恒溫負壓靜態頂空平衡脫氣裝置研究

楊 超，劉章進

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

隨著國民經濟的快速發展，對電力的需求也越來越大，電力變壓器做為電力系統的重要組成部分，其運行狀態對整個系統的安全性起著至關重要的作用。變壓器油中溶解氣體分析（DGA）在線監測技術能在變壓器運行狀態下連續的分析檢測變壓器油中氣體的濃度，能有效監測變壓器的運行狀態。變壓器油中溶解氣體分析（DGA）在線監測裝置由油氣分離單元和檢測單元組成，一種簡便高效的油氣分離裝置對后續的檢測至關重要。

1 現有的脫氣方法介紹

在變壓器油中溶解氣體在線檢測過程中，油氣分離是重要的一環。據研究表明油氣分離的重復性和準確性是決定測量結果的最主要的因素，變壓器油中溶解氣體在線監測系統對油氣分離單元的要求是，能自動分離出油中溶解的多種氣體（H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2），分離時間短，一般要求小于2 h，還要求不對油樣產生污染（水分、雜質、空氣），以便油氣分離后的油樣能回到變壓器本體。

目前油氣分離方法可分為高分子聚合物（透氣膜）分離法、真空泵法、頂空法等幾大類。下面就對幾種常用的變壓器在線監測系統所使用的油氣分離方法一一闡述。

1.1 膜脫氣法

因為要長期接觸運行中的變壓器油，使用的高分子薄膜要求有一定的機械強度，還必須具有耐油、耐高溫的特性。能滿足這些要求的材料有聚四氟乙烯（PIFE）、聚酰亞胺（PI）、全氟丙基全氟乙烯基醚（PFA）、聚芳雜環膜等材料，不同的材料有不同的滲透系數和分離系數。

根據亨利定律，當氣體滲透達到一定時間后，達到氣液兩相平衡狀態。膜脫氣法與其他脫氣方法相比成本較低，不對樣品油產生污染和消耗，但是脫氣效率低，油氣平衡時間較長，膜使用壽命較短。油中溶解的故障特征氣體濃度Coi與滲透膜氣室一側的氣體濃度Cgi之間遵循如式（1）[4]的關系：

式（1）中Ki表示組分i的平衡常數,Coi為組分i的油中氣體濃度，Cgi為組分i的氣相中氣體濃度，Cogi為氣室氣體背景濃度，Bi為膜滲透率，A為油膜接觸面積，V為氣室體積，H為膜厚，t為平衡時間。

式（1）表明氣室中氣體濃度隨滲透時間的延長而不斷增加，當時間足夠長后，達到平衡飽和狀態，可以簡化為式（2）：

1.2 中空纖維脫氣法

中空纖維脫氣法同樣也是高分子聚合物分離方法的一種，是膜脫氣法的改良版。它是由幾千根中空纖維組成，每一根中空纖維都由高分子薄膜制成。

相比透氣膜來說，中空纖維油氣表面積大了成百上千倍，從而油氣平衡時間也大大縮短，能達到3 h以內。這種方法的優點在于油氣分離時不需要載氣，不會污染油樣，因而可以實現油的回收利用，但該方法必須保證變壓器油連續、不斷地流過中空纖維內腔或外腔，必須采用外加油泵配合使用，并且也存在因變壓器油中雜質堵塞中空纖維的問題。

1.3 真空泵脫氣法

利用真空泵抽真空，將油中溶解氣體抽出來，分離后的油樣仍然回到變壓器中。使用真空泵抽真空的油氣分離方法，需要考慮真空泵的磨損情況。隨著使用的時間增長，真空泵的真空度降低，以至油的脫氣效率降低，造成測試結果偏低。真空泵脫氣法，結構復雜，可靠性不佳，維護成本高。

1.4 動態頂空脫氣法[1]

動態頂空脫氣法是用流動的氣體將油樣中的溶解氣體“吹掃”出來，進行連續的氣相萃取，即多次吹掃，直到將油樣中溶解氣體組分完全萃取出來，然后通過一個吸附裝置（捕集器）將樣品濃縮，在一定的吹掃時間之后，待測組分全部或定量地進入捕集器，關閉吹掃氣，由切換閥將捕集器接入檢測器的載氣氣路，同時加熱捕集管使捕集的樣品組分解吸后隨著載氣進入檢測器進行分析。該方法的優點是脫氣時間快，一般能在45 min內完成。但采用該方法的油樣分析完后不能回收，結構相對復雜，維護成本高。

1.5 靜態頂空平衡法

采樣瓶油中溶解氣體在自由擴散的作用下，通過油與頂部氣體的接觸面進入頂部氣室，逐漸趨于平衡，析出的氣體經過檢測裝置后返回采樣瓶的油樣中。在這個過程中，間隔測量氣樣的濃度，當前后測量的值一致時，認為脫氣完畢。這種方法不僅脫氣速度快，由于脫氣過程中不需使用載氣等吹掃氣體，不會對油樣造成污染，可以對油樣回收利用。這種方法的缺點在于，因為沒有使用載氣，脫氣量少，平衡時間相對較長，采樣瓶要預留部分空間便于油中氣體析出，空間內殘留的空氣會影響測量結果。幾種油氣分離方法綜合比較見表1。

