非故障狀態(tài)變壓器絕緣油中H2異常的案例分析

何文林，孫 翔，陳 斌，金祖龍

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司衢州供電公司，浙江 衢州 324002）

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，具有地位重要、價(jià)值昂貴和生產(chǎn)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。電力變壓器的健康狀態(tài)將直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平，不必要的停電檢修直接降低供電可靠性，影響電力用戶的正常生產(chǎn)[1]。機(jī)械穩(wěn)定性和絕緣狀態(tài)是影響電力變壓器安全運(yùn)行水平的主要因素[2]，電力企業(yè)通過(guò)減少變壓器近區(qū)短路的概率、降低變壓器短路電流水平及通過(guò)變形測(cè)試等技術(shù)手段，使因機(jī)械穩(wěn)定性引起的變壓器損壞事件得到了較好的控制[3]。高電壓等級(jí)的電力變壓器一般采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)，電力變壓器因油紙絕緣狀態(tài)劣化引起設(shè)備故障的事件時(shí)有發(fā)生。健康狀態(tài)良好的絕緣紙是變壓器安全運(yùn)行的主要保證措施，絕緣紙性能劣化將產(chǎn)生電場(chǎng)集中、局部過(guò)熱及絕緣油化學(xué)裂解等一系列自然現(xiàn)象[4]。無(wú)論電場(chǎng)集中還是局部過(guò)熱皆會(huì)引起絕緣油化學(xué)裂解，通過(guò)絕緣油色譜分析可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣紙狀態(tài)劣化，取得較好的應(yīng)用效果[5-7]。絕緣油色譜分析是一種間接發(fā)現(xiàn)絕緣狀態(tài)劣化的方法，而絕緣狀態(tài)正常的變壓器也可能出現(xiàn)油色譜分析異常，尤其是H2含量異常時(shí)有發(fā)生，這給制定檢修策略帶來(lái)了一定的困難[8-10]。

導(dǎo)致絕緣狀態(tài)正常的變壓器出現(xiàn)油中色譜H2含量異常的原因較多。一些新的變壓器在投運(yùn)前其油中H2含量就較高，并在投運(yùn)后逐步增長(zhǎng)，一般經(jīng)過(guò)1年以后達(dá)到最大值，然后逐漸降低。這是因?yàn)樽儔浩髦圃爝^(guò)程中的殘氣在運(yùn)行中逐漸釋放于油中，其濃度達(dá)到最大值之后，由于氣體逸散而逐漸降低[11]。脫氣處理可以減少變壓器中的含氣量。脫氣處理方法一般有2種：一種是將變壓器中的油全部排出并注入油桶，然后分別對(duì)油桶中的油和變壓器本體按要求進(jìn)行真空脫氣；另一種是直接在變壓器中對(duì)油進(jìn)行真空脫氣和熱油循環(huán)。2種方法使用時(shí)要具體情況具體分析，主要看是因絕緣紙受潮引起H2升高還是由于其他原因引起H2升高[12]。對(duì)于因絕緣紙受潮引起H2升高的變壓器，一般應(yīng)進(jìn)行干燥處理，絕緣受潮變壓器的處理方法除返廠處理外，現(xiàn)場(chǎng)常用的方法是離線干燥處理。隨著濾油技術(shù)的發(fā)展，處理絕緣受潮變壓器還可采用在線濾油方法[13]。如果變壓器油沒(méi)有經(jīng)過(guò)很好的真空處理，可能會(huì)在器身中殘留一部分H2。

絕緣正常的變壓器油中也可能出現(xiàn)H2含量異常，將影響對(duì)故障判斷的準(zhǔn)確性。有學(xué)者對(duì)氫組分作為特征氣體的必要性提出質(zhì)疑，認(rèn)為在對(duì)變壓器故障的分析判斷中，H2組分不適宜做特征氣體，氣相色譜也可不必做氫組分分析[14]。

本文結(jié)合典型案例，分析變壓器器身中的不銹鋼材料及油漆對(duì)絕緣油中H2異常的影響，以提高變壓器故障判斷的準(zhǔn)確性。

1 案例分析

某110kV電壓等級(jí)變壓器，型號(hào)為SZ9-40000/110，出廠日期為2006年7月，接線組別為YNd11，容量比為40000/40000kVA。2007年11月發(fā)現(xiàn)H2含量超注意值，其它組分含量較小，跟蹤發(fā)現(xiàn)H2存在明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，至2013年3月30日，H2含量已達(dá)847.7μL/L。為確定該變壓器的運(yùn)行性能，在進(jìn)行色譜分析的同時(shí)，收集了該臺(tái)變壓器的停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并開展了帶電檢測(cè)。

