1、 增刊基于太赫兹技术的变压器干燥设备的研发与应用林 强，祁 朔 安 振（.沈阳工业大学.沈阳北瑞科技有限公司.辽宁振昌智能电气设备有限公司）摘 要：针对变压器生产过程中干燥时间长、能耗高、易返潮等行业痛点问题，研发了一种基于太赫兹技术的高效节能变压器干燥设备。本设备根据水分子对太赫兹波的强吸收性以及太赫兹波强穿透性的特点，匹配相应的太赫兹波发生器，有效缩短了干燥时间；选择镜面不锈钢幕全方位反射太赫兹波，达到了均匀干燥、降低能耗的目标；采用微通道填充技术有效避免了变压器返潮现象，提高了干燥质量；通过优化干燥参数，开发了高效的控制系统。实践表明，本设备的各项干燥指标及干燥能耗与目前主流的变压器干燥
2、设备相比优势显著，具有较强的应用和推广价值。关键词：变压器干燥；太赫兹波；微通道；参数优化；节能；高效 引言变压器的制造一般由冲剪、铁心叠装、线圈绕制、油箱焊接、干燥、器身装配、注油等 余道工序组成，干燥质量是决定变压器整体质量和使用寿命的重要因素，同时也因为干燥工序的耗时最长而成为阻碍变压器生产效率提升的瓶颈工序。目前，变压器干燥设备主要采用真空变压法、热风烘干法以及气相真空干燥法等干燥技术，其本质上是利用热辐射和热交换的原理进行干燥，但均存在着干燥时间过长，能耗过高，以及质量不稳定易返潮等共性问题，因此，现有变压器干燥技术的局限性严重影响了变压器的生产效率、质量和成本。年，工业和信息化部印
3、发的 “十四五”工业绿色发展规划 的通知中要求：“深入贯彻习近平生态文明思想，大力推进工业节能降碳，全面提高资源利用效率，构建工业绿色低碳转型与工业赋能绿色发展相互促进、深度融合的现代化产业格局。”在此背景下，不断探索变压器干燥的新技术和新工艺，研发出节能、高效的变压器干燥设备，既有助于变压器制造企业消除生产瓶颈以提高产能、降低生产成本，又为变压器行业节能降耗、提质增效、全面提升绿色制造水平提供了有力保障。太赫兹波干燥原理太赫兹（，）波是指频率在.之间、波长在 内，从宏观电子学到微观的光子学过渡的频段。虽然美国政府早在 年就把太赫兹技术列为“十大影响未来的技术”之一，但是，由于缺少有效的太赫兹
4、辐射源和检测手段，该技术研究与应用曾一度受限。近些年来，随着电子学、光子学相关技术的不断发展，电磁波谱中的“太赫兹空隙（）”领域的研究也越来越深入。因太赫兹波具有对水敏感、穿透性强、低光子能量等特性，加之所有大分子的振动、跃迁和大量星际分子的特征谱线均在太赫兹范围，太赫兹技术目前已被应用于航空航天、无损检测、生物学、医学、通信等诸多领域。太赫兹技术是目前加热水最快的技术之一。由于水分子可以与相邻水分子形成氢键，水分子间氢键的拉伸和弯曲振动模式都落在太赫兹频域内，。当物体受到太赫兹波辐照时，其内部水分子间氢键的振动模式被激发从而引发共振，导致水分子对太赫兹波产生强烈的吸收，被吸收的太赫兹波能量转
5、化成水分子自身无规则运动的动能，水分子相互碰撞的频率增加，即产生热能。因此，利用液态水分子对太赫兹波极其敏感这一特性，本研究首次将太赫兹技术应用于变压器干燥环节，填补了我国变压器干燥领域的空白。太赫兹波具有高穿透性 。太赫兹波介于无线电波和光学波之间，兼具光的方向性和波的穿透性。在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但太赫兹技术还有待进一步开发，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。本文研究证明电气技术与经济 研究与开发增刊 了太赫兹波对介质材料具有良好的穿透性，如变压器中的绝缘纸、层压木等绝缘材料；另外，当太赫兹波在高频段时，铜金
