靜電吸附凈油反應(yīng)器的設(shè)計優(yōu)化及應(yīng)用性能

石榮雪，劉克成，張立軍，孫東平，王浩然，孫墨杰

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院)

變壓器絕緣油(簡稱變壓器油)是一種填充在充油電氣設(shè)備內(nèi)部的絕緣介質(zhì),承擔(dān)著絕緣、滅弧、冷卻等重要作用[1]。變壓器油在運行過程中會發(fā)生老化,逐漸生成各種雜質(zhì),如醇、醛、羧酸等[2]。油品老化后,其物理、化學(xué)和電氣性能大幅下降;老化嚴(yán)重時會引起設(shè)備內(nèi)部放電,甚至產(chǎn)生變壓器燒毀、炸裂等事故。針對變壓器油易發(fā)生老化的問題,往往采用在變壓器油中添加抗氧劑等添加劑,并在變壓器注油前將設(shè)備抽真空,避免氧化性氣體的進(jìn)入[3]。

然而,變壓器油老化問題無法避免,因此開發(fā)老化變壓器油凈化再生技術(shù)對延長變壓器油使用壽命、降低變壓器運行成本意義重大。目前,老化變壓器油的傳統(tǒng)再生方法主要有:離心分離法[4]、沉降法[5]、壓力過濾法[6]、真空過濾法[7]、吸附劑再生法[8]等。沉降法和離心分離法都是利用油液與雜質(zhì)的密度不同進(jìn)行分離,沉降法是在重力作用下,使大顆粒大密度雜質(zhì)自然沉降,離心分離法利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力加速雜質(zhì)與油液的分離,其效果優(yōu)于自然沉降法,但是這兩種方法都難以分離油品氧化產(chǎn)物等與油品密度相近的雜質(zhì),僅適用于對臟污變壓器油的初步凈化。壓力過濾法是在外加壓力下通過濾材實現(xiàn)凈化,因此絕緣油的凈化程度主要取決于濾孔大小,但是小孔徑濾材會大大增加能耗,且極易造成濾孔堵塞、壓力急劇上升等狀況。真空過濾法主要用于油中水分的去除,利用油液和水分的沸點不同,在抽真空條件下去除油中微水,但是無法去除油中機械顆粒、膠狀氧化產(chǎn)物等固體雜質(zhì)。吸附劑再生法利用白土、硅膠、活性氧化鋁等吸附材料對油液顏色及油中部分雜質(zhì)進(jìn)行去除,但是這類材料對于亞微米級顆粒的去除效果并不理想,且會產(chǎn)生難以處理的二次污染物。以上幾種凈化方法各有其局限性,針對變壓器油凈化再生方法的選擇,可以根據(jù)油品污染程度和處理后油品質(zhì)量要求將多種方式聯(lián)合處理,但由于凈化程序的增加和設(shè)備的投入,這種處理方式不僅操作繁瑣且會增加成本。

經(jīng)分析可知,變壓器油中的雜質(zhì)主要為烴氧化產(chǎn)物、酸性組分、微量水分、金屬顆粒等,傳統(tǒng)凈化方法只能去除部分雜質(zhì),而且對于亞微米級雜質(zhì)顆粒的處理效果不佳。相比之下,靜電吸附凈油技術(shù)是指通過施加電場,使油品中的納/微米級污染物發(fā)生電泳和介電電泳(DEP),產(chǎn)生靜電從而吸附去除雜質(zhì)的技術(shù)[9]。該技術(shù)的優(yōu)點是:在碰撞摩擦等作用下,帶電雜質(zhì)在電場中會向電性相反的電極方向移動,而本身電中性的雜質(zhì)會在電場作用下感應(yīng)帶電或發(fā)生偶極化作用,在雜質(zhì)兩側(cè)產(chǎn)生異電荷并因此受到電場作用力,當(dāng)雜質(zhì)兩側(cè)所受的電場力不同時,其在電場中發(fā)生定向遷移而去除。因此,靜電凈油技術(shù)可以去除變壓器油中的絕大多數(shù)雜質(zhì),對亞微米級顆粒的去除效果尤其顯著。

