非故障状态变压器绝缘油中H2异常的案例分析

何文林，孙 翔，陈 斌，金祖龙

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000；3.国网浙江省电力公司衢州供电公司，浙江 衢州 324002）

0 引言

电力变压器是电力系统中的关键设备，具有地位重要、价值昂贵和生产周期长等特点。电力变压器的健康状态将直接影响电力系统的安全运行水平，不必要的停电检修直接降低供电可靠性，影响电力用户的正常生产[1]。机械稳定性和绝缘状态是影响电力变压器安全运行水平的主要因素[2]，电力企业通过减少变压器近区短路的概率、降低变压器短路电流水平及通过变形测试等技术手段，使因机械稳定性引起的变压器损坏事件得到了较好的控制[3]。高电压等级的电力变压器一般采用油纸绝缘结构，电力变压器因油纸绝缘状态劣化引起设备故障的事件时有发生。健康状态良好的绝缘纸是变压器安全运行的主要保证措施，绝缘纸性能劣化将产生电场集中、局部过热及绝缘油化学裂解等一系列自然现象[4]。无论电场集中还是局部过热皆会引起绝缘油化学裂解，通过绝缘油色谱分析可以及时发现绝缘纸状态劣化，取得较好的应用效果[5-7]。绝缘油色谱分析是一种间接发现绝缘状态劣化的方法，而绝缘状态正常的变压器也可能出现油色谱分析异常，尤其是H2含量异常时有发生，这给制定检修策略带来了一定的困难[8-10]。

导致绝缘状态正常的变压器出现油中色谱H2含量异常的原因较多。一些新的变压器在投运前其油中H2含量就较高，并在投运后逐步增长，一般经过1年以后达到最大值，然后逐渐降低。这是因为变压器制造过程中的残气在运行中逐渐释放于油中，其浓度达到最大值之后，由于气体逸散而逐渐降低[11]。脱气处理可以减少变压器中的含气量。脱气处理方法一般有2种：一种是将变压器中的油全部排出并注入油桶，然后分别对油桶中的油和变压器本体按要求进行真空脱气；另一种是直接在变压器中对油进行真空脱气和热油循环。2种方法使用时要具体情况具体分析，主要看是因绝缘纸受潮引起H2升高还是由于其他原因引起H2升高[12]。对于因绝缘纸受潮引起H2升高的变压器，一般应进行干燥处理，绝缘受潮变压器的处理方法除返厂处理外，现场常用的方法是离线干燥处理。随着滤油技术的发展，处理绝缘受潮变压器还可采用在线滤油方法[13]。如果变压器油没有经过很好的真空处理，可能会在器身中残留一部分H2。

绝缘正常的变压器油中也可能出现H2含量异常，将影响对故障判断的准确性。有学者对氢组分作为特征气体的必要性提出质疑，认为在对变压器故障的分析判断中，H2组分不适宜做特征气体，气相色谱也可不必做氢组分分析[14]。

本文结合典型案例，分析变压器器身中的不锈钢材料及油漆对绝缘油中H2异常的影响，以提高变压器故障判断的准确性。

1 案例分析

某110kV电压等级变压器，型号为SZ9-40000/110，出厂日期为2006年7月，接线组别为YNd11，容量比为40000/40000kVA。2007年11月发现H2含量超注意值，其它组分含量较小，跟踪发现H2存在明显增长趋势，至2013年3月30日，H2含量已达847.7μL/L。为确定该变压器的运行性能，在进行色谱分析的同时，收集了该台变压器的停电试验数据，并开展了带电检测。

1.1 色谱数据分析

从2007年11月以来的色谱数据跟踪结果如图1所示。从图1可以看出，H2含量跟随运行时间稳步增长，并有一定波动。2011年6—8月和2012年7—9月期间负荷较大，但负荷变化前后H2数据并无相似变化趋势，说明H2含量与负荷相关性不明显。

利用三比值法对色谱数据进行分析[15]，得到如图2所示的结果，从图中可以看出，色谱数据三比值特征为局部放电。

1.2 带电检测结果分析

为全面检查该变压器的绝缘健康状态，确定运行状态下是否存在放电及异常过热情况，开展了专业巡视、红外热像检测、紫外成像检测、特高频局部放电、超声波局部放电、铁心接地电流等测试项目。其中特高频局部放电测试结果见图3，带电检测结果均未见明显异常。

图1 H2变化趋势

图2 三比值法分析结果

图3 特高频局部放电典型频谱

1.3 停电试验数据分析

按输变电设备状态检修试验规程的要求，开展停电状态下的例行试验，均未发现异常。

2 相同厂家变压器的比对

从色谱数据分析可知，该变压器存在局部放电。从带电测试和停电试验结果来看，该变压器并不存在局部放电，也未发现任何绝缘缺陷。为查证该变压器是否存在设计、材质和工艺等方面的问题，对同厂家出厂的变压器进行比对分析。

以同一厂家206台110kV电压等级变压器的H2数据为样本，将 H2数据按照0～150μL/L，150～500μL/L，500～1000μL/L 进行分类，可得到H2含量与出厂日期的关系如图4所示。从图中可以看出，H2含量在150～1000μL/L的设备共 5台，均为2005—2009年出厂。初步分析2005—2009年H2超标设备的大量出现应非偶然现象，可能与变压器厂家的设计、材质和工艺等方面存在一定的相关性。

