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1、第4 4 卷第7 期 .刹潇 2犯 瓜 玉 笋长泥加丛刃V D I 一 4 4 2 0 0 7 年 7 月J u lyN O . 72 0 0 7绝缘纸板干燥过程 微水分扩散模型的 建立及应用李万全 ( 重庆三峡学院， 重庆 4 0 4 0 0 。 )摘要: 介绍了 绝 缘纸板微水分检测系统， 提出了 绝缘纸板内 部微水分扩散及微水分分布算法， 并对干燥动力学规律进行了分析研究。 关键词: 绝缘纸板; 微水分; 扩散; 模型 中图分类号: T M 4 0 1 + . 1文献标识码: B文章编号: 1 0 0 1 一 8 4 2 5 ( 2 0 0 7 ) 0 7 一 0 0 2 5 一 0 5
2、E s t a b lis h m e n t a n dA P P lic a t io no f M o is t u r eD if f u s io nM o d e I jnP r e s s b o a r dD ry i n gP r o c e s sL I Wa n 门 u a n ( C h o n g q in gT h r e eG o r g e sU n iv e r s it y ， C h o n g q in g4 0 4 0 0 0 ， C h in a )A b s t r a c l : A m o is t u r ed e t e c t io ns
3、 y s t e m f o rP r e s s b o a r disin t r o d u c e d . T h ea !g o r it h m f o r m o is t u r ed iff u s io na n dm o is t u r ed is t r ib u t io ninP r e s s b o a r disP r e s e n t e d .T h ed r y in gd y - n a m icla wi sa n a ly z e da n dr e s e a r c h e d . K 6y w o rd s : P r e s s b o
4、 a r d ; M o is t u r e ; D iff u s io n ; M o d e l1引言绝缘纸板是大型电力变压器的主要绝缘材料， 其含水量对变压器的性能、 可靠性及使用寿命影响 很大。因此， 应对绝缘纸板进行真空干燥， 使纸板含 水质量分数低于0. 3 %。 介电测量技术是目 前已得到 广泛应用的无损检测测量技术。含有水分的绝缘纸 板在外电场作用下会发生极化， 在交变电场中发生 介电损耗， 利用绝缘纸板这种电介质中所含水分对 介电常数和损耗率的影响， 通过电容传感器确定水 分含量与介电特性之间的关系， 就可达到绝缘纸板 干燥过程中在线检测的目的。变压器绝缘纸板在干燥过程中
5、， 其内部的水分 分布会由于自 身的几何特征、 初始条件及边界条件 的不同而有所不同。对水分扩散过程的研究将有助 于对变压器干燥过程进行合理控制， 但目前国内外 对于纸板内部水分扩散机理的研究还很少。单传感 器检测试验研究主要描述干燥过程中绝缘纸板的 平均含水率的变化情况。要进一步分析和再现绝缘 纸板内部的水分扩散过程， 需要确定绝缘纸板内部水分的有效扩散系数， 因为它反映了物料在一定干燥条件下的脱水能力，也是制定合理的干燥工艺的 重要参数之一。 文中针对绝缘纸板的一维扩散方程， 给出了绝缘纸板内部水分分布的计算公式。然后介 绍了试验条件下的绝缘纸板干燥检测过程， 并利用 一维扩散方程对干燥过
