阎春雨1，王炜2，陈志勇1
（1.河北省电力试验研究所，河北石家庄050021;
2.石家庄电业局，河北石家庄050051）
摘 要：文章介绍了少油设备产生单氢含量高的原因和机理，并根据少油设备的结构特点提出了故障诊断及处理方法。
关键词：少油设备；单氢含量；低能放电故障；过热性故障
油中气体含量的色谱分析技术,对于发现充油电力设备内部潜伏性或称早期故障的有效性是其它各种试验所不能代替的,在设备检测中占有极其重要的地位。利用色谱分析结果在故障诊断上,除了采用常见的“三比值”法进行判断分析外,还要根据其中特征气体如乙炔、乙烯、一氧化碳、氢气中某一种为主要成分来分类,但前三种特征气体出现,一般都同时存在着其它种类气体,可以对比判断故障类型。为此，新版DL/T 722-2000《变压器油中溶解气体分析和判断导则》(以下简称《导则》)对油中氢气含量单一增长现象加以区分,并提出了原则性的判断意见。但鉴于氢气产生的原因、对运行设备的危害程度各不相同，应根据具体情况加以分析，以做出正确的判断。
1油中产生氢气的原因
1.1水分的电解及与铁的化学反应
如果因制造时干燥不好或运行中受潮,或因油在光、热、电的作用下氧化析水,内部就会有水分和含湿杂质,水分在电场的作用下电解产生氢气；另外,水与铁的化学反应也会产生大量的氢气。即在电场作用下，水可发生电解产生氢气：2H2O→2H2↑+O2↑；水分也可与铁发生反应放出氢气：3H2O+2Fe→3H2↑+Fe2O3
1.2烷烃的裂化反应
变压器油是由许多不同分子量的碳氢化合物组成，即主要由烷烃、环烷烃和芳香烃组成。由于电和热故障的作用，使某些碳氢键、碳碳键断裂，伴随着由大分子烷烃转变成氢气和低分子烃类气体，即氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等。
1.2.1低能放电故障
在低能量放电的作用下，通过离子反应使最弱的碳氢键断裂，因这种放电不涉及固体绝缘材料,主要产生氢气而积聚,甲烷也少量伴随上升。由于甲烷生成量较少，分析对比时误差会很大，实际分析应用意义不大，所以仍是属于单氢增长分析范围。引起放电的初始原因可能是存在折皱、间隙、浸渍不良等,当进一步加重成为火花放电时,产气量急增,当产生的气体在油中溶解饱和时,将在油中出现气泡,使放电更加强烈,以至破坏绝缘。但这时大量的乙炔产生出来,涉及固体绝缘还会有较多的一氧化碳、二氧化碳,所以较严重的放电故障判断反而更加容易。但这时故障已发展到一定程度,危险性大大增加。
1.2.2过热性故障
当设备内部存在高温热点时,也会产生大量的氢气。设备处于正常状态下热点温度和电场强度均不足以使油产生裂解或脱氢,当热点温度处于约300 ℃的低温或热点温度较高但油与热点接触时间很短(如循环的油)时,会引起烷烃裂解或脱氢,产生以氢气为主的故障类型,但正因为同时有烷烃的裂解,因而会伴随产生低分子的烷烃,如甲烷、乙烷,如果出现了乙烯和丙烯又低于乙烷和丙烷时,热点温度会有所提高,约在400～500 ℃。这类故障因氢气升高的同时,伴随其它气体的产生,因此，分析判断并不十分困难。
1.3环乙烷的脱氢反应
环烷烃是变压器油的主要成分之一。环烷烃中有一种环乙烷，它在石油中的含量在0．5％～1％之间，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，其中也包括环乙烷。环乙烷在某些条件下（如催化剂、温度等）会发生脱氢反应生成氢气和芳香烃，在正反应中，1 mol环乙烷可生成 3 mol氢。1 mol氢气在标准状态下的体积是22.4 L，1 mol环乙烷的体积为0.108 L,生成物氢的体积是反应物环乙烷的体积的22.4×3/0.108=622 倍。可见，互感器的油中只要存在极少的环乙烷，就会出现高浓度的氢气。
近年来,随着金属膨胀器在互感器中的广泛应用,在互感器中普遍出现了氢气单一增高的现象,甚至在新设备中也不鲜见。据有关资料介绍,这种现象是油中环乙烷的脱氢反应所致。这是因为金属膨胀器的主要构件用不锈钢合金（1Cr18Ni9Ti）制成，合金中的镍是一种脱氢催化剂。
设备投运初期，油中有较多的环乙烷，而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。经很长的运行时间后，正逆反应速度逐渐接近，最后达到平衡，此时油中氢气浓度升至最大值。以后，随着设备运行时间的增加，合金表面会逐渐钝化，催化活性减弱，不利于常温条件下正反应的进行，使平衡向左移动，即加氢反应速度大于脱氢反应速度，形成油中氢气浓度呈缓慢下降趋势。
1.4其它非故障原因
