互感器油中氫氣含量超標的分析和處理
摘要：分析互感器油中氫氣含量超標的主要原因，提出現場處理的方法。
關鍵詞：互感器油 氫氣 超標 現場處理
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的臺數越來越多，這些互感器除油中的氫含量超標外，其它特征氣體都很少或為零，且水分含量也均在合格范圍內，故可排除油中的氫氣是由于水分電解或設備內部故障所產生，為了解決這一問題，下面我們首先分析氫氣產生的原因，然后制定出相應的處理方法。
2 基本規律
2.1 這一現象在密封式互感器中較為突出
通過監測和分析發現，相當數量的密封式互感器油中的氫氣濃度相對偏高。特別是投入運行后的最初幾年，在油中總烴含量正常，無乙炔組分且較穩定的情況下，密封式互感器油中氫氣濃度會高于非密封式互感器，并有不斷上升的趨勢，這是因為密封式互感器油中氣體不易逸出而造成氣體在密封空間內不斷累積的緣故。
2.2 應用金屬膨脹器后，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用，出現了許多互感器中氫氣含量單項超標的現象。表1列出了外海變電站多臺LCWB6－110型電流互感器在1997－2000年應用金屬膨脹器后的氣體色譜分析結果。由此表可見，其氫氣含量顯著超標。
表1 油質氣相色譜試驗報告
3 油中氫氣的來源
互感器油中最有可能產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反應
一般說來，當油中存在水分時，在電場的作用下，水分將發生電解產生氫氣：
水分也可與鐵發生反應放出氫氣：
3H2O+2Fe→3H2+Fe2O3
但是，由于裝有金屬膨脹器的互感器內部一般都保持微正壓狀態，而且設備密封性能優良，很少有可能內部受潮。同時，由表1數據可見，油中氫氣含量與油中含水量并無直接關系，因此可以認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
變壓器油主要由烷烴、環烷烴和芳香烴組成，其中烷烴的熱穩定性最差。這些有機物在高溫下會發生裂化。在裂化過程中，主要是由大分子烷烴轉變成小分子烷烴、不飽和烴(烯烴和炔烴)及氫。用氣相色譜分析法檢測充油設備內部故障的診斷原理即是以此為依據。由于當設備內部存在故障引起過熱或高溫而發生裂化反應時，與不同的故障溫度相對應，必然會伴隨一些氣態烴的產生，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，不可能是由設備內部故障所引起的。
3.3 環己烷的脫氫反應
環己烷是石油(也是變壓器油)的主要成份之一。環烷烴中有一種環己烷，它在石油中的含量約為0.5%-1%，其沸點為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餾分，其中也可包括環己烷。這樣，在某些條件(如催化劑，溫度等)下，就可能因它發生脫氫反應(芳構化)而產生氫。
常用的催化劑往往也是加氫催化劑，故催化反應常是一平衡體系。正方向是吸熱反應，逆方向是放熱反應。在常溫下并有較多氫氣存在時，平衡向左移動，有利于環己烷的生成；溫度提高，同時體系中沒有或只有少許氫氣時，平衡向右移動，有利于氫和苯的生成。
在正反應中，1mol環己烷可生成3mol氫氣。1mol氫氣在標準狀態下的體積是22.4L，1mol環己烷的體積為：
1mol環己烷重量/環己烷密度=環己烷分子量/環己烷密度=84/0.78=108Ml=0.108L
生成物氫與反應物環己烷的體積之比為22.4×3/0.108=622
即當油中含有百萬分之一的環己烷并參加脫氫反應時，就可產生622×10-4%的氫氣。可見，如果這一反應能在互感器油中發生，只要油中存在極少的環己烷，就可能出現氫濃度高的現象。
綜上所述，大量的互感器中單純產生較高氫氣的現象與環己烷的脫氫反應最為吻合。而且，這個反應在運行的互感器中也確是有條件發生，這是因為，金屬膨脹器的主要構件是用不銹鋼合金(1Cr18Ni9Ti)制成，合金中鎳是一種著名的加氫和脫氫催化劑。在環己烷脫氫制苯反應中，鎳具有雙向催化功能，在正逆兩個方向的反應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想如下：
在設備投運初期，油中有較多的環己烷，沒有或只有少量的氫，在電場和鎳的催化作用下，這時的脫氫反應速度大于加氫反應速度，氫濃度增高。經較長的運行時間后，正逆反應的速度逐漸接近，最后達到了平衡，此時油中氫氣濃度升至最大值。
4 處理方法
4.1 跟蹤試驗
對油中出現的單純氫氣超標而水分含量又在合格范圍內的情況，可進行一段時間的跟蹤試驗。跟蹤試驗項目應為色譜分析和微水分析。因設備內部并無故障，故不應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點是簡單，但如更換后的油中含有較多的環己烷，盡管當時油中氫濃度很低，但隨著互感器的投入運行，油中的脫氫反應不斷進行，氫氣濃度將逐漸上升。所以，此法不僅費用較高，而且換油后仍不能預計氫濃度升高的期限。
4.3 真空脫氣
即是利用設備停電檢修期間，從互感器油箱底的放油閥充入干燥的氮氣(壓力為0.4Mpa)，因為互感器的膨脹器上部有一定的空間，這樣，當氮氣穿過油向上運動時便呈現一類似"水開沸騰"的現象，加速油中的氣體(主要是氫氣)從油內部跑出，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，用真空泵抽真空數小時即可。為此所用的設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－氮氣瓶；4－閥門
5－氮氣壓力表；6－閥門；7－氣泡；8－變壓器油
表2列出了外海站三臺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
|
設備名稱 |
脫氣時間(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 結束語
互感器油中氫氣濃度超標雖然不會影響設備的安全運行，但畢竟有一項指標超標，有可能被劃入絕緣缺陷而影響設備評級。對此，較簡便而有效的處理方法是采用抽真空脫氫。
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