胡善福

（中山ABB变压器有限公司，广东 中山 528449）

0 引言

目前，在大型电力变压器和工业变压器的器身中，除了铁心、铜导线外几乎全是固体绝缘材料，在变压器装配过程中，如果绝缘材料受潮，其水分不仅会使绝缘材料体积膨胀，影响结构尺寸，更重要的是它将影响变压器的主绝缘和纵绝缘电气强度，加快了绝缘件的老化速度。因此，器身绝缘件的干燥处理是在变压器生产过程中必不可少的工序，绝缘件含水量一般应控制在0.5%以下。目前电力变压器和工业用特种变压器的绝缘件干燥处理方法基本采用煤油气相干燥法。煤油气相干燥是通过改变蒸发器内的气压和温度使得液体的煤油气化，气化后的小分子煤油作为热载体进入真空罐中，因真空罐内表面温度低，使得煤油气体遇冷液化，液化将会释放热能，从而使得变压器器身受到加热，蒸发出残留于绝缘材料中的水分[1]。煤油气相干燥方法具有加热均匀、不留死角、加热快、干燥效果好、可以清洁器身等特点而在高电压、大容量电力变压器中得到广泛应用[2]。但是，因气候环境不同以及生产负荷的不均匀，生产过程中偶尔会发现铁心上轭经煤油气相干燥后出现生锈的现象，部分在出炉干燥前变压器铁心就有轻微生锈，出炉后铁心生锈现象更加严重，如图1 所示，生锈部位主要集中于铁心侧面，铁轭中间。这些铁锈将影响变压器的性能，是变压器安全可靠运行的隐患。因此，需要分析变压器铁心生锈的过程，找出相关因素，制定对应的预防和控制措施，指导变压器的生产。

图1 生锈的铁心表面

1 变压器铁心生锈的危害

变压器铁心生锈将对变压器电气性能产生一定的影响，严重时可导致变压器烧毁。

生产制造过程中，如果用酒精擦拭铁心锈迹，容易引起铁心多点接地，因此需要非常认真细致进地处理，这就造成了人工工时的浪费。如果铁锈粉末未被处理干净，在例行试验中可能出现变压器绝缘电阻偏低现象，有的还不得不进行滤油处理。

铁心生锈后如处理不妥当，铁屑粉末存在使得电气绝缘强度降低，如果原设计裕度不够高，则易引发变压器绝缘击穿现象，严重的将进行重大生产返工。

铁心生锈会导致导磁截面损失，损耗加大；同时铁心片间易短路，使得涡流环流增大，铁损增加，铁心发热量增大，严重的会因局部温升过高而引起相邻部位的绝缘老化，并可使绝缘油迅速裂解，并产生大量的特征气体[3]，最终可使变压器损坏。

生锈严重的，在电磁力的影响下，变压器会因振动而发出严重的噪声[4]，长期振动造成内部结构不稳，可能最终导致变压器损坏[5]，残留于变压器内部的铁锈是变压器安全可靠运行的隐患。

2 变压器铁心生锈的机理

变压器铁心生锈是一种电化学反应过程，通常发生在硅钢片的剪切面。铁的化学性质活泼，当氧气溶解在水里时，与铁质发生反应，生成氧化铁，俗称铁锈，铁锈的主要成份是Fe2O3，铁心生锈的现象属于铁的电化学锈蚀，其化学反应方程式为：

从这个化学反应方程式看出，水并不被氧化也不被还原[6]，而是起电解质溶液的作用，铁心生锈过程需要吸收热量，温度越高反应越剧烈，生锈更加迅速。另外，铁锈具有吸水性，在相同的条件下，有微小锈斑的铁心比洁净的铁心更容易生锈且生锈速度更快[7]。因此需要关注铁心生锈的4要素：铁、氧气、水分、温度。

（1）铁的因素

因变压器厂的客观条件限制，往往变压器厂只采购不同宽度的纵剪硅钢片，然后使用各自的横剪线进行横向剪切。硅钢片的绝大部分表面上已涂有防锈漆，但部分横剪和纵剪切面上未能及时采取防尘和防锈措施，硅钢片的这种剪切面就为铁生锈产生了铁质基础。

