油氣分離的恒溫脫氣系統設計

劉明，邸龍，譚建敏，韓曉堅，林美超（.廣東電網公司肇慶供電局，廣東肇慶56060；.廣東泓量檢測技術有限公司，廣東佛山58000）

油氣分離的恒溫脫氣系統設計

劉明1，邸龍1，譚建敏1，韓曉堅2，林美超2
（1.廣東電網公司肇慶供電局，廣東肇慶526060；2.廣東泓量檢測技術有限公司，廣東佛山528000）

變壓器是電力系統中的重要電氣設備之一，分析變壓器油中溶解性氣體對電力系統的故障發現和安全可靠運行具有重要意義。介紹了油氣分離技術，并設計了油氣分離恒溫裝置。實驗結果表明，恒溫的溶解平衡脫氣方法具有良好的重現性。恒溫裝置的設計使油氣分離模塊溫度穩定，保證了油氣分離的脫氣量和氣體檢測的準確性。

溶解性氣體；油氣分離技術；溶解平衡脫氣；恒溫裝置

0　引言

絕緣油中溶解氣體含量分析是診斷電力油浸式設備早期潛伏性故障的重要方法。通過溶解在油中的氣體含量、氣體間比值和氣體含量變化速率可以評估運行設備的狀態和安全，為設備的維護和保養提供有效的科學依據。

油中溶解氣體分析技術（DGA）能在變壓器不停電的狀態下進行，不影響設備的正常運行和供電，已成為診斷油浸電力變壓器早期故障，監視設備安全運行，有效預防災難性事故的重要方法之一[1-2]。

油氣分離是DGA方法的重要組成部分，本文主要介紹了基于溶解平衡的油氣分離方法，并設計了基于此方法的恒溫裝置，使油氣分離模塊溫度穩定，保證了油氣分離的脫氣量和氣體檢測的準確性。

1　油氣分離技術

目前，油中溶解氣體分析檢測包括離線式檢測和在線式檢測，這兩種方式的前提都是將溶解氣體從變壓器油中分離出來。油氣分離環節直接影響脫氣裝置的脫氣量和光聲池氣體檢測的準確性。

油氣分離技術是指把溶解于絕緣油中的氣體脫離出來的技術，主要通過以下幾種方法進行[3]。

1.1真空脫氣法

真空脫氣法（托普勒泵法）是指通過托普勒泵多次收集脫離的氣體，然后將脫出的氣體與大氣壓平衡的方法。此外，該方法也可通過變徑活塞代替托普勒泵進行操作。氣體組分的脫氣率與裝置的真空度有關，還與反復脫氣的次數有關。真空脫氣是一種全脫氣方法，油中不同組分氣體的脫氣效率在97%左右。真空脫氣方法對低含量組分的分析和電力設備出廠試驗尤為適宜，也利于與色譜儀聯機自動進樣。托普勒泵法能對油進行全脫氣，精確度高，是國際上公認的仲裁方法[4]。

真空脫氣法存在漏氣問題，且使用水銀，具有污染性。

1.2膜脫氣法

2017年大連市全社會研究與試驗發展 （R&D）經費為164.2億元，R&D投入強度為2.23%，萬人發明專利擁有量16件，無論是創新投入總量、投入強度，還是發明專利擁有量，同北京、上海、深圳等城市相比有明顯差距 （見表3）。企業創新意識、創新活力不足，創新主體作用不突出，產學研一體化有待加強，高校與企業、產業融合不夠，重大創新平臺建設不足，政府公共財政科技投入有待于提高。

膜脫氣方法是利用氣體各組分在膜內溶解擴散的差異，達到氣液分離、富集的一種方法[5]。主要是通過固態或液態物質薄膜，在外加壓力的驅動下進行。

該方法基于氣體的擴散原理，采用只能滲透氣體分子而不能滲透油的高分子膜，以此阻擋絕緣油的滲透。絕緣油中溶解氣體通過膜的動力源于膜兩側的氣體壓差。膜兩側的樣氣體積分數（分壓）不同，則擴散速度不同。目前，研究出用于絕緣油中氣體分離的滲透膜主要是高分子聚合物分離膜，如聚四氟乙烯、聚六氟乙烯、聚酰亞胺等[6-7]，還有滲透率很高的高性能玻璃態高聚物分離膜[8]。

