互感器油中氫氣含量超標(biāo)的分析和處理
摘要：分析互感器油中氫氣含量超標(biāo)的主要原因，提出現(xiàn)場(chǎng)處理的方法。
關(guān)鍵詞：互感器油 氫氣 超標(biāo) 現(xiàn)場(chǎng)處理
1 前言
近年來，220kV外海變電站的110kV電壓、電流互感器油中氫含量超標(biāo)的臺(tái)數(shù)越來越多，這些互感器除油中的氫含量超標(biāo)外，其它特征氣體都很少或?yàn)榱?，且水分含量也均在合格范圍?nèi)，故可排除油中的氫氣是由于水分電解或設(shè)備內(nèi)部故障所產(chǎn)生，為了解決這一問題，下面我們首先分析氫氣產(chǎn)生的原因，然后制定出相應(yīng)的處理方法。
2 基本規(guī)律
2.1 這一現(xiàn)象在密封式互感器中較為突出
通過監(jiān)測(cè)和分析發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)數(shù)量的密封式互感器油中的氫氣濃度相對(duì)偏高。特別是投入運(yùn)行后的最初幾年，在油中總烴含量正常，無乙炔組分且較穩(wěn)定的情況下，密封式互感器油中氫氣濃度會(huì)高于非密封式互感器，并有不斷上升的趨勢(shì)，這是因?yàn)槊芊馐交ジ衅饔椭袣怏w不易逸出而造成氣體在密封空間內(nèi)不斷累積的緣故。
2.2 應(yīng)用金屬膨脹器后，氫氣含量顯著偏高
近些年來，隨著金屬膨脹器在互感器中的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了許多互感器中氫氣含量單項(xiàng)超標(biāo)的現(xiàn)象。表1列出了外海變電站多臺(tái)LCWB6－110型電流互感器在1997－2000年應(yīng)用金屬膨脹器后的氣體色譜分析結(jié)果。由此表可見，其氫氣含量顯著超標(biāo)。
表1 油質(zhì)氣相色譜試驗(yàn)報(bào)告
3 油中氫氣的來源
互感器油中最有可能產(chǎn)生氫氣的途徑有三條，分述如下：
3.1 水分的電解及與鐵的化學(xué)反應(yīng)
一般說來，當(dāng)油中存在水分時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，水分將發(fā)生電解產(chǎn)生氫氣：
水分也可與鐵發(fā)生反應(yīng)放出氫氣：
3H2O+2Fe→3H2+Fe2O3
但是，由于裝有金屬膨脹器的互感器內(nèi)部一般都保持微正壓狀態(tài)，而且設(shè)備密封性能優(yōu)良，很少有可能內(nèi)部受潮。同時(shí)，由表1數(shù)據(jù)可見，油中氫氣含量與油中含水量并無直接關(guān)系，因此可以認(rèn)為密封式互感器油中氫氣含量偏高，不太可能是由于受潮而引起的。
3.2 烷烴的裂化反應(yīng)
變壓器油主要由烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成，其中烷烴的熱穩(wěn)定性最差。這些有機(jī)物在高溫下會(huì)發(fā)生裂化。在裂化過程中，主要是由大分子烷烴轉(zhuǎn)變成小分子烷烴、不飽和烴(烯烴和炔烴)及氫。用氣相色譜分析法檢測(cè)充油設(shè)備內(nèi)部故障的診斷原理即是以此為依據(jù)。由于當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在故障引起過熱或高溫而發(fā)生裂化反應(yīng)時(shí)，與不同的故障溫度相對(duì)應(yīng)，必然會(huì)伴隨一些氣態(tài)烴的產(chǎn)生，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，而本事例的油中只有氫氣含量高，其它特征氣體很低，由此可以斷定，不可能是由設(shè)備內(nèi)部故障所引起的。
3.3 環(huán)己烷的脫氫反應(yīng)
環(huán)己烷是石油(也是變壓器油)的主要成份之一。環(huán)烷烴中有一種環(huán)己烷，它在石油中的含量約為0.5%-1%，其沸點(diǎn)為80.8℃，密度為0.78g/cm3。在煉油過程中，由于工藝條件的限制，難免要在變壓器油的餾分中殘留下少量的輕質(zhì)餾分，其中也可包括環(huán)己烷。這樣，在某些條件(如催化劑，溫度等)下，就可能因它發(fā)生脫氫反應(yīng)(芳構(gòu)化)而產(chǎn)生氫。
常用的催化劑往往也是加氫催化劑，故催化反應(yīng)常是一平衡體系。正方向是吸熱反應(yīng)，逆方向是放熱反應(yīng)。在常溫下并有較多氫氣存在時(shí)，平衡向左移動(dòng)，有利于環(huán)己烷的生成；溫度提高，同時(shí)體系中沒有或只有少許氫氣時(shí)，平衡向右移動(dòng)，有利于氫和苯的生成。
