氢气微水仪(一起未投产变压器故障的机理解析)

Posted 2023-05-30

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氢气微水仪(一起未投产变压器故障的机理解析)

作者团队在本厂35kV变压器生产过程中发现一起未投产变压器油中氢气含量超标的案例。这种常见性故障一般并不严重，但仍然会降低变压器的性能和寿命。特变电工科技投资有限公司的研究人员刘伟、王钟颖、徐浩、孙漪清、赵儆，在2022年第5期《电气技术》上撰文，从变压器生产环节入手，对可能导致产氢的多种因素进行测试，最终确定主要因素是游离水分，并查明水分来源，根据分析结果优化生产工艺，成功排除了故障。

小型油浸式变压器的生产一般包括器身的搭接紧固、油箱组装、注入变压器油、检验出厂等几个步骤。未投产的变压器经常出现变压器油中单氢含量超标的现象，是一种普遍的多发性故障。本文针对我厂一起该类型故障进行机理探索，为优化变压器生产工艺提供依据。

1 故障描述

2021年7月我厂一批35kV变压器在出厂检测中发现，变压器油（克拉玛依炼油厂生产45号变压器油，后文中简称为变压器油）中单氢体积分数由0.68∫L/L增长到22～25∫L/L之间，尽管未超过行业标准DL/T 722—2014中规定的30∫L/L，但仍值得重视。

由于变压器油面与上盖之间有气隙，故从继电器抽取油箱内顶空的气体进行测试，氢气体积分数最高接近100∫L/L，根据奥斯特瓦尔德系数进行计算，油中氢气的分压远大于顶空中的气体分压，说明氢气是从油中产生，且还未达到溶解平衡。不合格变压器油色谱检测结果见表1，检测结果是根据标准GB/T 17623—2017中的方法采用河南中分仪器测得，后续测试全部使用此条件。

表1 不合格变压器油色谱检测结果

2 产氢来源的调查

通过对工艺流程进行排查，发现氢气是在低温（＜70℃、短时间（＜24h）、未通电的情况下产生的，可以排除局部放电、氧化催化裂解、水分电解等因素，因此以变压器组件为对象进行调查。

2.1 器身

经过排油和拆卸，器身外观完整无缺陷，更换油箱和变压器油重新组装后，测试结果正常，因此排除器身的影响。

2.2 变压器油

将80mL变压器油装入如图1所示的密封蓝盖瓶中（100mL，上盖有圆形孔，内部有硅胶密封垫片），在烘箱中加热模拟变压器产氢的实际过程，冷却后测定油中与顶空中的氢气浓度（加热温度为80℃，后续验证实验均为此温度）。变压器油温升试验结果见表2，试验结果显示有微量氢气产生，速度缓慢，可排除变压器油带来的影响。

图1 实验所用的蓝盖瓶与硅胶密封垫

表2 变压器油温升试验结果

2.3 油箱

因油箱的生产工艺较为复杂，因此深入江苏某油箱厂进行实地调研，发现问题如下：

1）油箱生产时间为夏季，气温高，湿度大（大部分时间在90%左右），这导致金属容易生锈。

2）为了避免锈蚀，铁板表面的防锈油没有清洗工艺。

3）油箱测试漏水点时使用含5%亚硝酸钠的水溶液，虽然还原性的亚硝酸钠减缓了铁的生锈过程，但在随后的晾干过程中，仍然无法完全避免生锈。

为了测试是哪些原料导致产氢，选择构成箱体与波纹片的金属片（光滑）、作为箱体内部涂层的油漆和箱体外部喷刷的聚酯涂料作为样品进行测试。其中金属片剪切为1cm2的小块作为基底，部分样品涂抹油漆与聚酯涂料作为对照品。

3 实验与结果分析

对变压器产氢过程的模拟需要综合考虑箱体材料、变压器油和水分、温度等条件，因此把不同样品浸入变压器油中，80℃加热8h后测试油中氢气含量，通过对比测试结果判断导致氢气产生的关键因素。样品编号与处理方案见表3，实验结果见表4（无编号样品为克炼厂45号新油未加热样品，对照样品为加热样品）。根据国家标准GB/T 7252—2001中规定，油色谱对氢气的检出限为2∫L/L，保证氢气检测的准确性。

表3 样品编号及处理方案

表4 产氢模拟实验结果

3.1 防锈油漆

油漆为江苏（南京）长江涂料有限公司生产的丙烯酸/氨基类漆，产品经过SGS青岛实验室根据GB/T 6743—2008方法进行测定，其酸值为7，含有微量的游离氢，但从2、4和6号数据来看，没有引起氢含量的增加。烘干前、后表面油漆状态的对比如图2所示。

图2 烘干前、后表面油漆状态的对比

3.2 聚酯涂料

涂料为湖南丽泽新材料有限公司生产的纯聚酯有机聚合物粉末，在水与变压器油中均不溶解，从3、5和6号数据来看，氢气含量没有增加反而降低。

3.3 水分

从7、8、9号与1、4、6号的数据对比来看，油中含有微水的情况下，氢气的产生量有了3～4倍的提升，而从7号与10号的数据对比来看，氢气的产生速度与油中水的浓度呈正相关，这说明油中的水分是导致油中氢浓度异常的主要原因。

4 故障诊断与工艺优化

通过实验确定了油中含有大量水分是导致变压器产氢的关键因素后，对本例产品中的水分进行溯源，发现水分来自油箱中，具体原因如下：由于油箱生产使用的金属表面防锈油没有去除，导致涂覆的油漆与金属之间附着力较差，在加热工艺处理后引起部分油漆脱落产生裸露的金属表面和微小的缝隙（见图2）。周围潮湿的环境使金属表面吸附和留存了大量的水分，从而导致变压器油中产氢气含量异常。

根据对变压器产氢机理的解析，对变压器生产工艺做出如下调整：

1）通知油箱生产厂家，增加上漆前的除油除锈步骤，增强油漆与油箱的附着力，增加保护力。

2）油箱运至工厂后，应在使用前进行一段时间的真空加热，除去内部附着的水与氢气，使其在注油前保持干燥。

经过工艺优化，变压器油中氢气的体积分数降低到10∫L/L以下，达到出厂标准且满足用户需求。

5 结论

在与多个变压器生产企业沟通的过程中发现，未投运变压器一次性少量产氢是一个长期困扰生产者的顽固性问题，虽然各单位的问题不完全一致，但本文提供了一个解决思路，通过真空加热、热油循环等方式降低变压器含水量是应对产氢故障的有效方法，通过对投运前设备的认真测试，可以提高产品质量，降低产品故障率。

本文编自2022年第5期《电气技术》，论文标题为“一起未投产变压器故障的机理解析”，作者为刘伟、王钟颖等。