专利名称：倒置式电流互感器绝缘油中气体变化的分析及计算方法
技术领域：
本发明涉及倒置式电流互感器绝缘油中气体产生和变化的研究，具体地说是一种 基于化学原理的倒置式电流互感器绝缘油中氢气与乙炔变化的分析与计算方法。
背景技术：
包括倒置式电流互感器在内的互感器作为按比例变换电压或电流的设备，广泛应 用于电力系统之中。它可以隔离一次侧高电压，保护二次侧仪表和操作人员安全，也能将大 电流变换成小电流，从而扩大仪表的测量范围，提高测量的准确性。而倒置式电流互感器中 需要加入矿物绝缘油，通过浸溃和填充的方式消除设备内绝缘中的气隙，可以起到绝缘、散 热冷却和熄灭电弧的作用。
由于倒置式电流互感器这类充油电气设备内的油、纸绝缘材料在热和电的作用下 会逐渐老化与分解，产生少量的各种低分子烃类、二氧化碳和一氧化碳等气体。因此，我国 于20世纪60年代开始对绝缘油中溶解气体进行分析研究，通过油中溶解气体的类别和含 量来对变压器、倒置式电流互感器等设备进行潜伏性故障的判断。在这些研究的基础上，国 家颁布了 GB/T7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》(以下简称《导则》)对变 压器、倒置式电流互感器的设备的故障诊断进行指导。
20多年来，油中溶解气体分析技术得到广泛的应用，对保证电力系统安全可靠的 运行起到很大作用。但是，随着金属膨胀器在倒置式电流互感器中的应用，近年来出现了倒 置式电流互感器油中氢含量偏高的现象。《导则》中对倒置式电流互感器油中溶解氢的注意 值定为150ppm，但很多设备在投入运行一、两年内就出现了氢气超标，而其他特征气体的含 量均在正常范围内，对设备的绝缘状况进行检查也未发现异常。
这种单氢超标的异常对评判倒置式电流互感器的安全状况造成了困扰。目前很多 研究者关注到了这一现象，他们认为造成这种状况有以下的几种可能原因(1)水分的电 解及与铁的化学反应；(2)烷烃的裂化反应；(3)环已烷的脱氢反应。但是以上的解释大多 是基于客观事实的猜测，缺乏严谨周密的理论分析、依据和实验验证。发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于化学 原理的倒置式电流互感器绝缘油中氢气与乙炔变化的分析与计算，其总结倒置式电流互感 器绝缘油中氢气和乙炔产生的机理和变化规律，对进一步优化倒置式电流互感器的运行 和检修方式提供指导，更好地维护电力系统的稳定运行。
为此，本发明采用如下的技术方案倒置式电流互感器绝缘油中气体变化的分析 及计算方法，其特征在于，它包括以下各部分
a)建立热解反应自由基模型，计算反应速率，反应速率的计算公式如下
k (T)=AX (T/298)mXe_Ea/ET,
公式中，参数A、m、Ea 用 CBS-QB3 法和 MPW1B95/6_311+G(2d，2p)法在 Gaussian 软件程序上进行计算并结合过渡态理论得到，T表示温度，R为气体常数；根据上述建立的模型，并对其进行分析和计算得到I)在1800K以下时，绝缘油无法热解产生氢气；2)在800K以下时，倒置式电流互感器体系中不产生氢气；3)较高的温度有利于氢气和乙烯的产生,较低的温度有利于乙烧的产生，甲烧的含量较稳定，800K以下时没有氢气产生，1800K以下时没有乙炔产生。b)镍催化反应的分析；在倒置式电流互感器体系里，镍存在于金属膨胀器中，含量为8 11%。膨胀器的成分为不锈钢06Crl9NilO，这种奥氏体钢合金，主体为Y铁的面心立方晶格，间隙之间填充中少量的碳原子，Ni和Cr作为改性成分，随机的替换掉晶格中的部分铁原子。由这种构造可知，不锈钢合金中虽然含有镍元素，但是并不存在单纯的Ni金属，即不存在具有催化活性的Ni (1，1，1)晶面。另外，不锈钢表面形成的致密铬氧化膜也会阻碍不锈钢合金和反应物的接触，因此不锈钢合金是不具有催化效果的。