6、程微水分的分布进行计算， 以确定产品干燥工艺是否合理。研究结果有助于深 人了解纸板的干燥特性，进一步认识干燥过程中纸 板内部水分的扩散机理和脱水能力。2微水分测量系统2 . ， 微水分测试系统组成在线检测绝缘纸板微水分测量系统主要由电容 式微水分传感器、 温度传感器、 正弦驱动源、 调理电 路、 数据采集卡、 微机及相关算法软件构成。如图 1所示。温度传感器测量干燥环境温度以补偿温度对绝 缘纸板介电特性及物理特性的影响l3 ， 干燥温度不 同或波动时都会影响传感器的输出值。正弦驱动信 号源提供幅值为S V的正弦驱动信号，其频率选择 要考虑含水分的绝缘纸板在交变电场作用下界面极 化的弛豫时间，
7、选择低频驱动电压较为适宜， 试验采第 4 4卷图 1 微水分测量系统框图F i g . 1 F r a m ed i a g r a m o f mo i s tUr ed e t e c ti o ns y s t e m用 I H z 的正弦驱动电压。由电容式微水分传感器返回的感应电压信号被 送到调理电路， 经过滤波放大，去除主要的工频干 扰， 得到感应电压信号与驱动电压信号。此外， 它还 要把温度传感器 A D 5 9 0的输出电流转换为摄氏温 度电压。这些电压信号通过数据采集卡送人微机进 行数据处理。 2. 2 电容式传感器工作原理本文中采用边缘场电容传感器介电检测技术进 行绝缘纸板微
8、水分含量的无损测量。边缘场电容传 感器与常用的平行板电容器或者同轴圆柱形电容传 感器的设计原理相同， 都是通过电力线穿过被检测 材料， 获得由两电极间填充材料的介电性能、 电极和 检测材料几何尺寸确定的电容和电导。边缘场电容 器可以通过展开平板电容器两电极得到，即电容的 驱动电极板和感应电极板置于同一平面内。电容式 微水分传感器由两个相同的边缘场电容传感器组 成， 两者串联起来构成交流电桥的两个臂， 其中一个 用以测量纸板， 称为测量电容器 C l ， 而另一个测量 周围的空气， 可称为平衡电容器C Z ， 如图2 所示。蔽层接地， 内屏蔽层接驱动电压 V s ， 这种驱动屏蔽 方式大大减少变
9、化的环境温度和外界干扰对 V 。 的 影响， 且便于信号较长距离传输。由于驱动电极和感应电极间电场的穿透深度与 两电极间的距离成正比，与驱动信号的频率无关。 则电场强度沿电极平面外法向约呈负指数函数关 系衰减， 其穿透深度可达电极中心距的2/5 厂“ 。电容 器两电极的距离越远， 其电场的辐射范围越大， 则传 感器的穿透深度越大， 但此时电容量减小， 灵敏度也 随之下降。传感器的驱动电极由一定频率的正弦电压驱 动。产生的边缘电场穿过被测绝缘材料后被感应电 极接收，由感应电极结合已知的负载阻容网络就可 以得到高阻抗的测量电压信号。 通过测试软件计算， 得到测量信号电压的幅值增益M以及相位角甲 ，
10、 从 而可得被测对象的介电常数 5 和电导率 二 ，标定后 可以求出对应的水分含量。3绝缘纸板的水分扩散规律处于外界水分长期稳定环境中的变压器绝缘纸 板， 其水分分布是均匀的， 当绝缘纸板的外界水分边 界条件发生改变时， 就会破坏原来的平衡状态， 这时 也就会发生水分的转移现象。这种转移只有在外界 环境重新稳定一段时间后才会停止，此时的绝缘纸 板与外界环境处于新的水分平衡状态下。对于变压器中使用的绝缘纸板， 各表面都与外 界接触， 并进行水分交换， 但由于纸板的厚度远小于 其他尺寸，所以纸板中的水分交换主要在两侧大平 面上进行，其厚度方向上的水分交换量也远大于四 周， 如果忽略四周的水分交换，
11、 就可以将其水分交换 过程简化为一维问题， 如图3 所示。可利用Fi ck第 一定律对扩散过程的水分变化规律进行求解。图2 电容式传感器原理图F i g .Z D i a g r am o f c a P aci to rse nso r交流驱动信号 V d 通过同轴线缆接到测量电容 器C ; 的一极， C : 的一极接地， C l 、 C : 的另一极连在一 起， 得到测量信号 V m ， 通过驱动传输方式由双层屏 蔽同轴线缆引出， V m 经系统中的跟随器缓冲后送回 电压 V 。 ， V 。 和 V m 的幅值、 相位都相等。线缆的外屏图3 绝缘纸板的一维水分扩散F i g 3 0 n e
