變壓器油氣分離及數據通信技術研究

榮偉 劉慶寶 王鵬

【摘 要】油氣分離硬件單元是系統中后續處理工作的前提保障，選取合適的取油樣位置可提高監測系統數據的可靠性，而選擇合適的油氣分離方式可以保證整個檢測過程中數據的準確性。監測系統的數據通信關系到采集分析數據的準確上傳以及邏輯分析，對系統故障預測及故障判斷有著至關重要的作用，通訊系統傳輸的實時性與準確性是整個監測系統對變壓器故障判斷和分析的保障。

【關鍵詞】變壓器；油氣分離；數據通信技術；研究

一、項目背景和現狀

對于變壓器色譜在線監測系統中的油氣分離技術所采用的分離方法主要有抽真空取氣法、毛細管取氣法、薄膜取氣法三大類。加拿大變壓器色譜裝置在我國尚無范圍性應用先例，效果有待于進一步驗證。，薄膜取氣法是國內外應用最廣泛、最簡單有效的油氣分離方法，在世界性研究范圍內得到了廣泛應用。

在線監測系統的通信系統目前多采用由一個主機、多個終端機組成的主從式控制系統完成信息通信功能，將主機控制屏放在變電站主控室，終端機放在現場變壓器旁與主機完成信息通信。通訊方式目前多采用232通訊、RS422通訊以及RS485通訊技術。

二、研究內容

1.研究內容

從理論上研究了氣體取樣方式和目前主要的油氣分離膜的分離特性。研究取油樣的合適位置來給檢測試驗提供充分保證。研究了氣體分離后系統對濃度參量的要求、系統通信功能的建立方式，還研究了檢測系統所需采用的系統控制方式。

2.系統組成

（1）高分子膜油氣分離技術

薄膜取氣法是目前應用最廣泛、最簡單有效的油氣分離方法。

（2）高分子膜油氣分離原理

高分子膜的滲透機理是按溶解？滲透過程進行的。把裝有高分子膜的氣室安裝在一個盛有絕緣油的封閉容器中，則油中的氣體分子就會撞擊膜的表面并且融到膜的分子骨架中，其溶解的速度與標氣的濃度成正比，已經溶解在高分子膜中標氣也會向膜兩側的氣、液兩相擴散。

（3）分離滲透性能改進與試驗

對分離滲透的性能通過實驗來進行測試，實驗裝置為一個高3m 容積50升的不銹鋼容器，內裝絕緣油，在其側面有一個10ml的氣室，氣室與容器接合處的直徑為24mm，透氣膜被固定在這里。盛油容器配有可控加熱器和攪拌器，通過將未分解油和已分解油按一定比例混合來控制油中氣體濃度。選擇聚酰亞胺膜、PFA膜、常規聚四氟乙烯膜、多孔聚四氟乙烯膜來進行實驗，所有實驗均是在油溫60攝氏度條件下完成。

通過實驗對數據進行統計分析后可以看出，聚酰亞胺膜的滲透有選擇性，僅對H2有較好的滲透性能，飽和時間為40小時，比較適用于H2 型在線監測系統。PFA膜、常規聚四氟乙烯膜、多孔聚四氟乙烯膜均能滲透H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六種氣體，PFA膜和常規聚四氟乙烯膜對全部六種氣體的滲透飽和時間分別為80小時和100小時，而多孔聚四氟乙烯膜只需24小時就可達到滲透飽和。聚四氟乙烯膜上加了微孔后，滲透速度有很大改善，明顯優于其它的透氣膜，可用于所設計的在線監測，實現一天時間內完成油氣分離。

