產品結構特性決定了套管芯體中部溫度偏高。為避免由于中部溫度過高對油紙層產生損傷，采用了在真空中空氣冷卻的方式進行降溫，以最大限度提升設備的干燥效率。

4.6 自動控制系統

整套系統由工控計算機和控制組柜組成。控制功能兼有自動和手動控制功能。運行監控，套管加熱溫度、真空度等在監控計算機上實現設定和顯示，并能傳送到中央控制室。

每支套管芯體均有獨立加熱系統，采用先進的紅外測溫系統對每一支套管芯體溫度進行檢測，通過選取關鍵點的溫度，來實現芯體獨立進行加熱控制。干燥過程的實時狀態、溫度等進行了可視化設計，如圖4所示。

圖4 套管芯體干燥過程實時監控

5 高頻真空干燥工藝的優點

5.1 干燥周期短

高頻套管芯體干燥在真空環境下進行，其表面的蒸汽壓力和溫度下降的很快，導致套管芯體內部的蒸汽的壓力大于表面的壓力，芯體內部的溫度大于表面溫度，形成的壓力梯度和溫度梯度方向是一致的，驅動液態水和水蒸氣流向表面，因而干燥進行得非常快。設備一次可以同時干燥12支額定電壓126kV 套管電容芯子，其含水量約8%～10%，采用高頻干燥，僅用了約72h，高壓套管獲得較低介損（0.4%）以下，時間約為傳統真空干燥周期300小時的1/4。

5.2 干燥品質優良

經“高頻真空干燥工藝”處理的12支額定電壓126kV套電容芯子，按GB/T4109-2008《交流電壓高于1000V的絕緣套管》對于介質損耗（tanδ）、電容量的測量、工頻干耐受試驗、局部放電量的測量、抽頭絕緣試驗及油色譜分析等指標完成逐個試驗。結果顯示，所有指標均滿足相關要求，套管芯體介質損耗檢測如表1所示。裝成套管介損0.344（20℃），滿足GB/T4109-2008中對套管要求（＜0.7%）。

表1 套管芯體介質損耗檢測

根據干燥后解剖的四個套管芯體可以看出，芯體處理完成后外觀無開裂、伸縮異常等，產品內部無物理和電氣損傷，絕緣紙與干燥前顏色一樣，無任何老化痕跡。

經檢測絕緣紙老化程度DP值為1052。依據紙老化程度與干燥溫度和時間的相關曲線和系數，以及IEC 60076-7《油浸電力變壓器用裝備指南》中推薦紙老化公式（如圖5所示），經過理論計算，高頻干燥后紙聚合度應在1000左右，實際樣品測量為1052，與理論計算相符。按GB/T 29305-2012《新的和老化后的纖維素電氣絕緣材料粘均聚合度的測量》中對不同紙樣聚合度值進行評價如表2所示，紙樣聚合度應屬于新鮮。

圖5 聚合度與時間

表2 紙樣聚合度評價表

電場對紙老化無明顯影響，紙干燥時溫度與持續時間是決定紙老化程度的關鍵因素，由于高頻干燥工藝干燥時間短（總時長約72小時）、溫度低（最高溫度在100℃左右），對紙的老化程度（DP值）影響小。

5.3 套管芯體干燥均勻性好，產品干燥一次合格率高于國內外現行所有干燥工藝

干燥開始的時候，芯體絕緣紙中含的水分量較大，從高頻電場中吸收的電場能量越大；隨著絕緣紙中水分的逐漸干燥減少，從高頻電場能吸收電場能量隨之減小，這就是高頻干燥的自適應性。高頻干燥的自適應性，從根本上解決了套管芯體局部干燥不徹底的缺陷。

5.4 節能高效，經濟和社會效益明顯

加熱時套管芯體放在用不銹鋼制成的真空室內，是個封閉的腔體，電場能量無外泄。這種干燥工藝可以讓電容型絕緣結構整體均勻徹底地干燥，與國內外先進的油或熱風循環加熱真空干燥相比較，生產能耗低，運行成本低。高頻干燥工藝的成功運用，將對特高壓交直流電容套管產品國產化、產業化起到關鍵作用。

5.5 減少環境污染

該設備運行時，對周圍環境無任何污染。

5.6 簡化工藝

傳統干燥方法需要在套管芯子卷制前進行預干燥，將絕緣紙原紙捆或裁剪成條卷捆，在烘箱或真空室內加熱進行預干燥，去除絕緣紙中少量自由水；在卷制過程中的干燥，是在原紙捆或條卷捆打開后卷入芯子前，單層紙狀態時，利用烘燈干燥系統及油加熱系統，在走紙路徑上對絕緣紙進行逐層連續干燥，費時費力，而且反復加熱會加劇紙張老化，原紙捆或條卷捆在卷制過程中，暴露在空氣濕度約50%的車間環境中，很容易再吸水。

高頻干燥方法可省略絕緣紙卷制前及卷制中的干燥過程，對卷制方式要求不高。

6 結語

高頻套管紙芯干燥工藝，高效節能，可縮短干燥周期，保證干燥質量。解決了套管芯體絕緣紙老化、局部干燥不徹底的問題，提升了套管芯體的干燥質量，在特高壓油紙電容式套管電容芯子干燥中的優勢更加明顯。

設備自動化程度高，對紙芯的加熱溫度、干燥罐體的真空度進行自動監控，每支套管均可以根據系統設定的工藝曲線自動進行干燥，排除了人為和其它因素的干擾，有科學的終點判據。全過程由計算機控制，實現了生產過程的自動化和信息化，每支套管芯體干燥過程中的溫度、真空度等關鍵數據均可以自動保存在系統中，方便導出進行數據分析，對于干燥工藝的進一步優化有重要的意義，適用于大規模的工業生產。