12、 一 d i m e nsio n al m o is 加re d i 份 usi o no f P r e ss boa rd绝缘纸板由多层很薄的纸张压制而成，纸张是 一种由非均质管状细胞构成的毛细管多孔有限膨胀 胶体， 在纸板内部、 纸张与纸张的结合部有大量的结 构缺陷存在， 如空穴。 纸板中的水分即包含在多种不 同尺寸、 形状的细胞腔、 细胞壁及纸张结合部的缺陷第 7期李万全: 绝缘纸板干燥过程微水分扩散模型的建立及应用处。 结构缺陷的存在易于形成水分扩散通道， 有利于 水分迁移。而纸张内部结构缺陷相对于纸张间结合 部的缺陷要少， 同时， 纤维管在压制过程中也倾向于 沿长度和宽度方向排列
13、，沿长度和宽度方向的水分 扩散速度要比沿厚度方向扩散的快一些， 因此， 对于 长度和宽度与厚度差别不大的绝缘纸板，零部件的 水分扩散过程不适合做一维扩散简化处理。 3 . 1 一维扩散数学模型的建立在大型油浸变压器装配完成以后，必须对在空 气中吸湿的无油密压绝缘纸板进行干燥脱水，干燥 合格才能充入变压器油封装出厂。文中建立的一维 扩散数学模型主要分析无油密压绝缘纸板在真空罐 中的脱水过程。考虑绝缘纸板上下表面积远大于侧面和端面， 水分蒸发主要发生在绝缘纸板的上下表面，并且水 分的扩散也主要是沿绝缘纸板的厚度方向进行， 故 干燥过程可按一维平板非稳态质扩散过程处理。设 绝缘纸板的长度和宽度方向均
14、为无穷大，厚度为 Z d 。 沿厚度方向建立如图4 所示的坐标轴: ， 取绝缘 纸板的中心截面为假想隔水平面，上下加热表面分 别对应于在: = d 、 : 二 一 d ， 可以用单面水分交换模型描 述水分的干燥过程。t 干燥时间 D 一沿: 轴方向的扩散系数沿: 轴方向的扩散系数D : 随干燥条件的不同 会有较大的差异，在相同的干燥条件下， D ， 取决于 绝缘纸板的造纸木浆所选用的树种。不同树种的细 胞壁结构不同， D z 的差异是显著的。可以在试验的 基础上确定不同树种的纸板在特定于燥条件下的 D : 值。绝缘纸板在加热前， 各截面的含水率相同， 即干 燥时间仁 0 时， 有初始条件:m
15、(z， 0)二 m 。 ， 一 d 台 0( 9 )显然， 这个级数收敛得很快， 取前几项的部分 和即可得到有足够精度的结果。利用Fi c k 第一定律计算水分的扩散过程变化 规律时， 由于事先假设了在干燥过程中水分的扩散 系数不变， 且干燥是在恒温条件下进行的， 条件过 于理想; 而在实际的干燥过程中， 扩散系数是服从 指数规律衰减的， 且干燥过程质量的传递必然伴随 着热的传导， 因此， 计算结果与实际水分含量之间 会出现较大偏差， 多数情况下仅适用于在试验室条 件下的理论分析。但由于真空气相干燥是分阶段进 行的， 在预热阶段完成以后， 各阶段的初始条件都 与Fi ck第一定律要求的条件近似
16、， 且越到后期， 扩 散系数的变化越小， 温度变化也越小， 故可根据上 述数学解， 由试验数据计算出有效平均扩散系数的 值，这将是判断不同纸板干燥难易程度的重要指 标， 可为制定不同变压器绝缘纸板干燥基准提供必 要的数据。4绝缘纸板水分测量实例及分析在试验室中，对尺寸为1 2 5 m m x 5 0 m m x Z omm 、 水分质量百分含量为5 . 7 %的无油密压绝缘纸板进 行干燥试验， 干燥设备为真空干燥箱， 升温速度5 / m in， 干燥保温温度为1 10， 当绝缘纸板水分含量 与周围环境的相对湿度在大气压力下达到平衡时， 抽真空至6kP a 继续保温。考虑到纸板的长度和宽 度远大
17、于纸板厚度， 可认为其水分变化规律满足一 维扩散方程。电容传感器安装在绝缘纸板的一面 上， 与绝缘纸板紧密接触， 绝缘纸板另一面暴露在 周围空气中。试验初始阶段， 介电信号降低很快， 表 明水分析出速度较快。当传感器测得的介电信号在 大气压力下达到稳定后，即可进行抽真空处理， 以 加快水分的析出。在测试过程中， 温度、 真空度和环境的相对湿 度都不是恒定的。干燥环境的变化直接影响到绝缘 材料的干燥速度， 从而引起测试信号的幅值和相位 角的测试曲线与典型关系曲线有所不同。表现为当 外界条件发生变化时， 曲线会随之发生相应的快速 变化。 但曲线在新的试验条件下达到稳定后的变化 趋势仍与原有典型的变