靜電凈油法首先由日本提出,并在1976年研制出第一批靜電凈油設(shè)備用于廢油的凈化再生工作。起初,靜電凈油設(shè)備所用極板均為平行極板,但是這種極板形狀只能產(chǎn)生均勻電場,只能使變壓器油中帶電的雜質(zhì)顆粒受到作用力,使其在變壓器油中發(fā)生定向移動形成粒子流,進(jìn)而帶動油中電中性雜質(zhì)顆粒發(fā)生移動。由于均勻電場對感應(yīng)帶電的電中性雜質(zhì)作用合力為零,因此這種電場結(jié)構(gòu)并不能直接處理變壓器油中的電中性雜質(zhì)。隨著靜電凈油技術(shù)的發(fā)展,在介電分離理論的指導(dǎo)下逐步發(fā)展出由導(dǎo)電圓筒形外殼與中心電極所構(gòu)成的筒狀結(jié)構(gòu)凈油裝置,這種裝置能產(chǎn)生梯度電場,但是由于電場強度及電場梯度隨著離中心電極的距離呈指數(shù)衰減,因此依然難以對電中性雜質(zhì)起明顯的去除作用。因此,設(shè)計一種高梯度電場以去除油中的電中性雜質(zhì)和帶電雜質(zhì),對于靜電凈油技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。

為提高雜質(zhì)凈化率并保證油品質(zhì)量,本研究設(shè)計一種高梯度電場以去除油中的電中性雜質(zhì)和帶電雜質(zhì),并用該電場進(jìn)行凈化臟污變壓器油正交試驗,優(yōu)化電場處理后油品的各項指標(biāo)(尤其是介質(zhì)損耗因數(shù)),并探索其最佳運行參數(shù)。

1 變壓器油中帶電粒子的受力分析

靜電吸附凈油技術(shù)最初是給平行放置的兩塊極板施加數(shù)千伏電壓,使油中帶電雜質(zhì)遷移至電極而被吸附脫除[10]。早期靜電凈油機一般由兩塊平行極板和固定在極板上的集塵體構(gòu)成[11],當(dāng)對平行極板施加一個高壓靜電場時,由于離子在液體中的優(yōu)先吸附以及可解離基團(tuán)在粒子表面的解離,液體中的粒子通常帶正電或負(fù)電,可在電場作用下運動[12]。然而對于中性極性粒子(如水分子等),只有當(dāng)電場為梯度電場時,極化后正負(fù)電荷中心受到大小不同的電場力,粒子才會朝電場強度、梯度更大的方向移動[13-15]。因此,對油中帶電粒子進(jìn)行受力分析,探討靜電場下雜質(zhì)被去除的機理和方法,假使雜質(zhì)污物為球體。

雜質(zhì)顆粒在電場中的受力分析如圖1所示。給流動的油液施加一個高壓靜電場,油中雜質(zhì)顆粒受到庫侖力F1、鏡像力F2、梯度力F3及黏滯阻力F4。

圖1 帶電粒子在電場中的受力分析模型

在垂直x方向建立受力平衡方程:

(1)

(2)

式中:k1、k2為常系數(shù),kg·m/(s2·V2);ε1為油液的相對介電常數(shù);ε2為吸附材料的相對介電常數(shù);E為電場強度,V/m;R為污染顆粒半徑,m;d為正負(fù)電極板間距,m;μ為油液的動力黏度,g/(cm·s);v為垂直x方向的速率,m/s。

整理得:

(3)

(4)

由于Y1是常數(shù),當(dāng)t很大時,e-Y1t衰減迅速,方程近似為:

(5)

當(dāng)電場強度是油液流向的函數(shù)(即電場為不均勻電場)時,變換微分變量:

(6)

(7)

對于中性極性雜質(zhì),由于其不受庫侖力的作用,因此受到合力為:

(8)

整理得:

(9)

解微分方程:

(10)

2 靜電吸附凈油反應(yīng)器的設(shè)計

產(chǎn)生非均勻電場的方法包括在均勻電場中置入介電基體以及將發(fā)電極板制備成不規(guī)則形狀兩種。基于非均勻電場產(chǎn)生原理,Kawasaki等[16]設(shè)計了圓柱形凈油機,在容器內(nèi)以同軸關(guān)系布置多個圓柱形正負(fù)電極板,形成由最內(nèi)電極板包圍的最內(nèi)室和在各個電極板之間形成的外室構(gòu)成的多電場區(qū)域,以及分別布置在最內(nèi)室和外室中的絕緣集塵器,集塵體分別成波紋狀“之”字形布置,另外在每個相鄰的兩個極板元件之間等距設(shè)置可拆卸的絕緣隔板,這種結(jié)構(gòu)可以在避免短路潛在危險的同時實現(xiàn)高效率,凈化效率是單一電場的兩倍。何海峰等[17]基于非均勻電場產(chǎn)生原理,將平板電極改造為“城垛”形電極,并將高介電常數(shù)的鈦酸鍶鋇電介質(zhì)置入電場中進(jìn)一步提高梯度,通過固相法制得適于凈油的平均粒徑為47 μm的Ba0.7Sr0.3TiO3瓷粉,制備的Ba0.7Sr0.3TiO3陶瓷常溫下介電常數(shù)在10 000左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過油液,可在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生較大梯度,將其用于測試對油液中Fe2O3的吸附,凈化效率高達(dá)91.08%。由于靜電凈油設(shè)備對電場強度、梯度等有較高的要求,且在靜電凈油的過程中,油品在反應(yīng)器中流動以實現(xiàn)循環(huán)凈化,在均勻電場中加入介電基體產(chǎn)生非均勻電場的方法不適用于此反應(yīng)器的設(shè)計。因此,基于非均勻電場產(chǎn)生的原理,將平行極板改造為曲面極板,在部分電場區(qū)域產(chǎn)生梯度,綜合考慮電氣、機械等因素,對反應(yīng)器的極板間距、材料、尺寸、循環(huán)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計、制作和測試,使油中中性或帶電分子均在電場力的作用下發(fā)生定向移動,從而被吸附去除。

