互感器油中氢气含量超标的分析和处理
摘要：分析互感器油中氢气含量超标的主要原因，提出现场处理的方法。
关键词：互感器油 氢气 超标 现场处理
1 前言
近年来，220kV外海变电站的110kV电压、电流互感器油中氢含量超标的台数越来越多，这些互感器除油中的氢含量超标外，其它特征气体都很少或为零，且水分含量也均在合格范围内，故可排除油中的氢气是由于水分电解或设备内部故障所产生，为了解决这一问题，下面我们首先分析氢气产生的原因，然后制定出相应的处理方法。
2 基本规律
2.1 这一现象在密封式互感器中较为突出
通过监测和分析发现，相当数量的密封式互感器油中的氢气浓度相对偏高。特别是投入运行后的最初几年，在油中总烃含量正常，无乙炔组分且较稳定的情况下，密封式互感器油中氢气浓度会高于非密封式互感器，并有不断上升的趋势，这是因为密封式互感器油中气体不易逸出而造成气体在密封空间内不断累积的缘故。
2.2 应用金属膨胀器后，氢气含量显著偏高
近些年来，随着金属膨胀器在互感器中的广泛应用，出现了许多互感器中氢气含量单项超标的现象。表1列出了外海变电站多台LCWB6－110型电流互感器在1997－2000年应用金属膨胀器后的气体色谱分析结果。由此表可见，其氢气含量显著超标。
表1 油质气相色谱试验报告
3 油中氢气的来源
互感器油中最有可能产生氢气的途径有三条，分述如下：
3.1 水分的电解及与铁的化学反应
一般说来，当油中存在水分时，在电场的作用下，水分将发生电解产生氢气：
水分也可与铁发生反应放出氢气：
3H2O+2Fe→3H2+Fe2O3
但是，由于装有金属膨胀器的互感器内部一般都保持微正压状态，而且设备密封性能优良，很少有可能内部受潮。同时，由表1数据可见，油中氢气含量与油中含水量并无直接关系，因此可以认为密封式互感器油中氢气含量偏高，不太可能是由于受潮而引起的。
3.2 烷烃的裂化反应
变压器油主要由烷烃、环烷烃和芳香烃组成，其中烷烃的热稳定性最差。这些有机物在高温下会发生裂化。在裂化过程中，主要是由大分子烷烃转变成小分子烷烃、不饱和烃(烯烃和炔烃)及氢。用气相色谱分析法检测充油设备内部故障的诊断原理即是以此为依据。由于当设备内部存在故障引起过热或高温而发生裂化反应时，与不同的故障温度相对应，必然会伴随一些气态烃的产生，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，而本事例的油中只有氢气含量高，其它特征气体很低，由此可以断定，不可能是由设备内部故障所引起的。
3.3 环己烷的脱氢反应
环己烷是石油(也是变压器油)的主要成份之一。环烷烃中有一种环己烷，它在石油中的含量约为0.5%-1%，其沸点为80.8℃，密度为0.78g/cm3。在炼油过程中，由于工艺条件的限制，难免要在变压器油的馏分中残留下少量的轻质馏分，其中也可包括环己烷。这样，在某些条件(如催化剂，温度等)下，就可能因它发生脱氢反应(芳构化)而产生氢。
常用的催化剂往往也是加氢催化剂，故催化反应常是一平衡体系。正方向是吸热反应，逆方向是放热反应。在常温下并有较多氢气存在时，平衡向左移动，有利于环己烷的生成；温度提高，同时体系中没有或只有少许氢气时，平衡向右移动，有利于氢和苯的生成。
在正反应中，1mol环己烷可生成3mol氢气。1mol氢气在标准状态下的体积是22.4L，1mol环己烷的体积为：
1mol环己烷重量/环己烷密度=环己烷分子量/环己烷密度=84/0.78=108Ml=0.108L
生成物氢与反应物环己烷的体积之比为22.4×3/0.108=622
即当油中含有百万分之一的环己烷并参加脱氢反应时，就可产生622×10-4%的氢气。可见，如果这一反应能在互感器油中发生，只要油中存在极少的环己烷，就可能出现氢浓度高的现象。
综上所述，大量的互感器中单纯产生较高氢气的现象与环己烷的脱氢反应最为吻合。而且，这个反应在运行的互感器中也确是有条件发生，这是因为，金属膨胀器的主要构件是用不锈钢合金(1Cr18Ni9Ti)制成，合金中镍是一种著名的加氢和脱氢催化剂。在环己烷脱氢制苯反应中，镍具有双向催化功能，在正逆两个方向的反应中它都能起催化作用。
互感器油中氢浓度的增高过程可以设想如下：
在设备投运初期，油中有较多的环己烷，没有或只有少量的氢，在电场和镍的催化作用下，这时的脱氢反应速度大于加氢反应速度，氢浓度增高。经较长的运行时间后，正逆反应的速度逐渐接近，最后达到了平衡，此时油中氢气浓度升至最大值。
4 处理方法
4.1 跟踪试验
对油中出现的单纯氢气超标而水分含量又在合格范围内的情况，可进行一段时间的跟踪试验。跟踪试验项目应为色谱分析和微水分析。因设备内部并无故障，故不应归入有绝缘缺陷之列。
4.2 换油
更换互感器油这一处理方法的优点是简单，但如更换后的油中含有较多的环己烷，尽管当时油中氢浓度很低，但随着互感器的投入运行，油中的脱氢反应不断进行，氢气浓度将逐渐上升。所以，此法不仅费用较高，而且换油后仍不能预计氢浓度升高的期限。
4.3 真空脱气
即是利用设备停电检修期间，从互感器油箱底的放油阀充入干燥的氮气(压力为0.4Mpa)，因为互感器的膨胀器上部有一定的空间，这样，当氮气穿过油向上运动时便呈现一类似"水开沸腾"的现象，加速油中的气体(主要是氢气)从油内部跑出，然后，再将真空橡胶管接到互感器金属膨胀器顶部的加油阀上，用真空泵抽真空数小时即可。为此所用的设备和连接方法见附图。
附图：CT真空脱气示意图
1－CT；2－真空泵；3－氮气瓶；4－阀门
5－氮气压力表；6－阀门；7－气泡；8－变压器油
表2列出了外海站三台互感器采用真空脱气处理前后氢气的浓度值。由此表可见，处理后的氢气浓度值可比处理前减少1/3以上。
表2 真空脱气处理前后氢气浓度值
|
设备名称 |
脱气时间(h) |
脱气前(H2)浓度μL/L |
脱气后(H2)浓度μL/L |
|
110kV 外潮线 A相 CT |
2 |
217 |
114 |
|
110kV 旁路 C相 CT |
1.8 |
195 |
122 |
|
110kV 2M A相 PT |
2.2 |
188 |
133 |
5 结束语
互感器油中氢气浓度超标虽然不会影响设备的安全运行，但毕竟有一项指标超标，有可能被划入绝缘缺陷而影响设备评级。对此，较简便而有效的处理方法是采用抽真空脱氢。
文章版权归西部工控xbgk所有，未经许可不得转载。
服务咨询