18、化曲线一致， 如图5 所示。在干燥2 6 h 后， 由于传感器测得的介电信号的 变化已很微弱， 利用介电测量信号计算传感器检测 区域的水分含量7， 计算结果为0 . 16%， 可以认为绝一卜 一卜 一卜 一.一 .一.-. . 曰 叫 .-.0 _ 0. 资卜0 . 51 . 0刁列卜口j /一刁n夕 思中心距/ nun圈6 绝缘纸板一维水分分布图ng. 6 0 ne一 山m e 拙i o nal m o i s tor e山st ri b u t i o nofp r 侧 明 b o a rd分析表明， 尽管绝缘纸板的整体水分含量已达 到生产要求， 但其中心区域的水分含量仍然略高于 0. 5
19、 %， 理论计算表明干燥时间应大于2 8h， 应采取工 艺措施加以改进。第 7 期李万全: 绝缘纸板干燥过程微水分扩散模型的建立及应用2 g本文中探讨的一维扩散模型主要针对变压器生 产过程中用于检测无油绝缘纸板零部件在真空罐中 的干燥过程。该模型也适用于检测变压器成品中浸 油绝缘纸板的水分向油中的扩散过程。但由于湿滞 效应的影响，不适合用于检测绝缘纸板在空气中的 吸潮以及变压器油中的水分向绝缘纸板内部的扩散 过程; 对于吸潮过程的扩散方程问题， 可通过相应调 整扩散方程的初始条件和边界条件加以解决。对于由绝缘层压板制作的垫块的干燥过程， 由 于内部各层之间均有绝缘粘接材料分隔，微水分的扩散主要
20、沿水平方向进行，厚度方向的扩散可视为 零， 可采用二维扩散方程加以解决。5结论本文中介绍的测量系统经过试验证明性能稳定 可靠， 可满足工业生产的要求。 通过对绝缘纸板的水 分扩散过程进行分析，建立适用于绝缘纸板的一维 扩散方程， 给出相应的解析解。 通过对公式中的扩散 系数进行标定， 可获得干燥过程水分分布规律。 通过 试验及研究证明，对干燥动力学规律的研究有助于 提高产品干燥质量及生产效率，同时也有助于建立真实的干燥过程计算机仿真模型。参考文献: 1 D uY ， M a m i s h e vAV ， L e s i e u t r eBC ， e t a l . M e a s u re
21、 -m e n to fm o i s t u re d iffus i o na safu n c t i o no ft e m p e r a -t u re a n dm o i s t u re ( 、o n c e n t r a t i o ni nt r a n s fo rme rl ) re s 、 -b o a rd川 . E l e c t . I n s u l . 2 . 获得国家级鉴定的变压器科技成果介绍;3 . 获得发明专利的变压器科技成果介绍;4 . 达到国际先进水平的具有自主知识产权的变压器 类新产品( 含变压器组件) 及其设计结构和设计方法;5 . 独创的
22、变压器工艺方法和变压器用工装设备;6 . 国内外领先的变压器试验技术和变压器故障检测技术;7 . 变压器基础理论研究的最新成果;8 . 变压器企业现代化创新管理论文;9 . 有关变压器新技术的论述文章;1 0 . 特高压沐S O O k V直流及节能等新技术领域的最新科研成果。征文截止日 期为 2 0 0 7年8月3 1日。所有征文请自 留底稿， 并请在论文上加注“ 征文” 字样。征文格式参照“ 变压器 杂志征稿启事” 。 所有征文作 者将获赠纪念品一份。 被评选的优秀论文作者将被邀请出 席变压器新技术研讨会， 并将荣获优秀论文证书。本次所征集的论文将汇编成册， 以论文集的形式内部 出版， 并将陆续在 变压器 杂志上发表。 变压器 杂志编辑部冲叭夕汗叭岁汗卜夕汗的乙呱夕仲叭叫了汗协夕汗的/汗的叭岁代刃几叭们乙试创乙仄的/汁叭夕汗站夕汗的2代的之代衫仲叭夕冲的了汗的庵叭司瓜叭司介泊