2.1 反應(yīng)器的設(shè)計方案

在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置5塊銅板,其中平行極板與“波浪”形極板交疊等距排列。將整個反應(yīng)器分割為4塊結(jié)構(gòu)一致的凈油區(qū)域,各區(qū)域電場分布相同。平行極板彼此并聯(lián),接電源正極,“波浪”形極板并聯(lián)后接負(fù)極。設(shè)置反應(yīng)器的極板材料為銅,如圖2(a)所示,利用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件建立反應(yīng)器幾何模型,并根據(jù)試驗參數(shù)仿真反應(yīng)器的電場分布,對電場梯度進(jìn)行分析計算,優(yōu)化后平行極板尺寸為長50 mm,寬50 mm,厚1 mm,波峰與平行板間距為10 mm,波長為20 mm,波高為8 mm;極板間區(qū)域定義為變壓器油,設(shè)置其相對介電常數(shù)為2.2;在此基礎(chǔ)上分別施加8,12,16 kV直流電壓,電場分布仿真結(jié)果分別如圖2(b)～圖2(d)所示。

圖2 自制凈油反應(yīng)器示意和不同電壓下電場分布

如圖2所示,所設(shè)計的反應(yīng)器極板間存在較大的電場強度差,從而形成了很大的電場梯度,同時由于平行極板與“波浪”形極板相對,避免了“圓筒”形凈油機電場強度隨離中心距離增大而指數(shù)性下降的缺陷。以圖2(c)和圖2(d)為例,當(dāng)對反應(yīng)器施加12 kV的直流電壓時,最高可產(chǎn)生2.46 kV/cm的梯度,當(dāng)對反應(yīng)器施加16 kV的直流電壓時,最高可產(chǎn)生3.21 kV/cm的梯度,這一結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器在極板表面附近形成了良好梯度電場,有利于變壓器油的凈化。

2.2 試驗裝置

本試驗設(shè)計采用外循環(huán)的結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由反應(yīng)器主體、泵、流量計、儲油箱和若干管道組成,油品由輸油泵抽入反應(yīng)器內(nèi),流速可通過設(shè)置泵速調(diào)節(jié),具體數(shù)值通過流量計直觀顯示,如圖3所示。

圖3 試驗裝置

油品的循環(huán)凈化時間為30 min;反應(yīng)器容量為280 mL;凈化油量為840 mL。試驗所需老化變壓器油來自某電科院回收的220 kV變壓器;集塵纖維為尼龍濾紙。測量儀器:油品的介質(zhì)損耗和體積電阻率由吉林星光科技有限公司xj-50絕緣油介電強度自動測試儀測定,油品中水分含量由吉林星光科技有限公司BCKF-3型卡爾費休水分測定儀測定,酸值由吉林星光科技有限公司XSZ-6型油酸值測定儀測定。

2.3 試驗步驟

試驗前對設(shè)計的反應(yīng)器及凈化系統(tǒng)進(jìn)行密封性能測試、可循環(huán)性能測試和絕緣性能測試,以保證反應(yīng)器系統(tǒng)的安全性能良好,且能連續(xù)循環(huán)運行滿足設(shè)計要求。將集塵體緊貼在正負(fù)極板表面,通過導(dǎo)線將高壓直流電源與靜電吸附裝置的正負(fù)極相連。將儲油箱、輸油泵、流量計和靜電吸附裝置的進(jìn)油管和出油管通過管路進(jìn)行連接,使整個系統(tǒng)密閉循環(huán)。待凈化油品置于儲油箱中,通過油泵連續(xù)均勻地抽入靜電吸附裝置,直至油品充滿整個靜電吸附裝置,且從出油管通過管路回到儲油箱后,打開高壓直流電源,使整個系統(tǒng)連續(xù)循環(huán)運行30 min,切斷電源,油品凈化完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 油品凈化測試結(jié)果