c)倒置式电流互感器氢气超标的诊断针对不同情况的反应特征，结合实际检测结果按照如下的标准对氢气超标异常进行诊断I)若倒置式电流互感器中只有氢气超标，则造成异常的原因为倒置式电流互感器体系受潮；2)若倒置式电流互感器中氢气和总烃同时超标1.当烃类特征气体中有甲烷、乙烷、乙烯，且氢气的含量为总烃含量的1/4左右时，造成异常的原因为倒置式电流互感器局部过热；i1.当烃类特征气体中有甲烷、乙烷、乙烯，而氢气的含量明显的大于总烃含量的1/4时，造成异常的原因为倒置式电流互感器体系受潮和局部过热；ii1.当烃类特征气体中只有甲烷，且氢气含量在总烃含量4倍左右时，造成异常的原因为倒置式电流互感器低能电性故障(局部放电);iv.当烃类特征气体中只有甲烷，而氢气含量明显高于总烃含量4倍时，造成异常的原因为倒置式电流互感器体系受潮和低能电性故障(局部放电)；3)若倒置式电流互感器中氢气和乙炔同时超标1.当氢气含量为乙炔以及其他烃类气体含量之和的4倍左右时，造成异常的原因为倒置式电流互感器高能电性故障(火花放电、电弧放电);i1.当氢气含量明显高于乙炔以及其他烃类气体含量之和的4倍时，造成异常的原因为倒置式电流互感器体系受潮和高能电性故障(火花放电、电弧放电)。当判定倒置式电流互感器中有明显的过热故障或电性故障时，应停机检修。若氢气超标异常的原因判定为倒置式电流互感器体系受潮，在近期内于不同的时刻测量3次以上的氢气含量，将氢气含量和时间进行线性拟合，判断受潮的起始日期并预测氢气的增长情况，按实际需要在合适的时候对倒置式电流互感器体系进行干燥除水处理。d)进行放电故障对热解反应的影响效应分析I)放电故障通过高能粒子冲击和伴随的高温热效应绝缘油热解反应发生作用；2)高能粒子冲击加速绝缘油的热解，并使常态下无法进行的产生乙炔的反应得以发生；高温热效应在加速热解反应的同时会改变热解产物中的各物质的组成；
3)击穿放电时倒置式电流互感器中的乙炔，是由初始热解产物甲烷在高能粒子的 冲击下，温度到达1300K左右时反应得到，具体的温度和体系中氢气和甲烷的含量有关；
4)模拟实验中，局部放电的主要热解产物为氢气和甲烷，火花放电和电弧放电主 要热解产物为氢气和乙炔。
本发明从倒置式电流互感器材料的化学组成出发，考察体系中各种物质的化学性 质，考虑所有可能产生氢气的反应，使用最基本的化学热力学、动力学、量子化学、晶体化 学、催化化学等原理，对各反应进行分析、计算，判断各反应发生的可能性以及反应的发生 情况，解释倒置式电流互感器中单氢超标异常产生的原因。通过对绝缘油体系热分解反应 的模拟计算，得到各特征气体在不同温度下的理论比例。收集多台倒置式电流互感器的实 际运行参数和工作情况，建立健康指数评估分析模型，对实际倒置式电流互感器的健康情 况进行评估，为倒置式电流互感器油中溶解气体诊断技术提供理论依据；对进一步优化倒 置式电流互感器的运行和检修方式提供指导，更好地维护电力系统的稳定运行。


图1为本发明中C2H2/C2H4值随温度的变化曲线。
图2为本发明中CH4/H2值随温度的变化曲线。
图3为本发明中C2H4/C2H6值随温度的变化曲线。
具体实施方式
本发明的具体过程如下
(a).热解自由基体系的分解模型及分析
1、自由基反应体系的优化
自由基反应过程分为链引发、链传递和链终止。链引发是自由基反应的起始阶 段，反应物分子获得能量生成自由基；链传递是自由基反应的发展阶段，包括自由基断裂和 自由基的抽提；链终止是自由基反应的结束阶段，两个自由基结合生成分子，链反应结束。
I)链引发反应
正己烷、环己烷、苯的三元体系中，所有的链引发反应如表3. 4所示。
表3. 4正己烷、环己烷、苯的三元体系的链引发反应
权利要求