1.1 色譜數(shù)據(jù)分析

從2007年11月以來(lái)的色譜數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，H2含量跟隨運(yùn)行時(shí)間穩(wěn)步增長(zhǎng)，并有一定波動(dòng)。2011年6—8月和2012年7—9月期間負(fù)荷較大，但負(fù)荷變化前后H2數(shù)據(jù)并無(wú)相似變化趨勢(shì)，說(shuō)明H2含量與負(fù)荷相關(guān)性不明顯。

利用三比值法對(duì)色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[15]，得到如圖2所示的結(jié)果，從圖中可以看出，色譜數(shù)據(jù)三比值特征為局部放電。

1.2 帶電檢測(cè)結(jié)果分析

為全面檢查該變壓器的絕緣健康狀態(tài)，確定運(yùn)行狀態(tài)下是否存在放電及異常過(guò)熱情況，開展了專業(yè)巡視、紅外熱像檢測(cè)、紫外成像檢測(cè)、特高頻局部放電、超聲波局部放電、鐵心接地電流等測(cè)試項(xiàng)目。其中特高頻局部放電測(cè)試結(jié)果見圖3，帶電檢測(cè)結(jié)果均未見明顯異常。

圖1 H2變化趨勢(shì)

圖2 三比值法分析結(jié)果

圖3 特高頻局部放電典型頻譜

1.3 停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程的要求，開展停電狀態(tài)下的例行試驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)異常。

2 相同廠家變壓器的比對(duì)

從色譜數(shù)據(jù)分析可知，該變壓器存在局部放電。從帶電測(cè)試和停電試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該變壓器并不存在局部放電，也未發(fā)現(xiàn)任何絕緣缺陷。為查證該變壓器是否存在設(shè)計(jì)、材質(zhì)和工藝等方面的問(wèn)題，對(duì)同廠家出廠的變壓器進(jìn)行比對(duì)分析。

以同一廠家206臺(tái)110kV電壓等級(jí)變壓器的H2數(shù)據(jù)為樣本，將 H2數(shù)據(jù)按照0～150μL/L，150～500μL/L，500～1000μL/L 進(jìn)行分類，可得到H2含量與出廠日期的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，H2含量在150～1000μL/L的設(shè)備共 5臺(tái)，均為2005—2009年出廠。初步分析2005—2009年H2超標(biāo)設(shè)備的大量出現(xiàn)應(yīng)非偶然現(xiàn)象，可能與變壓器廠家的設(shè)計(jì)、材質(zhì)和工藝等方面存在一定的相關(guān)性。

圖4 出廠日期與H2含量關(guān)系

對(duì)上述5臺(tái)H2含量超過(guò)150μL/L的設(shè)備利用三比值法進(jìn)行分析[15]，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，上述5臺(tái)設(shè)備的三比值特性與案例變壓器三比值分析結(jié)果相似。

圖5 三比值法分析結(jié)果

3 相同廠家變壓器共性問(wèn)題分析

從同一制造廠相同電壓等級(jí)變壓器的對(duì)比分析可知，案例變壓器與其它H2異常的5臺(tái)變壓器相比，有以下3個(gè)共性問(wèn)題：

（1）6臺(tái)變壓器除油中H2異常外，所有電氣試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)異常，運(yùn)行正常，紅外測(cè)溫、運(yùn)行巡視皆正常。

（2）6臺(tái)變壓器出廠日期均為7—9月份，油箱的生產(chǎn)時(shí)間處于南方的梅雨季節(jié)，大氣濕度很大。

（3）為避免鐵芯柱拉板過(guò)熱，每臺(tái)變壓器在鐵芯柱兩側(cè)采用了6塊無(wú)磁拉板，無(wú)磁拉板所有焊接部位均采用不銹鋼焊條進(jìn)行焊接。

由上述變壓器H2異常共性原因分析可知，案例變壓器內(nèi)部存在絕緣故障的可能性不大，引起H2異常的原因可能與變壓器油箱制作過(guò)程中環(huán)境濕度過(guò)大及不銹鋼材料對(duì)絕緣油的催化作用有關(guān)。

4 油箱制作過(guò)程中環(huán)境濕度過(guò)大與H2異常的機(jī)理分析

為防止變壓器油箱的金屬鋼板與絕緣油直接接觸，變壓器油箱制作過(guò)程中會(huì)在其內(nèi)表面噴涂絕緣底漆，常用的材料是H06-2環(huán)氧富鋅底漆。

