互感器油中氫氣含量超標的分析和處理

分類：解決方案日期：2007-02-02 00:00:00

摘要：分析互感器油中氫氣含量超標的主要原因，提出現(xiàn)場處理的方法。
關(guān)鍵詞：互感器油氫氣超標現(xiàn)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(shù)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(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)測和分析發(fā)現(xiàn)，相當數(shù)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(wěn)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(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超標的現(xiàn)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(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。
表1　油質(zhì)氣相色譜試驗報告

采樣日期	型號	H₂	CH₄	C₂H₆	C₂H₄	C₂H₂	總烴	CO	CO₂	H₂O
1997.10.15	LCWB－110	195	47.93	2.19	0.8	0	50	240	666	9
1998.6.22	LCWB－110	171	51	2	0.8	0	53.7	300	1305	10
1999.12.27	LCWB－110	217	52	2.6	0.8	0	55.5	202	525	12
1999.12.27	JDX2－110W2	188	17.3	1.5	1.3	0	224	663	20.1	12

　　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，當油中存在水分時，在電場的作用下，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，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。這些有機物在高溫下會發(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，與不同的故障溫度相對應(yīng)，必然會伴隨一些氣態(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，平衡向左移動，有利于環(huán)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(yīng)中，1mol環(huán)己烷可生成3mol氫氣。1mol氫氣在標準狀態(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
　　即當油中含有百萬分之一的環(huán)己烷并參加脫氫反應(yīng)時，就可產(chǎn)生622×10-4%的氫氣。可見，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，這個反應(yīng)在運行的互感器中也確是有條件發(fā)生，這是因為，金屬膨脹器的主要構(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)備投運初期，油中有較多的環(huán)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(yīng)速度大于加氫反應(yīng)速度，氫濃度增高。經(jīng)較長的運行時間后，正逆反應(yīng)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(xiàn)的單純氫氣超標而水分含量又在合格范圍內(nèi)的情況，可進行一段時間的跟蹤試驗。跟蹤試驗項目應(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)點是簡單，但如更換后的油中含有較多的環(huán)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(yīng)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(yù)計氫濃度升高的期限。
　　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?shù)獨獯┻^油向上運動時便呈現(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(shè)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