2 負壓恒溫靜態頂空平衡脫氣法

負壓恒溫靜態頂空法脫氣原理是通過一定的方法（負壓、攪拌、恒溫）使得油中溶解氣體在氣液兩相快速達到分配平衡，計算氣相中各組分的濃度，并根據氣液平衡原理導出的奧斯特瓦爾德（Ostwald）系數計算出油中溶解氣體各組分的濃度。奧斯特瓦爾德系數定義為[3]：

表1 幾種油氣分離方法綜合比較

式（3）中Coi和Cgi是平衡條件下分布在液相和氣相中組分i的濃度；Ki表示組分i的奧斯特瓦爾德系數。

對變壓器油中溶解氣體在線檢測裝置來說，氣、液兩相濃度比達到平衡時分離出的氣體的濃度越高越好。同時平衡時間越短越好，可以縮短儀器檢測間隔，更有效的監測變壓器內部故障發展情況。所以變壓器油脫氣裝置的脫氣率和平衡時間最為重要。

脫氣率定義為：

式（4）中Ugi和Uoi分別為脫出氣體中i組分在氣相中濃度和液相中的濃度。

2.1 脫氣原理

為了研究頂空脫氣技術脫氣效率的影響因素，需要建立模型，如圖1所示，在一個密閉的容器中，下部為待脫氣變壓器油，上部為氣室，油中溶解的氣體在自由擴散和攪拌等擾動的作用下，通過油與頂部氣體的接觸面進入頂部氣室，漸漸達到平衡。

圖1 頂空脫氣模型

如果不加攪拌，溶解在油中的氣體逸出到頂空的過程主要是依靠分子熱運動的自由擴散，根據菲科定律氣體分子逸出的速度與油面和頂空界面兩側的濃度差成正比（氣體分子從油中到氣中的自由擴散過程比較緩慢），逸散出來的阻力在于油對于氣體分子的吸附作用。由上述可知，界面處氣體分子的傳遞速率方程即氣室氣體分子物質的量的變化率方程為[1]：

式（5）中ngi為氣體組分i的物質的量；和分別代表t時刻油液中氣體組分i的濃度和氣相氣體組分i的濃度，kmol/m3；Ki為奧斯特瓦爾德系數；Di表示氣體組分i由界面逸出到氣室的擴散系數，它是溫度、壓力、界面面積的函數，在引入攪拌等擾動時，需要引入修正。

在油樣體積固定，則氣體組分i的總的物質的量守恒，即：

式（6）中V0和Vg分別代表油樣和氣室的體積；聯立式（5）、（6），并考慮初始條件 t=0，ng=0，可以得到氣室內氣體組分i的物質的量隨時間的變化關系：

由式（7）可以得到，當t→∞時，氣室內氣體組分i的平衡濃度：

該結果與實際結果一致，說明模型與實際情況在一定程度上吻合。

圖2 脫氣模型

理想情況下的頂空脫氣模型如圖2所示。隨著脫氣時間的增加，氣室內某組分氣體的濃度不斷升高，直至趨于一個穩定的值，增長率隨著脫氣時間的推移逐漸降低（當然裝置和參數不同，得到的曲線也會不同，但是整體趨勢應該是與理論模型保持一致的）。一般氣室濃度為理論平衡濃度的90%即可視為氣液兩相已經達到平衡，假設定義時的時間為平衡時間τ，即：

從式（8）、（9）可以很明顯地看出，平衡濃度只與油樣中某組分氣體的原有濃度以及氣室和油樣的體積比有關系，適當減小Vg/Vo，可以提高平衡時刻氣相濃度，獲得較高的脫氣率；脫氣裝置的具體結構（氣室體積和油樣體積）決定了平衡所需的時間，氣室體積和油樣體積越小，達到平衡所需的時間也就越短。因此，在滿足氣體檢測儀所需氣樣體積的前提下，應盡量減小脫氣瓶的尺寸，選擇合適氣室和油樣的體積比，這樣就可以得到相對較高的脫氣效率（高的脫氣率和短的平衡時間）。

2.2 脫氣模型搭建

本裝置是通過加熱恒溫、抽負壓、攪拌的手段，使變壓器油中溶解的氣體快速達到氣液兩相分配平衡，通過分析氣相中各組分的含量，再根據脫氣裝置壓力、各組分的奧斯特瓦爾德系數來計算出油中溶解氣體各組分的含量，計算公式如下[3]。

式中Xi表示油中溶解氣體組分濃度，μL/L；Cos表示標準氣中組分濃度，μL/L；Ai表示樣品氣中組分的峰面積，mV·s； Ais表示標準氣中組分的峰面積，mV·s；Ki表示50℃時國產礦物絕緣油分配系數；表示50℃、試驗壓力下平衡氣體體積，mL；表示50℃油樣體積，mL；P實驗時大氣壓力，kPa。

