基于恒定真空度的電力絕緣油新型取氣技術(shù)研究

朱洪斌，張曉琴，余 翔，王 晨，劉建軍

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 211103）

基于恒定真空度的電力絕緣油新型取氣技術(shù)研究

朱洪斌，張曉琴，余 翔，王 晨，劉建軍

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 211103）

針對(duì)傳統(tǒng)真空取氣方法脫氣率不穩(wěn)的難題，提出了“恒定真空度”取氣方法并研制了新型真空取氣裝置，設(shè)計(jì)氣缸與直線電機(jī)聯(lián)用取代傳統(tǒng)真空泵，為取氣過程提供恒定真空源；在恒定真空度下及時(shí)轉(zhuǎn)移氣體，提高了氣體解析和平衡速度，完全避免了氣體的回溶。該新型取氣裝置對(duì)絕緣油中溶解氣體脫氣率穩(wěn)定，年變化率小于2%，且實(shí)現(xiàn)了清洗、真空、取氣、進(jìn)樣全過程自動(dòng)化，最大限度減小樣品前處理過程中的人為誤差和隨機(jī)誤差，保障了絕緣油中溶解氣體組分含量色譜分析的準(zhǔn)確性。

絕緣油；色譜分析；取氣裝置；脫氣效率；恒定真空

0 引言

DGA（油中溶解氣體分析）是評(píng)估運(yùn)行中變壓器健康狀態(tài)的重要手段[1-3]，對(duì)維護(hù)電力持續(xù)可靠供應(yīng)至關(guān)重要。作為變壓器等充油電氣設(shè)備內(nèi)部缺陷診斷的重要手段，DGA主要包括樣品前處理和色譜儀分析2個(gè)過程。所謂樣品前處理，就是將溶解在油中的氣體取出收集，提供給色譜儀分析，這一過程是DGA分析中最大的誤差來源，直接影響油中氣體含量分析的準(zhǔn)確性，給變壓器運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估帶來困難。

目前，GB/T 17623提供的樣品前處理方法有2種[4]：一種是基于頂空原理的機(jī)械振蕩法，該方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作等優(yōu)點(diǎn)，但存在人工工序多，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的問題；另一種變徑活塞脫氣法屬真空方法，自動(dòng)化程度較高，但脫氣率隨機(jī)變化，分析數(shù)據(jù)的平行性差。為了提高DGA分析的準(zhǔn)確性，在樣品前處理環(huán)節(jié)必須解決人為誤差和隨機(jī)誤差的問題，因此研究全自動(dòng)的、具有穩(wěn)定脫氣率的真空取氣方法是較好的解決途徑。

1 真空取氣方法脫氣率影響因素

對(duì)于傳統(tǒng)真空取氣方法，脫氣率理論計(jì)算公式[5，6]如式（1）所示：

式中：Ei為氣體的理論脫氣率；Ki為氣體i在油中的溶解系數(shù)；Vo為被取氣的油樣體積；Vv為取氣的真空空間體積；i代表H2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，CO，CO2中的某一組分。

理論上影響脫氣率的主要因素如表1所示。除表1中所述，影響真空取氣裝置脫氣率的客觀因素還包括：現(xiàn)今真空技術(shù)無法達(dá)到全真空；受分析時(shí)間限制，取氣次數(shù)不可無限次；氣體析出后收集轉(zhuǎn)移過程存在回溶或殘留現(xiàn)象，氣體收集不完全，等等。

表1 真空取氣方法脫氣率主要影響因素

2 傳統(tǒng)真空取氣方法缺點(diǎn)

傳統(tǒng)真空取氣方法往往一味追求高脫氣率，而忽略了脫氣率不穩(wěn)定的問題，特征氣體脫氣率波動(dòng)大，樣品前處理過程的誤差造成DGA分析誤差較大。