在正反應(yīng)中，1mol環(huán)己烷可生成3mol氫氣。1mol氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積是22.4L，1mol環(huán)己烷的體積為：
1mol環(huán)己烷重量/環(huán)己烷密度=環(huán)己烷分子量/環(huán)己烷密度=84/0.78=108Ml=0.108L
生成物氫與反應(yīng)物環(huán)己烷的體積之比為22.4×3/0.108=622
即當(dāng)油中含有百萬分之一的環(huán)己烷并參加脫氫反應(yīng)時(shí)，就可產(chǎn)生622×10-4%的氫氣?？梢?，如果這一反應(yīng)能在互感器油中發(fā)生，只要油中存在極少的環(huán)己烷，就可能出現(xiàn)氫濃度高的現(xiàn)象。
綜上所述，大量的互感器中單純產(chǎn)生較高氫氣的現(xiàn)象與環(huán)己烷的脫氫反應(yīng)最為吻合。而且，這個(gè)反應(yīng)在運(yùn)行的互感器中也確是有條件發(fā)生，這是因?yàn)?，金屬膨脹器的主要?gòu)件是用不銹鋼合金(1Cr18Ni9Ti)制成，合金中鎳是一種著名的加氫和脫氫催化劑。在環(huán)己烷脫氫制苯反應(yīng)中，鎳具有雙向催化功能，在正逆兩個(gè)方向的反應(yīng)中它都能起催化作用。
互感器油中氫濃度的增高過程可以設(shè)想如下：
在設(shè)備投運(yùn)初期，油中有較多的環(huán)己烷，沒有或只有少量的氫，在電場(chǎng)和鎳的催化作用下，這時(shí)的脫氫反應(yīng)速度大于加氫反應(yīng)速度，氫濃度增高。經(jīng)較長的運(yùn)行時(shí)間后，正逆反應(yīng)的速度逐漸接近，最后達(dá)到了平衡，此時(shí)油中氫氣濃度升至最大值。
4 處理方法
4.1 跟蹤試驗(yàn)
對(duì)油中出現(xiàn)的單純氫氣超標(biāo)而水分含量又在合格范圍內(nèi)的情況，可進(jìn)行一段時(shí)間的跟蹤試驗(yàn)。跟蹤試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)為色譜分析和微水分析。因設(shè)備內(nèi)部并無故障，故不應(yīng)歸入有絕緣缺陷之列。
4.2 換油
更換互感器油這一處理方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但如更換后的油中含有較多的環(huán)己烷，盡管當(dāng)時(shí)油中氫濃度很低，但隨著互感器的投入運(yùn)行，油中的脫氫反應(yīng)不斷進(jìn)行，氫氣濃度將逐漸上升。所以，此法不僅費(fèi)用較高，而且換油后仍不能預(yù)計(jì)氫濃度升高的期限。
4.3 真空脫氣
即是利用設(shè)備停電檢修期間，從互感器油箱底的放油閥充入干燥的氮?dú)?壓力為0.4Mpa)，因?yàn)榛ジ衅鞯呐蛎浧魃喜坑幸欢ǖ目臻g，這樣，當(dāng)?shù)獨(dú)獯┻^油向上運(yùn)動(dòng)時(shí)便呈現(xiàn)一類似"水開沸騰"的現(xiàn)象，加速油中的氣體(主要是氫氣)從油內(nèi)部跑出，然后，再將真空橡膠管接到互感器金屬膨脹器頂部的加油閥上，用真空泵抽真空數(shù)小時(shí)即可。為此所用的設(shè)備和連接方法見附圖。
附圖：CT真空脫氣示意圖
1－CT；2－真空泵；3－氮?dú)馄浚?－閥門
5－氮?dú)鈮毫Ρ恚?－閥門；7－氣泡；8－變壓器油
表2列出了外海站三臺(tái)互感器采用真空脫氣處理前后氫氣的濃度值。由此表可見，處理后的氫氣濃度值可比處理前減少1/3以上。
表2 真空脫氣處理前后氫氣濃度值
|
設(shè)備名稱 |
脫氣時(shí)間(h) |
脫氣前(H2)濃度μL/L |
脫氣后(H2)濃度μL/L |
|
110kV 外潮線 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 結(jié)束語
互感器油中氫氣濃度超標(biāo)雖然不會(huì)影響設(shè)備的安全運(yùn)行，但畢竟有一項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)，有可能被劃入絕緣缺陷而影響設(shè)備評(píng)級(jí)。對(duì)此，較簡(jiǎn)便而有效的處理方法是采用抽真空脫氫。
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