何文林，孫 翔，陳 斌，金祖龍

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；3.國網(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、價值昂貴和生產(chǎn)周期長等特點。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]。機械穩(wěn)定性和絕緣狀態(tài)是影響電力變壓器安全運行水平的主要因素[2]，電力企業(yè)通過減少變壓器近區(qū)短路的概率、降低變壓器短路電流水平及通過變形測試等技術(shù)手段，使因機械穩(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)備故障的事件時有發(fā)生。健康狀態(tài)良好的絕緣紙是變壓器安全運行的主要保證措施，絕緣紙性能劣化將產(chǎn)生電場集中、局部過熱及絕緣油化學裂解等一系列自然現(xiàn)象[4]。無論電場集中還是局部過熱皆會引起絕緣油化學裂解，通過絕緣油色譜分析可以及時發(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含量異常時有發(fā)生，這給制定檢修策略帶來了一定的困難[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前其油中H2含量就較高，并在投運后逐步增長，一般經(jīng)過1年以后達到最大值，然后逐漸降低。這是因為變壓器制造過程中的殘氣在運行中逐漸釋放于油中，其濃度達到最大值之后，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，然后分別對油桶中的油和變壓器本體按要求進行真空脫氣；另一種是直接在變壓器中對油進行真空脫氣和熱油循環(huán)。2種方法使用時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]。對于因絕緣紙受潮引起H2升高的變壓器，一般應(yīng)進行干燥處理，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]。如果變壓器油沒有經(jīng)過很好的真空處理，可能會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，將影響對故障判斷的準確性。有學者對氫組分作為特征氣體的必要性提出質(zhì)疑，認為在對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絕緣油中H2異常的影響，以提高變壓器故障判斷的準確性。

1 案例分析

某110kV電壓等級變壓器，型號為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存在明顯增長趨勢，至2013年3月30日，H2含量已達847.7μL/L。為確定該變壓器的運行性能，在進行色譜分析的同時，收集了該臺變壓器的停電試驗數(shù)據(jù)，并開展了帶電檢測。

1.1 色譜數(shù)據(jù)分析

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

利用三比值法對色譜數(shù)據(jù)進行分析[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)，確定運行狀態(tài)下是否存在放電及異常過熱情況，開展了專業(yè)巡視、紅外熱像檢測、紫外成像檢測、特高頻局部放電、超聲波局部放電、鐵心接地電流等測試項目。其中特高頻局部放電測試結(jié)果見圖3，帶電檢測結(jié)果均未見明顯異常。

圖1 H2變化趨勢

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 停電試驗數(shù)據(jù)分析

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

2 相同廠家變壓器的比對

從色譜數(shù)據(jù)分析可知，該變壓器存在局部放電。從帶電測試和停電試驗結(jié)果來看，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、材質(zhì)和工藝等方面的問題，對同廠家出廠的變壓器進行比對分析。

以同一廠家206臺110kV電壓等級變壓器的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，均為2005—2009年出廠。初步分析2005—2009年H2超標設(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、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

對上述5臺H2含量超過150μL/L的設(shè)備利用三比值法進行分析[15]，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，上述5臺設(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題分析

從同一制造廠相同電壓等級變壓器的對比分析可知，案例變壓器與其它H2異常的5臺變壓器相比，有以下3個共性問題：

（1）6臺變壓器除油中H2異常外，所有電氣試驗均未發(fā)現(xiàn)異常，運行正常，紅外測溫、運行巡視皆正常。

（2）6臺變壓器出廠日期均為7—9月份，油箱的生產(chǎn)時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熱，每臺變壓器在鐵芯柱兩側(cè)采用了6塊無磁拉板，無磁拉板所有焊接部位均采用不銹鋼焊條進行焊接。

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程中環(huán)境濕度過大及不銹鋼材料對絕緣油的催化作用有關(guān)。

4 油箱制作過程中環(huán)境濕度過大與H2異常的機理分析

為防止變壓器油箱的金屬鋼板與絕緣油直接接觸，變壓器油箱制作過程中會在其內(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，配漆和涂裝過程中嚴禁與水、酸、堿、醇等接觸。油漆刷涂后，超過涂料技術(shù)要求的固化時間，但漆膜仍未干燥的情況稱為慢干；漆膜已形成，但過段時間后又出現(xiàn)粘手的現(xiàn)象稱回粘。

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

防止慢干或回粘的對策主要有：

（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，延長層與層之間施工時間。

（6）若涂面無法干燥，應(yīng)將涂層鏟去或用布沾丙酮清洗掉后重涂。

5 不銹鋼材料對絕緣油的催化作用與H2異常的機理分析

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)生的臺階和孤立原子中鎳原子的多少，以及鎳原子團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，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）無關(guān)，僅取決于體系中催化劑活性中心的數(shù)目。反應(yīng)過程中催化劑幾乎無消耗，在底物大大過量的催化反應(yīng)過程中，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數(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[16]。

金屬原子團簇之間有較強的相互結(jié)合的趨勢，燒蝕或蒸發(fā)所產(chǎn)生的金屬團簇相互碰撞后發(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不銹鋼進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

色譜分析是間接的變壓器健康狀態(tài)測試方法，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等更直接的方法進行綜合判斷。

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異常的特點是前期H2含量增長速度較快，隨后增長速度放慢直至平衡。

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