真空取氣裝置定型后，取氣次數(shù)、體積比、平衡狀態(tài)等參數(shù)全部固定下來，唯一不可控的是取氣過程的負(fù)壓條件（真空度），在溫度一定時(shí)，壓力條件決定Ki值的大小，因此該條件是影響真空取氣裝置脫氣率的關(guān)鍵因素。

長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究證明，真空法的脫氣率與真空泵的真空度有直接關(guān)系。傳統(tǒng)真空泵主要采用旋片式，在每次啟動(dòng)后達(dá)到的真空度都不是定值，若連續(xù)使用，真空度的穩(wěn)定性較差，將造成真空取氣裝置的脫氣率隨機(jī)變化。

3 新型真空取氣裝置的研制

針對(duì)傳統(tǒng)真空泵存在的問題，以實(shí)現(xiàn)真空取氣方法穩(wěn)定脫氣為目標(biāo)，研制了新型真空取氣裝置。該裝置采用氣缸和直線電機(jī)組成類似于柱塞泵的結(jié)構(gòu)，替代傳統(tǒng)真空泵為取氣空間提供真空源；氣缸內(nèi)安裝有位置傳感器，實(shí)現(xiàn)油樣體積的準(zhǔn)確定量；在取氣室設(shè)計(jì)有絕壓傳感器、油霧化器，絕壓傳感器可準(zhǔn)確測(cè)量體系壓力，而油霧化器對(duì)油樣進(jìn)行霧化，可大大增加油在真空環(huán)境內(nèi)的表面積，提高氣體解析和平衡速度；此外，該裝置首次采用定量補(bǔ)氣技術(shù)，在油樣脫氣過程中，可對(duì)取氣室定量補(bǔ)入氮?dú)猓疵撚椭袣埓鏆怏w，加快油中氣體的解析。

基于上述原理的全自動(dòng)真空脫氣裝置典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。取氣開始時(shí)，保證取氣室恒溫，溫度通常設(shè)定為50℃；對(duì)系統(tǒng)抽真空，當(dāng)取氣室的真空度調(diào)整到設(shè)定值后，注入定量油樣；油經(jīng)過取氣室的霧化器轉(zhuǎn)移至取氣室內(nèi)；使用另一氣缸和直線電機(jī)組對(duì)解析出的氣體進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并收集保存；開啟定量補(bǔ)氣管補(bǔ)充氮?dú)猓椭袣怏w再次解析，重復(fù)氣體的轉(zhuǎn)移、保存操作，直至取氣完成。在整個(gè)取氣過程中，取氣室的壓力是逐漸下降的，完全避免了氣體的回溶，同時(shí)增加了取氣室的空間；取出的氣體壓縮至六通閥的定量環(huán)保存，六通閥自動(dòng)將定量環(huán)中的氣體注入氣相色譜儀開始分析，實(shí)現(xiàn)DGA分析全過程的自動(dòng)化。

圖1 全自動(dòng)真空脫氣裝置結(jié)構(gòu)原理

4 新型真空取氣裝置脫氣率測(cè)量

恒溫恒壓條件下，對(duì)于裝有油樣的密閉系統(tǒng)，保證氣體在液、氣兩相達(dá)到分配平衡。先制備空白油（不含溶解故障氣體組分，濃度為0），在密閉系統(tǒng)內(nèi)加入一定量的空白油和一定量的標(biāo)準(zhǔn)氣體，氣體在液、氣兩相達(dá)到分配平衡后，計(jì)算氣體在油相中溶解氣體組分的濃度。

表2 新型真空取氣裝置脫氣率 %

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)油樣進(jìn)行真空取氣，應(yīng)用色譜分析，獲得實(shí)測(cè)值Cil，即真空取氣裝置與色譜儀聯(lián)用測(cè)得的氣體i組分在油中的濃度。該真空取氣裝置的脫氣率Ri如式（5）所示。