對未經(jīng)凈化的變壓器油進(jìn)行了性能測試,測試結(jié)果如表1所示。

表1 凈化前變壓器油部分參數(shù)

凈化前變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)超國家標(biāo)準(zhǔn)《運行變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 7595—2017)要求值,這是因為該變壓器油樣老化程度較深,油內(nèi)極性雜質(zhì)含量高。酸值和水分含量只反映了變壓器油中游離脂肪酸和水分的含量,而介質(zhì)損耗因數(shù)則綜合反映了變壓器油的電氣性能,主要是極性雜質(zhì)和膠體粒子的含量。

由于該凈化系統(tǒng)對變壓器油的處理效果受到直流電壓、溫度和油液流速的共同影響,為了科學(xué)準(zhǔn)確探究出不同因素對凈油效果的影響程度,減少試驗工作量,對這3個影響因素進(jìn)行9組靜電吸附凈油正交試驗,以研究各因素對試驗結(jié)果的重要程度及影響趨勢,調(diào)變的因素如表2所示,試驗以介質(zhì)損耗因數(shù)、水分含量、酸值和體積電阻率為靜電吸附試驗效果的衡量指標(biāo),以尼龍濾紙為集塵體,以此來評價反應(yīng)器的凈油性能,并獲得設(shè)計的靜電吸附凈油反應(yīng)器的最佳工作參數(shù)。

表2 正交試驗的因素和水平

試驗為三因素三水平,因此選擇L9(33)正交表可全面地反映出試驗結(jié)果,9組正交試驗的調(diào)變參數(shù)如表3所示。

表3 正交試驗方案

試驗測得的油品介質(zhì)損耗因數(shù)、水分、酸值和體積電阻率結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗油品指標(biāo)測試結(jié)果

由表4可知:處理后的變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)均降到0.010以下,最低可以降為0.003 76,約為凈化前介質(zhì)損耗因數(shù)的1/11。除試驗1,6,7外,均滿足投入運行前變壓器油的國家標(biāo)準(zhǔn)要求(0.005),這是因為試驗1,6,7所用的8 kV電壓較低,不足以使變壓器油中的微小粒子產(chǎn)生足夠的介電泳力;經(jīng)處理后變壓器油的水分變化不明顯,從凈化前的32.0 mg/L降到25.8 mg/L,這是由于變壓器油中的微量水分難以發(fā)生極化作用,只有當(dāng)微量水液滴中溶有酸性組分或者含有其他容易發(fā)生極化帶電的雜質(zhì)時,才能通過其他雜質(zhì)帶動微小水滴的移動;經(jīng)處理后變壓器油酸值均降到0.03 mgKOH/g以下,滿足新油國家標(biāo)準(zhǔn)要求,最低可降至0.010 6 mgKOH/g,約為處理前酸值的1/5,這是因為變壓器油中的酸性組分主要為烴氧化產(chǎn)物,其所含的羧基、酚羥基等有著極強的電極性,在電場中容易發(fā)生極化作用,并且當(dāng)這些酸性組分溶于水時,含氧官能團(tuán)的電離會使粒子帶有電荷;處理后的變壓器油體積電阻率均提升到了6×1010Ω·m以上,滿足新油國家標(biāo)準(zhǔn)要求,最高可提升到9.909 2×1010Ω·m,其中試驗1,6,7對體積電阻率的提高幅度較小,這一結(jié)果與介質(zhì)損耗因數(shù)測試結(jié)果相一致。

3.2 油品凈化結(jié)果分析

通過正交試驗,發(fā)現(xiàn)經(jīng)自主設(shè)計組裝的靜電凈油裝置處理后的變壓器油,各項指標(biāo)均得到優(yōu)化,其中介質(zhì)損耗因數(shù)大幅降低,證實該設(shè)備可用于變壓器油的深度凈化,水分含量通過凈化也略有下降,對正交試驗的結(jié)果進(jìn)行極差分析,結(jié)果如表5所示,其中I為對應(yīng)試驗所測指標(biāo)的數(shù)值之和,R為各對應(yīng)列上的極差,根據(jù)極差的大小得到各因素對結(jié)果的影響程度,從而確定裝置的最佳工作參數(shù)。