6、属不再是导体而是电介质，因此太赫兹波对变压器中的铜金属线圈具有独特的穿透能力。太赫兹干燥设备的结构设计通过深入研究太赫兹波的干燥原理以及变压器的干燥特性，所研发的干燥设备结构如图 所示。本设备由加热系统（太赫兹波发生器 和不锈钢镜面反射幕）、微通道填充系统（惰性气体发生器 和三通阀）、控制系统（控制器、计时器和压力传感器）、冷凝系统（气动放水阀、手动放水阀 和冷凝器）和抽真空系统（二级真空泵、真空干燥罐、电控箱、送料机构 和开关门机构）五大系统构成。其中，太赫兹波发生器、不锈钢镜面反射幕以及微通道填充系统是实现本设备节能、高效以及高质量干燥的核心部件。具体设计过程如下。图 太赫兹干燥设备的结构
7、图.太赫兹波发生器的精准匹配变压器干燥主要是对器身的绝缘材料进行干燥，具体干燥对象为层压纸板、层压木以及线圈中的绝缘纸等。变压器干燥的难点在于：第一，绝缘材料位于变压器线圈层间的位置较深，热量传递由线圈外部到线圈内部需要花费大量时间及能耗；第二，绝缘材料的层级较多，其中表面的水分可以直接蒸发，深层次的水分蒸发较困难，导致内外干燥不均匀，影响干燥质量；第三，线圈中铜金属会对电磁波产生反射，因而微波、红外线等电磁波均不能穿透线圈，尽管微波干燥、红外线干燥技术已被广泛应用至食品等干燥领域，也依然无法对变压器内里的绝缘材料进行干燥。太赫兹波在电磁波谱的特殊位置赋予了它和其余电磁波不同的特性：对绝缘材料
8、和铜金属的高穿透性。本文结合实验研究发现，不同型号（重量、体积、线圈层级不同）的变压器，针对太赫兹低频到高频各波段频率，其干燥效果的敏感性存在一定差异。因此，在确定型号、干燥台数、含水量等基本参数后，根据普朗克黑体辐射定律，精准计算出该工况下太赫兹波发射频率，匹配以相应的太赫兹波发生器，可使干燥效率、效果达到最佳。.镜面反射幕的选择综合考虑干燥箱体内设备的布局、结构和成本等因素，本设备的太赫兹波发生器布置在变压器正上方和正下方，太赫兹波的辐射角度和干燥效果不可避免地受到加热板位置的影响，难以实现变压器的全方位均匀干燥。本文深入研究了太赫兹波在金属面的反射与折射原理，明确了反射率与粗糙度之间的相
9、关性，即：接近光滑的极小粗糙度，其散射规律接近镜面反射，能量损耗较小。因而，在变压器干燥箱体内安装镜面反射幕，可使变压器的各个部位、各个方向都能够接收到相对均匀的太赫兹波，从而达到均匀干燥、节约能耗的目的。鉴于变压器干燥的工作环境湿度大、温度高，以及在运输和安装过程中易发生挤压、碰撞等情况，反射幕材质的选择需综合考虑性能、成本、安全性等诸多条件。不锈钢材质在耐高温、耐腐蚀、韧性、抛光性、成本以及反射效果等方面具有较突出的综合性能。经实验验证，安装不锈钢镜面反射幕后，干燥箱体内变压器内外各部分升温快速、干燥均匀，辐射率提高了 左右，干燥所需能耗降低了 左右。.微通道填充系统的设计由文献 可知，变
10、压器中的绝缘材料具有多孔性的特点（如图）。本文经研究发现，干燥后的绝缘材料，其孔隙中的水分子蒸发之后会留下细小的微通道。由于变压器干燥批量出炉之后，要进行多道工序才能进行浸油，一般配电变压器从干燥出炉到浸油要求在 小时内完成，大型变压器则要求在 小时内完成，而实际生产中往往会有超时现象的发生。另外，由于顺序生产，多数干燥后的变压器器身暴露在湿度较大的自然环境下后，水分子会经过微通道再次进入到绝缘材料中，导致其吸湿返潮，从而降低了变压器干燥质量。图 绝缘纸板的局部放大图电气技术与经济 研究与开发 增刊本设备所设计的微通道填充系统其工作流程是：变压器干燥完成后，打开惰性气体发生器；然后打开三通阀；
11、惰性气体发生器通过相应管道向真空干燥罐填充惰性气体，利用真空干燥箱内外压强差将惰性气体分子填充到绝缘材料由水分子蒸发而产生的微通道中；待真空干燥箱内压强与大气压强一致时，关闭惰性气体发生器；至此，全部真空干燥工艺完成。变压器在破空后，微通道中惰性气体分子有效阻碍了空气中水分子的再次进入。本文提出的惰性气体微通道填充技术，首次应用于变压器干燥工艺中，对解决变压器返潮的行业难题具有重要的现实指导意义。太赫兹干燥控制系统的开发本文在研发了太赫兹干燥新工艺的基础上，针对干燥时间、干燥温度以及真空度等干燥参数进行了优化，所开发的控制系统具有功能完善、控制精准、可靠性高等特点。该控制系统由 控制器、温度感