1.倒置式电流互感器绝缘油中气体变化的分析及计算方法，其特征在于，它包括以下各部分 a)建立热解反应自由基模型，计算反应速率，反应速率的计算公式如下k (T) =AX (T/298)mXe_Ea/ET, 公式中，參数 A、m、Ea 用 CBS-QB3 法和 MPW1B95/6_311+G(2d，2p)法在 Gaussian 软件程序上进行计算并结合过渡态理论得到，T表示温度，R为气体常数； 根据上述建立的模型，并对其进行分析和计算得到 1)在1800K以下时，绝缘油无法热解产生氢气； 2)在800K以下吋，倒置式电流互感器体系中不产生氢气； 3)较高的温度有利于氢气和こ烯的产生，较低的温度有利于こ烧的产生，甲烧的含量较稳定，800K以下时没有氢气产生，1800K以下时没有こ炔产生； b)镍催化反应的分析； c)倒置式电流互感器氢气超标的诊断 针对不同情况的反应特征，结合实际检测结果按照如下的标准对氢气超标异常进行诊断 1)若倒置式电流互感器中只有氢气超标，则造成异常的原因为倒置式电流互感器体系受潮； 2)若倒置式电流互感器中氢气和总烃同时超标1.当烃类特征气体中有甲烷、こ烷、こ烯，且氢气的含量为总烃含量的1/4左右时，造成异常的原因为倒置式电流互感器局部过热； i1.当烃类特征气体中有甲烷、こ烷、こ烯，而氢气的含量明显的大于总烃含量的1/4时，造成异常的原因为倒置式电流互感器体系受潮和局部过热； ii1.当烃类特征气体中只有甲烷，且氢气含量在总烃含量4倍左右时，造成异常的原因为倒置式电流互感器低能电性故障； iv.当烃类特征气体中只有甲烷，而氢气含量明显高于总烃含量4倍时，造成异常的原因为倒置式电流互感器体系受潮和低能电性故障； 3)若倒置式电流互感器中氢气和こ炔同时超标 1.当氢气含量为こ炔以及其他烃类气体含量之和的4倍左右时，造成异常的原因为倒置式电流互感器高能电性故障； i1.当氢气含量明显高于こ炔以及其他烃类气体含量之和的4倍时，造成异常的原因为倒置式电流互感器体系受潮和高能电性故障； d)进行放电故障对热解反应的影响效应分析。
2.根据权利要求1所述的倒置式电流互感器绝缘油中气体变化的分析及计算方法，其特征在于，放电故障对热解反应的影响效应如下 1)放电故障通过高能粒子冲击和伴随的高温热效应绝缘油热解反应发生作用； 2)高能粒子冲击加速绝缘油的热解，并使常态下无法进行的产生こ炔的反应得以发生；高温热效应在加速热解反应的同时会改变热解产物中的各物质的组成； 3)击穿放电时倒置式电流互感器中的こ炔，是由初始热解产物甲烷在高能粒子的冲击下，温度到达1300K左右时反应得到，具体的温度和体系中氢气和甲烷的含量有关；4)模拟实验中，局部放电的主要热解产物为氢气和甲烷，火花放电和电弧放电主要热解产物为氢气和乙炔。
3.根据权利要求1或2所述的倒置式电流互感器绝缘油中气体变化的分析及计算方法，其特征在于，当判定倒置式电流互感器中有明显的过热故障或电性故障时，应停机检修；若氢气超标异常的原因判定为倒置式电流互感器体系受潮，在近期内于不同的时刻测量3次以上的氢气含量，将氢气含量和时间进行线性拟合，判断受潮的起始日期并预测氢气的增长情况，按实际需要在合适的时候对倒置式电流互感器体系进行干燥除水处理。
全文摘要
本发明公开了一种基于化学原理的倒置式电流互感器绝缘油中氢气与乙炔变化的分析与计算方法。目前单氢超标的异常对评判倒置式电流互感器的安全状况造成了困扰。本发明通过建立热解反应自由基模型、镍催化反应的分析、倒置式电流互感器氢气超标的诊断和进行放电故障对热解反应的影响效应分析。本发明总结倒置式电流互感器绝缘油中氢气和乙炔产生的机理和变化规律，对进一步优化倒置式电流互感器的运行和检修方式提供指导，更好地维护电力系统的稳定运行。
文档编号G01N25/00GK103048349SQ20121051300
公开日2013年4月17日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者谷小博, 胡文堂, 刘黎, 周国良, 李晨, 余辉, 罗运柏 申请人:浙江省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司