但膜脫氣存在脫氣時間長、脫氣效率低、維護成本高等缺點。

1.3溶解平衡脫氣法

溶解平衡脫氣的原理基于道爾頓分壓定律和亨利定律[9-10]。該脫氣方法的操作流程是：在一定溫度下，在密閉容器中加入絕緣油和平衡氣體，經過一段時間后溶解氣體在氣液兩相間達到平衡，然后分析平衡狀態下氣相的濃度，利用溶解平衡原理導出的奧斯特瓦爾德系數計算獲得油中各溶解組分的濃度。在平衡期間可采用振蕩、攪拌等方式縮短達到油氣平衡的時間。該方法的裝置簡單，操作方便，重復性較好；不需要真空設備，因而不像需抽真空的脫氣裝置存在漏氣、回溶等問題。由于該方法是根據溶解平衡原理得出，脫氣后留在試油中的組分濃度可根據溶解系數計算出來，因而不像真空法那樣存在脫氣率問題[4]。

1.4其他脫氣方法

用于絕緣油中溶解氣體的脫氣方法除上述脫氣方法外，還有毛細管法[11]、空氣循環法[12]等。

此兩種油氣分離技術的脫氣原理不同，因而特點不同。毛細管柱法的平衡時間較短，程度簡單，但造價高；空氣循環的平衡時間較短，但復雜程度大，造價較高。

2　基于溶解平衡脫氣的恒溫油氣分離方法

溫度是影響油氣分離和氣體檢測的重要因素，由于油中溶解性氣體監測設備安裝在現場，經常受大氣溫度的影響，監測設備內的溫度不穩定，安裝在監測設備內的脫氣裝置和光聲池溫度也不穩定，因此影響油氣分離的脫氣量和氣體檢測的準確性，最終造成了故障的誤判斷。

本文設計了一種油氣分離恒溫裝置，能達到溫度穩定，且提高故障判斷準確性的目的。

2.1恒溫裝置的設計

恒溫裝置設于油氣分離系統的外殼處，包括溫度傳感器、溫度控制器、加熱裝置和散熱裝置。溫度傳感器的輸出端與溫度控制器的輸入端連接，溫度控制器的輸出端分別與加熱裝置和散熱裝置連接。連接示意圖如圖1所示。

圖1　恒溫裝置的連接示意圖

恒溫裝置通過溫度傳感器將收集到的溫度信號傳送給溫度控制器，溫度控制器對接收地溫度信號進行判斷，當溫度高于預設溫度時，溫度控制器將驅動散熱裝置進行工作；當溫度低于預設溫度時，溫度控制器將停止散熱裝置，并驅動加熱裝置進行工作，實現裝置內溫度的穩定。加熱裝置的設計呈梳齒裝，使加熱的傳熱和散熱的效果更快，如圖2所示。

圖2　油氣分離恒溫裝置示意圖

2.2實驗對比

將一變壓器油樣品（溶解性氣體濃度分別為H220.97μL·L-1，CH413.05μL·L-1，C2H435.78μL· L-1，C2H6301.52μL·L-1，C2H27.68μL·L-1，CO48.88μL·L-1，CO2739.91μL·L-1），在添加安裝恒溫裝置前后，分別平行檢測6次，結果見表1。

檢測結果表明，使用恒溫裝置后被分析氣體濃度相對標準偏差RSD’小于使用前RSD，且均低于5%，表明恒溫裝置的使用增加了油氣分離模塊的穩定性。

表1　安裝恒溫裝置前后的數據RSD對比(n=6)