（4）微孔對聚四氟乙烯膜強度和滲透性能的影響

一般來說，高聚物材料的破壞無非是高分子主鏈上化學鍵的斷裂或是高分子鏈間相互作用力的破壞。因此，從構成高分子鏈化學鍵的強度和高分子鏈間相互作用力的強度可以估算高聚物材料的理論強度，其中一個經驗公式是σ=0.1E，這里σ是斷裂強度，E是楊化模量。在實驗中也確實發現，微孔孔徑越大，膜強度越低，但當孔徑小于10nm時，多孔聚四氟乙烯膜的強度與常規聚四氟乙烯膜基本相同。另一方面，孔徑的大小影響了薄膜對氣體的滲透性能，孔徑越大，氣體的滲透速度越快。通過對最不容易滲透的C2H6的實驗，我們得出如圖所示孔徑與滲透時間的關系，橫坐標表示孔徑大小，縱坐標是滲透飽和時間。在一定范圍內，滲透時間隨孔徑增大而減少，而超過此范圍就趨于飽和。綜合考慮了機械強度和滲透速度之后，取孔徑為8-10nm，這樣既保留了聚四氟乙烯膜原有的強度，又充分提高了透氣速度。膜的厚度同樣影響滲透能力和強度，本文對所用的0.18mm厚度的膜，做了綜合耐壓試驗，采用3m高的油壓，油溫維持在80攝氏度，網狀補強板的網孔直徑取為1mm，耐壓3個月后，透氣膜無破損和漏油現象，說明膜的強度符合要求。

（5）油氣分離測量范圍的確定

在對油氣分離硬件單元設計時需設定油中各種氣體的最小檢測精度和注意值，其中氣體平衡常數K及相應檢測值設定如下表所示。

（6）數據遠程通訊傳輸設計

由于主機和終端機之間距離較遠，為保證通信可靠性，采用RS422串行通信方式。此種通訊方式易于擴展，方便增減終端。

（7）主機控制功能的實現

主機控制屏包括主控上位機和中央控制器，中央控制器以DSP為CPU，主要功能就是定時開機，即每隔設定時間自動開啟終端轉換檢測裝置啟動檢測，檢測完畢自動關閉電源，整個過程不需要人工干預，系統可以在無人值守情況下長年運行。系統在非檢測狀態時，只有中央控制器工作在計時狀態，控制屏上位機進行歷時數據顯示、查詢等功能。終端機和主機均不帶電，這樣平時傳感器、六通閥電機、終端電路均不帶電，最大限度延長終端機使用壽命。主控上位機的功能包括人機交互界面、數據接收及處理、絕緣診斷及結果顯示、故障報警、數據存儲、數據查詢、報表打印等。

三、關鍵技術及創新點

（1）對多種分離膜的透氣速度及滲透特性進行了試驗比較，對各類滲透特性做出統計分析，選出透氣性能和滲透時間兼顧的滲透膜；

（2）研究薄膜微孔滲透方式，微孔可提高膜的滲透能力，在理論分析的基礎上，針對孔徑對滲透能力和膜強度的影響也進行了實驗研究。并對薄膜孔徑進行研究，確定最佳孔徑，可以同時滿足滲透時間和強度的要求；

（3）研究用于在線監測系統的邏輯控制系統，包括主機控制屏和多個現場終端機，使邏輯控制功能滿足檢測系統要求；

（4）研究設計后臺數據庫，對于每個周期的采樣數據進行保存分析，作為歷史記錄可被查詢調用，并與專家診斷系統互聯，共享數據。

四、應用成果

該技術在電力管理總公司220kV新孤變試運行。實現了預期的技術指標：（1）進行油氣分離檢測時檢測精度下限達到1uL/L（1ppm）；（2）數據庫故障診斷覆蓋率>90%；（3）數據庫專家系統故障預測正確率>85%。

五、結論

該技術在電力管理總公司220kV新孤變試運行，通過對現場設備試驗安裝后，可完成油氣中基本氣體的色譜在線分析，并可將分析所得數據進行上傳保存，邏輯控制回路運行效果良好，整個系統運行平穩，適合在電力管理總公司內部全面推廣

【參考文獻】

[1]趙笑笑等.變壓器油中溶解氣體的在線監測技術評述[J].電力系統保護與控制，2009（23）：187-191