840MVA变压器油中氢气含量异常升高原因分析及处理
摘要：某水电站一台变压器新投运以来，油色谱分析持续出现单氢含量超标的现象，通过分析验证找到了故障原因来自水冷却器焊接使用焊料中含有的镍元素。论证了镍元素对油中环己烷等低分子烃发生脱氢反应，所起的催化作用。及时的处理了故障，保证了变压器的稳定运行。
关键词：变压器 氢浓度 脱氢反应 色谱分析
某水电站8#主变压器是双绕组三相升压油浸式电力变压器，冷却方式为强迫油循环水冷，额定容量840MVA，该主变压器自2004年08月24日从投运以来，H2呈加速上涨趋势， 2008年5月7日油气相色谱试验测得H2含量为141ppm，2008年6月11日升至163ppm，已超过注意值150ppm。2008年6月16日到2008年6月18日期间对变压器进行脱气处理后，其氢气含量降至22ppm，但设备投运后，2009年1月7日其氢气含量又上升至167 ppm，并呈现增长趋势，变压器极化指数与吸收比均不合格。2009年1月取样油化结果如表一： 表一：
取样部位 组 分 氢气 H2 甲烷 CH4 乙烷 C2H6 乙烯 C2H4 乙炔 C2H2 一氧化碳CO 二氧化碳CO2 总烃 ∑CH
试验结果（ppm） 167 3 0 0 0 82 593 3 1、试验分析
1.1、化学试验分析
根据色谱数据，按照DL/T 722-2000 《变压器油中溶解气体分析和判断导则》在4.3节提到“油中含有水，可以与铁作用生成氨。过热的铁心层间油膜裂解也可以产生氢。新的不锈钢中也可能在加工过程中或焊接时吸附氢而又慢慢释放到油中。特别是在温度较高，油中有溶解氧时，设备中某些油漆（醇酸树脂），在某些不锈钢的催化下，甚至可能生成大量的氢。”
国内某变电站《主变油中氢气超标排查及处理》一文中提到另外一种产生氢气的可能性，即变压器油中低分子烃在某些催化剂（如镍等）的作用下，发生脱氢反应，生成氢气和苯。
1.2、电气试验分析
为了查明氢气含量异常升高原因，对变压器进行了预防性试验：直流电阻、绝缘电阻、泄漏试验，介损测量。试验数据与出厂数据对比发现绕组的极化指数和吸收比不合格，其余
数据合格，干燥前后极化指数和吸收比数据如表二：
表二：
吸收比
注：干燥前的试验数据为2008年6月28日测得，干燥后的试验数据为2009年3月1日热油循环后测得。
干燥前 干燥后 1.17 1.58 2.82 极化指数 1.43 2、排油检查
为了查找原因对变压器内部进行了如下检查： 1）检查铁心、夹件引线端部固定是否良好。
2）检查上、下铁轭上表面可见部分与夹件、拉带之间是否有异物，绝缘是否完好。 3）检查器身下端四个边角处下铁轭两端角部与垫脚是否接触,检测铁心片是否良好。 4）检查铁心表面有无杂物、油垢、锈迹，铁心各处螺丝是否松动，有无多点接地现象。 5）检查可见硅钢片有无损伤断裂，其绝缘漆完好。 6）高、低压侧磁屏蔽、电屏蔽是否良好。
7）检查绕组是否有匝绝缘破损，导线弯曲、倾倒及导线换位处有剪刀形交叉，线段松散等情况，检查绕组压钉的紧固情况。
8）检查绝缘支架尤其是高压侧上铁轭木支撑有无破裂迹象，各部引出线端部固定及绝缘包扎情况以及各部垫块、压钉、螺栓紧固与绝缘情况。
9）检查器身不锈钢部件有无涂绝缘漆情况，检查无载分接开关引线端部紧固情况，切换开关触头对应情况，检查油箱是否干净，油箱漆膜情况。
3、检查结果
3.1、经检查器身不锈钢部件绝缘漆有部分损伤，其中靠A相旁轭处铁心的三根夹件中有一根的一侧面未涂绝缘漆。
图一：绝缘漆情况
图二：绝缘漆情况
3.2、在油箱内仔细检查发现有一个密封圈和部分绝缘纸。
图三：发现的密封圈和绝缘纸
3.3、其他部件检查均正常
图四：铁芯与围屏
4、原因分析
通过化学试验数据、电气试验数据、以及内部检查情况分析，变压器油中氢气含量升高可能有以下几种可能性。 4.1、主绝缘受潮
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(2H2O→2H2↑+O2↑)，并且水与铁的化学反应也会产生大量的氢气(3H2O+2Fe→3H2↑+Fe2O3)。当绝缘受潮后，电导损耗增加，吸收过程变短，吸收比和极化指数下降。 4.2、不锈钢析氢