烷基硅酸酯、鋅粉、顏料及助劑組成雙組份防銹底漆，具有優(yōu)異的防腐性能。與大多數(shù)聚氨酯樹脂漆一樣，配漆和涂裝過(guò)程中嚴(yán)禁與水、酸、堿、醇等接觸。油漆刷涂后，超過(guò)涂料技術(shù)要求的固化時(shí)間，但漆膜仍未干燥的情況稱為慢干；漆膜已形成，但過(guò)段時(shí)間后又出現(xiàn)粘手的現(xiàn)象稱回粘。

底漆的干燥時(shí)間與環(huán)境溫度、濕度有關(guān)，濕度越大干燥時(shí)間越長(zhǎng)。底漆未干燥的直接后果是底漆中含水量較大，此時(shí)有可能因水分和鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生H2，或在高電場(chǎng)作用下水分子分解產(chǎn)生H2。

防止慢干或回粘的對(duì)策主要有：

（1）待完全干燥后再噴涂。

（2）按比例加固化劑調(diào)漆。

（3）使用廠家提供的配套稀釋劑。

（4）在正常室溫和濕度下噴涂。

（5）分2次或多次施工，延長(zhǎng)層與層之間施工時(shí)間。

（6）若涂面無(wú)法干燥，應(yīng)將涂層鏟去或用布沾丙酮清洗掉后重涂。

5 不銹鋼材料對(duì)絕緣油的催化作用與H2異常的機(jī)理分析

不銹鋼焊條的成份以鉻（Cr）和鎳（Ni）為主，其中鎳具有較高的催化活性。

鎳在工業(yè)上主要作為不飽和烴加氫的催化劑，催化劑本身不移動(dòng)平衡，只降低活化能的特性，故鎳是飽和烴脫氫的良好催化劑。不銹鋼的實(shí)際催化活性主要取決于以下因素：表面恰好由鎳取代構(gòu)成平面密堆層所占總表面積的大小，表面缺陷產(chǎn)生的臺(tái)階和孤立原子中鎳原子的多少，以及鎳原子團(tuán)簇在絕緣油中的濃度大小[16]。

催化劑分子或原子的活性很強(qiáng)，在反應(yīng)體系中催化劑的活性部位完全被反應(yīng)分子結(jié)合，因此反應(yīng)速率與反應(yīng)底物濃度（H2）無(wú)關(guān)，僅取決于體系中催化劑活性中心的數(shù)目。反應(yīng)過(guò)程中催化劑幾乎無(wú)消耗，在底物大大過(guò)量的催化反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)速率為常數(shù)。

不銹鋼催化中心濃度具有很大的隨機(jī)性，與不銹鋼的表面狀態(tài)有很大關(guān)系，由于加工以及使用狀態(tài)的不同，不同的器件之間存在較大的個(gè)體差異[17]。因此，相同結(jié)構(gòu)變壓器中的H2含量存在較大的隨機(jī)性。

在其它理化條件不變的情況下，反應(yīng)速率與催化劑表面原子百分?jǐn)?shù)有很大關(guān)系。顆粒越小的原子簇所含有的表面原子也越多，其催化活性也就越強(qiáng)[16]。

金屬原子團(tuán)簇之間有較強(qiáng)的相互結(jié)合的趨勢(shì)，燒蝕或蒸發(fā)所產(chǎn)生的金屬團(tuán)簇相互碰撞后發(fā)生結(jié)合，導(dǎo)致體積迅速增大，表面原子數(shù)量迅速下降，直到表面原子失去活性，脫氫反應(yīng)停止，導(dǎo)致變壓器絕緣油中H2的產(chǎn)生速率大幅下降，但H2總量仍然維持著較高的水平。

控制不銹鋼催化作用最直接的方法是對(duì)不銹鋼進(jìn)行退火處理或在不銹鋼表面涂覆密度較大的絕緣材料。

6 結(jié)語(yǔ)

色譜分析是間接的變壓器健康狀態(tài)測(cè)試方法，可以發(fā)現(xiàn)變壓器潛伏性絕緣缺陷，但色譜分析中單一H2異常不一定表明變壓器存在缺陷，應(yīng)結(jié)合紅外、鐵芯電流、帶電局部放電及例行停電試驗(yàn)等更直接的方法進(jìn)行綜合判斷。

存在絕緣故障的變壓器，色譜分析結(jié)果除H2異常外，還常伴隨其它特種氣體的明顯變化，單一H2異常時(shí)存在絕緣故障的可能性不大。

非故障原因引起變壓器油中單一H2異常的原因很多，主要是水分的電解、鐵的氧化反應(yīng)和不銹鋼的催化反應(yīng)。非故障原因單一H2異常的特點(diǎn)是前期H2含量增長(zhǎng)速度較快，隨后增長(zhǎng)速度放慢直至平衡。

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