（2）氧气因素

真空罐有一定的泄漏率，罐内存在空气是不可避免的；另外，绝缘件比较蓬松，在器身制造过程中会吸收大量空气，绝缘件在干燥过程中会不断释放出空气，而氧气约占空气的21%，因此在器身的气相干燥初期一直有较高的氧气含量。

（3）水分因素

空气中含有大量水分，特别是南方的梅雨季节和北方的暴雨季节，连续的阴雨天气使得空气湿度增大[8]，空气湿度可达85%甚至更高，绝缘件在这种环境下将会吸收大量水分，有的含水量可达8%，如一台220 kV 大容量变压器的水分含量可达450 kg。绝缘件在干燥过程中会不断蒸发水分，如果这部分水不能及时从烘炉中抽出，就有可能在器身表面上凝结。

（4）温度因素

在器身气相干燥过程中，绝缘件温度会从室温逐步升高到120 ℃以上，如果在预热阶段时间过短，升温过快，绝缘件与铁心温度上升不同步。如果加热控制不合理，绝缘件比铁心温度可高出30 ℃以上。

在器身进入煤油气相干燥罐前偶尔也可见铁锈的生成。这是由于铁心下料及剪切过程中，未及时进行防锈及防尘处理，硅钢片切面吸水生锈；还有在铁心组装及上铁轭的装配过程中，包括铁心转移、上轭插片、套装等过程，有些操作人员未养成带手套进行操作的习惯，手上的汗渍直接粘在硅钢片的切面上，进而引起铁心生锈。甚至在雨季气候潮湿时，工厂内部已开中央空调，室内的温度和相对湿度均比室外低，如果在装卸变压器其他附件而打开车间大门，导致室外相对湿度较高的空气进入车间内部，导致硅钢片上有冷凝水并开始生锈。

现结合典型的煤油气相干燥工艺过程说明铁心生锈机理。变压器煤油气相干燥设备是个较为复杂的生产系统，主要由真空罐及附属系统、真空系统、压缩气体系统、冷凝收集系统、蒸发蒸馏系统、注油系统、监视测量系统、传输管道及控制系统组成[9]。煤油气相干燥处理过程如表1所示。

表1 典型的煤油气相干燥工艺过程

一般在预加热阶段后期及后续工艺过程中铁心、线圈的温度已超过90 ℃，如果各部分温差控制在10 ℃以内，烘炉内因已抽真空，氧气含量极低，生锈反应发生机率很小。然而，在气相干燥的初级阶段，即进炉抽真空和预加热阶段，生锈反应很可能发生。

进炉抽真空阶段：由于生产任务紧张，部分器身在前一炉产品刚出炉就进被运入烘炉，此时炉温较高，罐壁温度可能超过80 ℃，加上空气湿度大，铁心表面将吸附有一层水膜，而且空气中氧气充分，具备了铁心生锈的四要素，也就是铁心在进炉抽真空阶段就开始生锈了。

预加热阶段：大部分器身是在炉温下降到80 ℃以下才进炉的，入炉和抽真空操作处于室温下，铁心起初没有生锈。因铁心重量与绝缘件重量的比值可高达8 及以上，铁的比热容为460 J/(kg·℃)，绝缘件的比热容约为1 256 J/( kg·℃)，铁的导热良好，因而在加热过程中，使铁心升高1 ℃所需热量与使绝缘件升高1 ℃所需热量的比为(460×8)∶1 256，即3∶1，在预热阶段铁心升温慢而绝缘件升温快，当预加热2 h左右，铁心温度与绝缘件温度相差可达40 ℃。此时罐内压强约为4～6 kPa，而水蒸气饱和温度约为29～36 ℃（表2），并且由于绝缘件释放相对较多水汽、氧气，水蒸汽由于没有被及时抽出，当遇到温度低的铁心，就会析出大量水滴在上轭上，甚至有的水滴沿着柱片边缘向下流。随着加热的进行，铁心上部外侧温度升高、水汽足、绝缘件里又会析出氧气，导致了铁心上轭生锈。