圖3是脫氣裝置的示意圖，圖3（a）為脫氣裝置初始狀態，圖3（b）為脫氣裝置脫氣時的狀態。本裝置的一個目的是提供一種不使用吹掃氣而將液體樣品中的氣體脫出的裝置和方法，以克服現有技術中由于使用吹掃氣而造成變壓器油樣品污染的缺陷。

圖3 負壓恒溫靜態頂空平衡脫氣模型

本裝置包括：電磁閥，對變壓器樣品和氣體樣品進行控制；液體泵，帶動變壓器樣品流動；脫氣室，盛裝變壓器油樣品；電磁攪拌，加速變壓器油樣品中氣體逸出；注射泵，將脫氣室中變壓器油樣品抽出一部分為變壓器油樣品中氣體逸出提供空間；收集室，將脫氣室中樣品中脫出的氣體收集；控制部分，由預先收錄進單片機的程序控制電磁閥、液體泵、注射泵、電磁攪拌器、加熱裝置；整個脫氣室工作溫度控制在50℃。該裝置的工作流程如下：

（1）電磁閥1和電磁閥2打開，電磁閥3和電磁閥4關閉。液體泵工作，使變壓器油樣品充滿整個脫氣室，脫氣室容積為400 mL。

（2）液體泵停止工作，電磁閥1、電磁閥2和電磁閥3關閉，電磁閥4打開。注射泵工作抽取30 mL液體樣品，使脫氣室內形成30 mL的空間，便于變壓器油樣品中的氣體逸出。

（3）電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3和電磁閥4全部關閉。電磁攪拌開始工作，加速氣體逸出。

（4）電磁閥1、電磁閥2關閉，電磁閥3、電磁閥4打開。電磁攪拌停止工作，注射泵工作，將30 mL變壓器油樣品注入脫氣室將脫出的氣體排進收集室。

（5）電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3和電磁閥4全部關閉，整個脫氣全部完成。

3 脫氣效果檢測

3.1 平衡時間檢測

為了檢驗脫氣效率和本裝置的脫氣效果，需要搭建實驗平臺。實驗平臺由以下3個部分組成：①變壓器模擬油箱，內帶放電電極，可以產生各種特征氣體；②油氣分離裝置；③基于可調諧激光吸收光譜（TDLAS）技術[2]的檢測系統。

圖4 變壓器油中氣體濃度與脫氣時間的關系

首先將新疆克拉瑪依-10℃變壓器油充入變壓器模擬油箱，通電使油分解產生特征氣體。將電解后的油樣充入脫氣室，溫度50℃，脫氣壓力為20 kPa的條件下測定7種氣體組分的平衡時間。圖4（a）和圖 4（b）分別是 CH4和 CO2不同脫氣時間油中濃度測試值。通過搭建的試驗平臺，測出變壓器油中的7種氣體組分的平衡時間，見表2。

表2 變壓器油中7種氣體在上述條件下的平衡時間

平衡時間最短的是H2，約10 min；最長的是CO，約30 min，與動態頂空脫氣法相比平衡時間縮短了15 min，比真空泵脫氣法時間略長，但其結構簡單可靠性高。

3.2 油氣分離后油樣檢測

根據GB/T 14542-2017《變壓器油維護管理導則》要求規定，電壓等級為500 kV的運行中變壓器油，水分要求≤15 μL/L，擊穿電壓要求≥55 kV，含氣量要求≤3%。現有的變壓器油溶解氣體在線監測系統中的油氣分離裝置都不能滿足上述要求，為了驗證通過此裝置的變壓器油能滿足規程要求，我們做了如下試驗。

從變壓器模擬油箱分別取3組試油，第一組未經過油氣分離裝置，第二組通過恒溫負壓靜態頂空平衡脫氣裝置，第三組通過有吹掃氣的動態頂空脫氣裝置，吹掃氣使用純度99.999%的高純N2，分別做水分、擊穿電壓、含氣量試驗，試驗結果如表3所示。

表3 油氣分離后油樣檢測結果

從表3中數據可知，經過恒溫負壓靜態頂空平衡脫氣裝置的變壓器油水分、擊穿電壓、含氣量數據有明顯的改善，而第三組油樣的數據有明顯的惡化，因為使用到吹掃氣變壓器油中的含氣量數據明顯增大。通過表3數據分析表明，使用恒溫負壓靜態頂空平衡脫氣裝置能明顯改善變壓器油的水分、擊穿電壓、含氣量，能放心將檢測后的變壓器油注入變壓器本體，此裝置優于目前市場上現有的同類產品。

4 結語

實驗和理論分析證明，恒溫負壓靜態頂空平衡脫氣裝置能滿足變壓器油在線監測裝置的要求，并且優于目前市場上現有的同類產品。優點一：本裝置使用負壓脫氣，便于油中氣體析出，大大縮短了脫氣時間；優點二：與真空脫氣和傳統的動態頂空脫氣法相比，結構簡單，可靠性高；優點三：不使用吹掃氣，以克服現有技術中由于使用吹掃氣而造成變壓器油樣品污染的缺陷，檢測后的油樣可以直接送回變壓器本體。