图4 出厂日期与H2含量关系

对上述5台H2含量超过150μL/L的设备利用三比值法进行分析[15]，结果如图5所示。从图中可以看出，上述5台设备的三比值特性与案例变压器三比值分析结果相似。

图5 三比值法分析结果

3 相同厂家变压器共性问题分析

从同一制造厂相同电压等级变压器的对比分析可知，案例变压器与其它H2异常的5台变压器相比，有以下3个共性问题：

（1）6台变压器除油中H2异常外，所有电气试验均未发现异常，运行正常，红外测温、运行巡视皆正常。

（2）6台变压器出厂日期均为7—9月份，油箱的生产时间处于南方的梅雨季节，大气湿度很大。

（3）为避免铁芯柱拉板过热，每台变压器在铁芯柱两侧采用了6块无磁拉板，无磁拉板所有焊接部位均采用不锈钢焊条进行焊接。

由上述变压器H2异常共性原因分析可知，案例变压器内部存在绝缘故障的可能性不大，引起H2异常的原因可能与变压器油箱制作过程中环境湿度过大及不锈钢材料对绝缘油的催化作用有关。

4 油箱制作过程中环境湿度过大与H2异常的机理分析

为防止变压器油箱的金属钢板与绝缘油直接接触，变压器油箱制作过程中会在其内表面喷涂绝缘底漆，常用的材料是H06-2环氧富锌底漆。

烷基硅酸酯、锌粉、颜料及助剂组成双组份防锈底漆，具有优异的防腐性能。与大多数聚氨酯树脂漆一样，配漆和涂装过程中严禁与水、酸、碱、醇等接触。油漆刷涂后，超过涂料技术要求的固化时间，但漆膜仍未干燥的情况称为慢干；漆膜已形成，但过段时间后又出现粘手的现象称回粘。

底漆的干燥时间与环境温度、湿度有关，湿度越大干燥时间越长。底漆未干燥的直接后果是底漆中含水量较大，此时有可能因水分和铁发生化学反应产生H2，或在高电场作用下水分子分解产生H2。

防止慢干或回粘的对策主要有：

（1）待完全干燥后再喷涂。

（2）按比例加固化剂调漆。

（3）使用厂家提供的配套稀释剂。

（4）在正常室温和湿度下喷涂。

（5）分2次或多次施工，延长层与层之间施工时间。

（6）若涂面无法干燥，应将涂层铲去或用布沾丙酮清洗掉后重涂。

5 不锈钢材料对绝缘油的催化作用与H2异常的机理分析

不锈钢焊条的成份以铬（Cr）和镍（Ni）为主，其中镍具有较高的催化活性。

镍在工业上主要作为不饱和烃加氢的催化剂，催化剂本身不移动平衡，只降低活化能的特性，故镍是饱和烃脱氢的良好催化剂。不锈钢的实际催化活性主要取决于以下因素：表面恰好由镍取代构成平面密堆层所占总表面积的大小，表面缺陷产生的台阶和孤立原子中镍原子的多少，以及镍原子团簇在绝缘油中的浓度大小[16]。

催化剂分子或原子的活性很强，在反应体系中催化剂的活性部位完全被反应分子结合，因此反应速率与反应底物浓度（H2）无关，仅取决于体系中催化剂活性中心的数目。反应过程中催化剂几乎无消耗，在底物大大过量的催化反应过程中，反应速率为常数。

不锈钢催化中心浓度具有很大的随机性，与不锈钢的表面状态有很大关系，由于加工以及使用状态的不同，不同的器件之间存在较大的个体差异[17]。因此，相同结构变压器中的H2含量存在较大的随机性。

在其它理化条件不变的情况下，反应速率与催化剂表面原子百分数有很大关系。颗粒越小的原子簇所含有的表面原子也越多，其催化活性也就越强[16]。

金属原子团簇之间有较强的相互结合的趋势，烧蚀或蒸发所产生的金属团簇相互碰撞后发生结合，导致体积迅速增大，表面原子数量迅速下降，直到表面原子失去活性，脱氢反应停止，导致变压器绝缘油中H2的产生速率大幅下降，但H2总量仍然维持着较高的水平。

控制不锈钢催化作用最直接的方法是对不锈钢进行退火处理或在不锈钢表面涂覆密度较大的绝缘材料。

6 结语

色谱分析是间接的变压器健康状态测试方法，可以发现变压器潜伏性绝缘缺陷，但色谱分析中单一H2异常不一定表明变压器存在缺陷，应结合红外、铁芯电流、带电局部放电及例行停电试验等更直接的方法进行综合判断。

存在绝缘故障的变压器，色谱分析结果除H2异常外，还常伴随其它特种气体的明显变化，单一H2异常时存在绝缘故障的可能性不大。

非故障原因引起变压器油中单一H2异常的原因很多，主要是水分的电解、铁的氧化反应和不锈钢的催化反应。非故障原因单一H2异常的特点是前期H2含量增长速度较快，随后增长速度放慢直至平衡。

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