表2 水的沸点与压强对照表

加热阶段：如果升温度过快，器身绝缘材料受热不均匀容易变形开裂[10]，一般升温速率控制在15～20 ℃/h之下[11]。实际操作中，需要监控铁心温度和干燥罐真空度，并及时启动收集罐的抽空系统，把干燥罐真空度控制在水蒸气饱和压强以下。

3 变压器铁心生锈预防措施

根据铁生锈电化学原理，结合变压器生产的实践，建议如下的铁心生锈预防措施。

3.1 减少气相干燥前的铁心生锈

（1）合理安排生产，缩短铁心的露空摆放时间。如采用拉动式节拍化生产，则能及时安排剪片操作，并有效减少上工序铁心半成品的存放量，避免卷料或硅钢片的积压，从而避免部分卷料来不及覆盖或涂防锈剂；同时，硅钢片存放区应加强防尘、防潮处理。

（2）在变压器叠片过程及上铁轭插片阶段，严格按工艺要求配戴干净的防汗手套，不能用手直接触摸硅钢片，以防手上的汗渍沾着在硅钢片上，引起铁心硅钢片局部生锈。

（3）在引线制作和整理阶段，培训并提醒操作工做好防潮保护。例如，去除换位导线绝缘漆以及引线焊接时，在工作部位下方的线圈或器身上依次垫好防水布和浸过冷却液的耐热布，在待加热的导线根部缠绕包扎多层浸泡过冷却液的工业擦拭纸，并且要缠紧在导线上。加热和焊接时，仅滴少量冷却液冷却高温部位。整个操作过程中，避免让冷却液渗透或滴到变压器器身上。

（4）提高厂房的环境条件，最好能够保持恒温恒湿。无特殊情况，禁止打开装配车间各个大门，避免湿热空气进入车间并在硅钢片上冷凝水。

3.2 改善气相干燥工艺过程控制

（1）气相干燥炉内壁温超过80 ℃时，不允许变压器器身入炉，避免高温高湿多氧条件下铁心没有开始干燥就在炉内生锈。

（2）抽真空时间可适当延长，如由1 h 设定为2 h，以便罐内的氧气和水汽含量更低。

（3）在抽真空干燥过程中，通过真空系统对真空罐内的压强进行实时控制，以保证当前压强下铁心温度高于当前压强下水的沸点5 ℃[12]，这样可以避免水分在铁心表面的凝结，从而解决铁心生锈问题。

3.3 改进气相干燥设备

（1）将抽真空转换为加热的压强开关整定值从8 mbar调整为7 mbar，这可保证更多的氧气和水汽被抽走。

（2）蒸发器导热油最高设定温度降低到90 ℃，有助于缓慢升温，有效控制升温速度，如果以20 ℃/h 左右的升温速度进行，线圈与铁心温差不超过25 ℃，可以避免水蒸气凝结成水滴。

（3）主抽阀改为调节阀，加热初期全开抽汽，避免加热初期高氧环境出现，从而避免水蒸气饱和凝结成水滴。

4 结束语

综上所述，变压器器身在煤油气相干燥后出现铁心生锈是多种因素综合影响的结果。要避免铁心生锈现象，就是要控制可能导致铁心生锈的各种不利因素。变压器制造厂需要特别关注铁心生锈的四要素：铁、氧气、水分、温度。首先，在生产环境方面加强对厂房的温、湿度控制；在生产计划上，采用拉动方式，合理安排生产；在物料控制方面，硅钢片剪切面尽早喷涂防锈剂；在叠片、插片过程中，尽量避免手直接接触硅钢片以防汗渍残留在铁心上；在设备维护和检修方面，要确保干燥罐体及连接管路的密封部件完好，以免抽真空后空气的吸入；并且，需要增加抽真空时间，缓慢加热，降低温差，提高预热阶段的抽气速度，避免干燥罐内的水蒸气饱和，并且尽可能让产品受热均匀。通过以上几个方面的改进，可以有效防止变压器铁心生锈。当然，有的预防措施会延长器身干燥时间、增加工时成本、增加能源消耗，变压器厂可根据自身状况选择实施。