按照上述步驟，配制已知溶解氣體濃度的標(biāo)準(zhǔn)油，利用新型真空取氣裝置取氣，將取出的氣體用氣相色譜儀分析，根據(jù)公式（5）計(jì)算出7種特征氣體的脫氣率。該試驗(yàn)每隔2個(gè)月進(jìn)行1次，1年測(cè)試7次，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，可以看出，新型真空取氣裝置實(shí)際脫氣率的年變化率小于2%。而傳統(tǒng)真空取氣裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)油樣脫氣率波動(dòng)較大，遠(yuǎn)沒有新型真空脫氣裝置測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，圖2為2種裝置脫氣率標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比。由于該新型取氣裝置脫氣率穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高，目前已在江蘇13地市油氣實(shí)驗(yàn)室推廣應(yīng)用。

圖2 新型真空取氣裝置與傳統(tǒng)裝置脫氣率標(biāo)準(zhǔn)差比較

5 結(jié)語(yǔ)

圍繞一種DGA中真空取氣方法對(duì)脫氣率的影響因素進(jìn)行詳細(xì)討論，分析了傳統(tǒng)真空取氣方法脫氣率不穩(wěn)定的關(guān)鍵原因，研究了“恒定真空度”取氣方法及新型真空取氣裝置。

該裝置優(yōu)選氣缸與直線電機(jī)聯(lián)用，取代傳統(tǒng)真空泵，裝置使用過程中可提供穩(wěn)定的真空源，解決了傳統(tǒng)真空取氣方法脫氣率不穩(wěn)的難題，脫氣率年變化率小于2%；脫氣裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)了自動(dòng)進(jìn)樣模塊，可與色譜分析裝置無縫連接，實(shí)現(xiàn)了色譜分析全過程自動(dòng)化，最大限度減小了人為誤差和隨機(jī)誤差，提高了色譜分析的準(zhǔn)確性，為充油電力設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估提供可靠依據(jù)，推廣應(yīng)用前景廣闊。

[1]王南蘭，邱德潤(rùn).油中溶解氣體分析的變壓器故障診斷新方法[J].高電壓技術(shù)，2006，32（6）∶35-37.

[2]黃獻(xiàn)濤.淺談變壓器運(yùn)行中異常現(xiàn)象的檢修與維護(hù)[J].江蘇電機(jī)工程，2009，28（5）∶14-16.

[3]朱孟周，王靜君.配電變壓器絕緣故障分析[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32∶40-42.

[4]GB/T 17623-1998絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測(cè)定法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[5]文德斌，李凱，江輝.變壓器油溶解氣體分離系統(tǒng)的改進(jìn)[J].中國(guó)電力，2012，45（11）∶70-73.

[6]操敦奎，許維宗，阮國(guó)方.變壓器運(yùn)行維護(hù)與故障分析處理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

（本文編輯：方明霞）

Study of a New Insulating Oil Degassing Technology based on Constant Vacuum

ZHU Hongbin，ZHANG Xiaoqin，YU Xiang，WANG Chen，LIU Jianjun
（Electric Power Research Institute of Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 211103，China）

The traditional vacuum degassing is not stable in efficiency.The paper introduces a degassing method based on"constant vacuum"and develops a new vacuum degassing device.The cylinder is designed to combine with linear motor to replace traditional vacuum pump，providing constant vacuum source for degassing.The gas is transferred in time in constant vacuum to improve gas resolving and balancing speed to completely avoid gas re-tdissolution.The new device is stable in degassing insulation oil and the annual change rate is less than 2%；moreover，it is automatically operated in cleaning，vacuum，degassing and sampling injection，reducing human errors and random errors to the greatest extent during sample process and ensuring accuracy of chromatographic analysis on component content of the dissolved gases in the insulation oil.

insulating oil；chromatographic analysis；degassing device；degassing efficiency；constant vacuum

TM855+.1

B

1007-1881（2015）12-0016-03

2015-10-09

朱洪斌（1966），男，高級(jí)技師，從事電力用油、氣理化分析及用油氣設(shè)備的故障預(yù)警評(píng)估、診斷工作。