新的不锈钢材料也可能在加工过程和焊接过程中吸附氢气而后释放到油中，设备曾有过故障而脱气不彻底时、设备在出厂试验时由于试验电压较高等都可能引起油中氢气增加。
以上是氢气产生的主要原因,过热性故障会或多或少地有一些其它特征气体伴随产生，而电、潮、脱氢都会引起氢气单一增高，给正确的区分判断带来困难。
2故障判断
2.1根据特征气体判断故障类型
油中气体含量的分析方法,常用的除三比值法和无编码比值法外,还有单项成分超标法,比较适合氢气单一增高的特例。
在过热性故障中,氢气含量上升的同时,会有甲烷、乙烯等其它气体伴随产生,而且甲烷、乙烯
占总烃的80％以上,热点温度越高,乙烯的比例会越大。严重过热时会有少量的乙炔产生,但不会超过总烃的6％。
在局部放电中,甲烷亦会产生,但产出速度较少,可能会淹没于测量误差。判断其是否受局部放电影响,一是进行局部放电试验,二是采取将设备真空脱气后加一定的电压,保持一段时间,然后分别对加压前后的油样进行测量分析对比,如果发现氢气含量增加,甲烷也有所增长,即可确定故障原因。如果因条件所限做不到这些,即进行跟踪检测,或因故障程度较轻,待其故障有所发展出现其它特征气体也可确定,但需很好地把握。
当油中只有氢气的含量高,而其它特征气体又很低的情况下,一般可以确定不是设备本身的问题,但也应进行微量水或油tan δ检测,以排除受潮的原因。
装有金属膨胀器的互感器氢气单一增高,尤其是新产品,基本上可以确定为环乙烷的脱氢反应所致,当随着油中环乙烷浓度下降和金属表面的钝化,氢气浓度将由其最大值以后逐渐下降,由于不属于设备故障,只要超值不多,而且这种反应是在互感器上部,一般不会引起本体下部电容芯出现气泡,一般不需要处理；但如果油的质量不好,脱氢反应剧烈,产气量大,一是造成内部压力增加,二是大量气体经循环可能会附于电容芯形成气泡,危害主绝缘,因此当由下部采油检测的气体含量过大,亦需进行脱氢处理。
另外,还可根据各气体组分的产气速率来判断,如过热性故障,随着时间的延长和故障的发展,甲烷和乙烯增长较快,而放电性故障氢气增长较快,较严重的放电乙炔增长较快,甲烷、乙烯增长较慢。
还有一种情况是新产品氢气单一增高，伴随少量乙炔。一般认为这是由于厂家在产品出厂试验时所加高电压下，产品内部出现局部放电而致，乙炔含量虽不超标，但也代表着产品的制造质量，局部放电较大的，乙炔含量也一定相对较高。
2.2根据产气速率判断故障严重程度
《导则》推荐了2种计算产气速率的方法并给出了推荐值：绝对产气速率γa(公式见《导则》)，mL/d；相对产气速率γr (公式见《导则》),%/月。
一般在发现故障迹象后间隔1～3个月追踪采样1次。若采用相对产气速率,当大于10％时应引起注意,同时油中气体含量很低时,会有较大误差,所以一般多采用绝对产气速率计算。绝对产气速率的推荐值给出的是变压器及电抗器的总烃注意值,其计算与充油设备的用油量有关,少油设备用油量较少,在相同故障程度下,两者计算的产气量数值差别很大。如变压器一般只要达到10～20 μL/L就可以达到其产气速率12 mL/d；少油设备却需1 000～2 000μL/L才能达到,这时少油设备的故障已经相当严重了,因此少油设备的产气量更应当引起注意。
3脱氢处理
当确认设备存在故障后,若是放电性故障和受潮性故障,一般现场已无处理条件,只能退出运行单独检修。如发生在上部引线部分的过热性故障,现场一般即能处理,下部或本体过热性故障也需退出运行进行检修,现场处理后的设备视情况进行真空脱气处理。
如果是脱氢反应引起,一般建议进行现场脱气处理。如更换新油,因新油中的残留环乙烷无法掌握,如残留较多,日后氢气含量还会增高；如现场脱气处理,虽然脱气后脱氢反应仍会进行,但由于油中的环乙烷浓度下降,其含量数值也会较脱气以前低得多。
真空脱气时,将互感器内的油放出一些,使上部留有一定空间,然后将真空泵接到互感器顶部,抽空3～5 h即可。如在抽空时,将氮气由底部注入一些,引起互感器内的油扰动,将会提高脱气效率,缩短抽空时间,但同时应注意所使用的氮气必须纯净，不然可能会引起油中因氮气含有其它杂质而引起气体组分的升高。
4结论
影响少油设备油中氢气含量的因素较多，有的氢气含量虽低于注意值，但增长趋势较快也应引起注意；有的虽然超过注意值，却没有明显的增长趋势也可判断为正常。另外结合其它试验项目，如红外测温、介损、局部放电、微量水分等试验结果及出厂、交接等历史数据进行综合分析，以做出正确判断。
参考文献：
［1］DL/T 722-2000，变压器油中溶解气体分析和判断导则［S］.
本文关键字：暂无联系方式电工文摘，电工技术 - 电工文摘