12、应器、压力传感器、计时器触摸屏和液晶显示器组成。温度感应器和压力传感器均设置于真空干燥罐中，以监测真空干燥罐内的气压、温度，同时将相应数据传输到 控制器中并存储；计时器分布嵌入抽真空系统、冷凝系统、加热系统、微通道填充系统内，并将数据即时传输至 控制器中进行实时监控；触摸屏与输入输出模块相连，输入输出模块与 控制器相连，通过触摸屏来控制整个系统；液晶显示器与 控制器相连，从而对整个系统的状态进行调控。.关键参数干燥时间 计算目前，主流变压器干燥技术所需的时间长，往往依赖于技术人员的经验。相较于其他干燥技术，太赫兹波干燥所需的时间倍减，人工估计会产生较大误差，导致无法精准计算产线节拍，不利于企业
13、实施“一个流”的生产模式。本文以现实工况为依据，考虑到环境因素、变压器器身的结构特点等因素，根据普朗克黑体辐射定律和能量守恒定律，精准计算出干燥时间，具体计算过程如下：.变压器中的绝缘纸板等绝缘材料吸收的能量的计算，见公式（）：（）（）其中（）指的是变压器中的绝缘纸板等绝缘材料吸收的能量，单位为；为普朗克常量，其值为.；为真空中光速，其值为 ；为波的波长；为热力学温度；为玻尔兹曼常量，其值为.；为经验系数，即通过实验测得的太赫兹波由太赫兹波发生器传递到各绝缘材料处的能量损耗率。.干燥时间 的计算，见公式（）：（）（）（）（）其中 为干燥时间；为被干燥物质的比热容，为水的比热容；为被干燥物体的重
14、量；和 分别为被干燥物体干燥前后的含水量；为水分蒸发所需的温度；为物体的初始温度；为发射太赫兹波的面积。.控制系统的功能简介本设备控制系统的三个主要界面：运行界面、参数设置界面和手动界面。运行界面主要体现了对系统的设备启停、运行方式的设置以及运行状态的监控三个功能。进入运行界面后，需先点击界面左上角的“方式切换”按钮来选择干燥模式。如果选择自动模式，那么下一步则需要点击界面最上方的“参数设置”按钮，进入系统的参数界面；如果选择手动模式，则需点击“手动界面”按钮，进入系统的手动界面。运行界面还能清晰地显示干燥作业的已运行时间、当前步骤、太赫兹波发生器温度、环境温度、铁心温度、线圈温度等重要的干燥
15、工艺信息。参数设置界面主要体现了干燥配方的编辑与选择的两大功能。用户根据预先计算出的干燥时间参数编辑、选择变压器干燥配方，并返回运行界面点击“启动”按钮，设备便可按照预先设定的干燥配方自动运行。在手动界面中，用户可以通过按钮控制太赫兹波发生器、冷凝器、循环风机、罗茨泵的启停以及各阀门的开关状态，实现对变压器干燥设备的手动控制。本设备控制系统能实现对干燥时间、干燥温度以及真空度等工艺参数的精准控制，以满足不同类型变压器的干燥需求。人机交互界面完善的功能设计，使用户的操作更加简单便捷。该控制系统稳定、高速、安全的运行，有助于变压器制造企业进一步提升生产效率，降低生产能耗，提高干燥质量。实验对比与应
16、用将太赫兹干燥法与热风烘干法和真空变压法进行对比实验，在干燥对象为 配电变压器、每种方法的干燥台数均为 台的情况下，实测数据为：热风烘干法和真空变压法的干燥时间为（）小电气技术与经济 研究与开发增刊 时，所耗电量为（）；本设备干燥时间为 小时，所耗电量约（）。太赫兹法所干燥的变压器各项性能指标经检测均优于其它两种干燥方法，且在用时上缩短了，电量消耗下降了 左右，该实验充分验证了太赫兹干燥设备的优越性。目前，本设备已经在多家变压器制造企业投入使用。以 的变压器一次性干燥 台的实测数据为例：真空变压设备耗电、用时（）小时，本设备耗电、用时（）小时；项阻值测试中，真空变压设备干燥后变压器的阻值在.之间，本设备干燥后变压器的阻值在.以上；真空变压设备干燥后的变压器，在空气中放置 小时后便会发生返潮现象，本设备干燥后的变压器暴露在空气中可保证 小时不返潮。本太赫兹干燥设备用户反馈效果良好，为实施企业带来了显著的经济效益。结束语本文通过深入研究太赫兹波干燥原理和方法，设计出基于太赫兹技术的变压器干燥新工艺，突破了现有干燥技术的局限性，切实解决了变压器干燥过程中的痛点和难点问题，对引领行业的技术进步