2.3油氣分離恒溫裝置的應用

油氣分離恒溫裝置對變壓器油在線監測設備具有重要作用。為了減小溫度波動對測量的影響，本文自主研發的激光光聲光譜變壓器油氣在線監測系統采用了恒溫設計，采用的是溶解平衡脫氣法進行脫氣。在脫氣系統中，油中溶解的氣體逐漸分離出來擴散入檢測氣室，直到油氣達到動態平衡。脫氣過程采用恒溫保持油氣分離的溫度穩定。實驗檢測的7種故障特征氣體的含量相對標準偏差均低于5%。

3　結論

準確、快速、高效地檢測變壓器絕緣油中溶解性氣體成分及含量特征是油中溶解氣體檢測的目標。DGA方法為變壓器運行狀態及剩余壽命的評估提供可靠的數據支持，是變壓器狀態監控最重要、最有效的手段之一。

溶解平衡脫氣方法具有脫氣時間短、脫氣效率高、成本低等優點，是在線監測應用中的普遍方法。實驗結果表明，恒溫的溶解平衡脫氣方法具有良好的重現性。恒溫裝置的設計使油氣分離模塊溫度穩定，保證了油氣分離的脫氣量和氣體檢測的準確性。

［1］GB/T 7252-2001.變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則［S］.

［2］岳章華，鐘建靈，江健武.變壓器油中溶解氣體在線監測系統的應用［J］.廣東電力，2000，13（1）：32-34.

［3］徐懿俊.變壓器油中溶解性氣體（DGA）檢測方法的研究［D］.上海：復旦大學，2011.

［4］徐康健，孟玉嬋.變壓器油中溶解氣體的色譜分析實用技術［M］.北京：中國質檢出版社，中國標準出版社，2011.

［5］楊荊林，肖登明，徐欣，等.變壓器在線監測中油氣分離高分子膜的研究［J］.高電壓技術，2003，29（6）：38-40.

［6］賈瑞君.高分子薄膜在變壓器油中溶解氣體在線監測中的應用［J］.變壓器，2001，38（10）：37-40.

［7］楊荊林，肖登明，徐欣，等.變壓器在線監測中油氣分離高分子膜的研究［J］.高電壓技術，2003，29（3）：38-40.

［8］李紅雷，張光福，劉先勇，等.變壓器在線監測用的新型油氣分離膜［J］.清華大學學報，2005，45（10）：1301-1304.

［9］GB/T17623-1998.絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法［S］.

［10］DL/T703-1999.絕緣油中含氣量的氣相色譜測定法［S］.

［11］Ward BH，Lindgren S.A Survey ofDevelopments in In?sulation Monitoring of Power Transformers［A］.Con?ference Record of the 2000 IEEE International Sympo?sium on Electrical Insulation［C］.Anaheim（USA）：2000.141-147.

［12］賈瑞君.關于變壓器油中溶解氣體在線監測的綜述［J］.電網技術，1998，22（5）：49-55.

(編輯：向飛)

The Design of a Thermostat Degassing Device Used in theOiland Gas Separation M odule

LIUMing1，DILong1，TAN Jian-min1，HANXiao-jian2，LINMei-chao2
（1.Zhaoqing Power Supply Bureau，Guangdong PowerGrid Corporation，Zhaoqing526060，China；2.Guangdong Hongliang Detection Technology Co.,Ltd.，Foshan528000，China）

TPower transformer isone of the importantelectrical equipment.The dissolved gasanalysis(DGA)of transformer has important significance for detecting incipient transformer fault.This paper introduces several oil and gas separation technologies in detail，and designs a thermostat device.The experimental results show that the thermostat dissolution equilibrium degassing technology has good reproducibility.The developed thermostatic device canmake the temperature of the oil and gas separationmodule stable，and thus ensure the volumeofseparated gasand theaccuracy of the result.

dissolved gases analysis；oil and gas separation technology；dissolution equilibrium degassing technology；thermostat device

TM41

A

1009－9492(2015)04－0079－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.021

2014－11－24

劉明，男，1979年生，吉林蛟河人，碩士，工程師。研究領域：電力生產技術管理。