某些新不锈钢在加工过程中或者焊接过程中没有严格控制工艺要求而吸附氢，在运行过程中慢慢释放到油中。 4.3、油漆作用产氢
温度较高时候，某些油漆在一些特殊材质不锈钢的催化作用下产生大量氢气，从而进入变压器油中。
4.4、油中某些烃被催化产氢
环烷烃是油中的主要成份之一，在炼油过程中，由于工艺条件的，难免要在变压器油中残留下少量的轻质馏分，其中就可包括环己烷这样的一些低分子烃。环己烷在催化剂、温度、电场的作用下会发生脱氢反应。
5、处理情况
2009年2月5日到3月2日在对变压器油进行进人检查后，采集变压器干燥前内部绝缘进行试验，结果正常，排除了绝缘受潮的可能，其中低压侧绝缘纸样含水为1.77%，高压侧绝缘纸样含水为1.96%。热油循环后，发现油中氢含量仍然持续增加（数据见表三），
表三： 日期 氢气 甲烷 乙烷 乙烯 乙炔 一氧化碳 二氧化碳 总烃 1.7* 167 3 0 0 0 82 593 3 3.9 10 0.2 0 0 0 2 98 0.2 4.29 18 0.2 0 0.4 0 2.7 36 0.6 5.13 24 0.5 0 0 0 7 128 0.5 5.25 37 0.66 0 0 0 11 166 0.66 6.9 50 0.92 0.53 0 0 16 208 1.45 6.19 51 0.95 1.04 0.4 0 14 246 2.35 6.24 60 0.94 0.55 0.27 0 17 175 1.76 7.2 67 1.2 1.7 0.7 0 17 246 3.6 注：打*日期为干燥前油化数据。
该变压器的冷却方式采用强迫油循环水冷方式，六组冷却器由国内某冷却器公司提供，采用外油内水的方式冷却。冷却器的外壳为不锈钢，其内部含有65根镀锌紫铜螺纹管，螺纹管中间与水流直管紧贴传热，外部通过油流。其中，螺纹管中间的直管材料为紫铜。
图一：冷却器内部结构
图二：冷却器内部材质
经厂家确认油路上并没有可以产生氢的油漆。根据投运后的一系列试验数据，以及厂家发来的资料了解到，在主变冷却器的焊料中存在镍元素，由于镍元素是环己烷这样的一些低分子烃的脱氢反应催化剂。2010年1月检修部门对变压器的水冷却器进行了更换。
只更换冷却器油水热量交换不锈钢金属筒，保留其渗漏检测仪及相关监控线路；逐台拆除原冷却器油水热量交换不锈钢金属筒；逐台安装另外一公司生产的非不锈钢冷金属筒，并更换进出水管及进出的密封圈；
更换冷却器后至今，该主变压器油中气体含量正常，氢含量平稳。更换后的油化数据如表四：
表四： 日期 2010.8.20 2011.3.15 2011.6.20 2011.9.21 氢气 甲烷 乙烷 乙烯 乙炔 一氧化碳 二氧化碳 总烃 12 1.5 0 0 0 27 257 1.5 2 5 4 0 0.3 1.2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 45 67 72 220 421 341 0 1.3 1.2
注：单位ppm
6、结论
由上述分析可见，与变压器油接触的部件中不能存在有Ni镍、Pt铂、Pd钯、Co钴、Ir铱、Rh铑、Re铼、Tc锝、Os锇等可能催化油中一些低分子烃发生脱氢反应的元素。生产厂家在制造过程中要避免掺入该类金属，检修运行单位在遇到类似单氢含量升高问题时，不妨对变压器油接触的部件材料入手分析。
徐铬（中国长江电力股份有限公司 宜昌 443133）
参考文献
（1）徐康健；主变油中氢气超标排查及处理；浙江电力；2000年02期
（2）徐康健；互感器油中氢浓度偏高现象的分析[J]；高电压技术；1996年03期
（3）徐康健,郝力军；变压器油中产生H_2的一种特殊途径[J]；高电压技术；2004年05期
（4）胡云霞，安越，曹警伟，徐国华，刘芙；镀镍碳纳米管催化环己烷脱氢反应的研究；高校化学工程学报；2010年第24卷第03期