表5 正交試驗的極差分析結(jié)果

根據(jù)表5極差分析可知:當(dāng)以介質(zhì)損耗因數(shù)為主要指標(biāo)評價因素時,按影響力排序為電壓(0.009 87)>溫度(0.001 97)>流速(0.000 73);當(dāng)以酸值為主要指標(biāo)評價因素時,按影響力排序為電壓(0.026 2)>溫度(0.017 3)>流速(0.009 9);當(dāng)以水分為主要指標(biāo)評價因素時,按影響力排序為電壓(5.4)>溫度(2.0)>流速(1.1);當(dāng)以體積電阻率為評價因素時,其主次關(guān)系為電壓(5.865 7×1010)>溫度(1.968 3×1010)>流速(1.788×109)。綜上可知,電壓大小是影響凈化效果的主要因素,其次是溫度和流速。

對正交試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析可得出影響試驗結(jié)果的各因素顯著性水平,以變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)為主要考察目標(biāo),將試驗結(jié)果列于表6。

表6 正交試驗的方差分析結(jié)果

用n表示試驗數(shù),用a,b,c分別表示因素A(電壓)、B(溫度)、C(流速)的水平數(shù),用ka,kb,kc表示A,B,C因素的水平重復(fù)數(shù)。其中,n=9,a=b=c=3,ka=kb=kc=3。計算各項平方和與自由度,得到如下結(jié)果:

矯正數(shù):C=I2/n=0.046 172/9=2.37×10-4。

A因素平方和:SSA=∑IA2/ka-C=1.8×10-5。

B因素平方和:SSB=∑IB2/kb-C=3.33×10-7。

C因素平方和:SSC=∑IC2/kc-C=0。

誤差平方和:SSe=SSI-SSA-SSB-SSC=2.67×10-7。

總自由度:dfI=n-1=8。

各因素自由度:dfA=dfB=dfC=a-1=b-1=c-1=2。

誤差自由度:dfe=dfI-dfA-dfB-dfC=8-2-2-2=2。

其方差分析結(jié)果見表7,并進(jìn)行F檢驗。

表7 方差分析結(jié)果

查閱F分布表,發(fā)現(xiàn)F0.05(2,2)=19。由表7可知,只有FA>F0.05(2,2),說明電壓對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響較為顯著,而溫度、流速等因素的影響均不顯著,這與上述極差分析結(jié)果一致。較大的電場力可提供更大的合力,但電壓并不是越高越好,當(dāng)施加16 kV電壓時,效果并不明顯優(yōu)于12 kV電壓,反而凈化效果還受到了影響,這是由于當(dāng)電壓升高時雜質(zhì)尖端體電荷密度快速增大,局部電場隨之增大,使雜質(zhì)內(nèi)部的電子被激發(fā),碰撞后帶上異電荷,不斷改變粒子的運動方向,不能被集塵體吸附捕捉。溫度主要影響了油液的黏度,溫度的升高有利于減少黏滯阻力,提高吸附效率。當(dāng)流速升高時,污物雜質(zhì)移動加快,縱向力增加,定向運動時間縮短,影響設(shè)備工作效果,并且流速過快可能造成油流帶電,因此流速應(yīng)控制一定的范圍內(nèi)。綜合試驗結(jié)果表明,該靜電凈油裝置的最佳工作參數(shù)為:電壓12 kV、溫度45 ℃、流速0.1 m/s。

4 結(jié) 論

基于非均勻電場產(chǎn)生原理,設(shè)計了一種靜電凈油裝置,反應(yīng)器內(nèi)部通過平行極板與“波浪”形極板交疊平行排列產(chǎn)生非均勻電場,通過高壓梯度電場與集塵體協(xié)同工作,高效吸附變壓器油中的雜質(zhì),降低變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù),達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求值,提升變壓器油品質(zhì),保證了油品的循環(huán)再利用。

該靜電凈油裝置的最佳工作參數(shù)為:電壓12 kV、溫度45 ℃、流速0.1 m/s。在此條件下進(jìn)行試驗驗證,油品介質(zhì)損耗因數(shù)由0.042 58降至0.003 76,酸值由0.052 3 mgKOH/g降至0.017 2 mgKOH/g,表明在此參數(shù)下能較好的凈化變壓器油。

采用靜電吸附技術(shù),利用施加的高壓電場驅(qū)動油液中亞微米級雜質(zhì)分離,完成油液的深度凈化,解決了傳統(tǒng)凈化方法效果差,尤其是介質(zhì)損耗因數(shù)不能得到有效降低的問題。該技術(shù)在凈化變壓器油領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。