變壓器油含氣量測量方法簡概

李瑞環，徐炎斌

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東 江門 529000）

1 變壓器油及含氣量測量概述

變壓器油是指適用于變壓器、電抗器、互感器、套管、油開關等充油電氣設備，起到絕緣、冷卻和滅弧作用的一類絕緣油品。油中的含氣量是指在0℃、101.325kPa 的標準狀況下，油中所有溶解氣體的體積總和與油體積的比值，用體積百分數表示。圖1為變壓器。

圖1 變壓器

含氣量的測量對超高壓設備（500kV 及以上）充油設備有重要的意義，為了減少氣隙放電和延緩油質的劣化[1]，要求油中的含氣量盡量少，其中含氣量試驗運行中的變壓器油質量標準提出含氣量試驗330～500kV 變壓器的小于等于3%；電抗器小于等于5%[2]。

在設備無故障情況下，充油電氣設備含氣量的主要來源是空氣（氮氣和氧氣）以及少量的甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳等氣體。變壓器在安裝時，由于真空注油工藝不良或運行中的變壓器密封不好等都會使其進入空氣。對于一些高壓電氣設備一般要求裝入設備中的油品應有較低的含氣量，以減少氣隙放電和延緩油質劣化。油中的含氣量與電氣設備的密封性能和油的凈化設備的脫氣能力有很大關系。因此按照維護檢修規程要求，每年都要對500kV 及以上充油設備進行一次含氣量分析[2]。

變壓器油中含氣量的標準測量方法可按照絕緣油中含氣量的測定——《絕緣油中含氣量測定方法真空壓差法》（DL/T 423—2009）或《絕緣油中含氣量的氣相色譜測定法》（DL/T 703—2015）進行測定。

2 變壓器油含氣量的氣相色譜分析法

色譜又稱色層析，是一種物理分離技術，它與檢查手段結合在一起就成了色譜分析法，通過一種典型的色譜流出曲線（色譜圖）的方式將不同組分的含量表示出來。氣相色譜法是色譜法中的一個分支[3]。

氣相色譜分析儀的核心部件是色譜柱，柱子（或管子）里面有兩部分物質組成，即固定相和流動相。分離時，把被分離的混合物放置在色譜柱的一端，利用混合物里面不同組分在固定相上的吸附或溶解能力不同，然后用一種在固定相上的吸附力或溶解力比被分離組分里面各物質都要小的流體作為流動相進行沖洗。在流體的帶動下，吸附在固定相上的物質不斷往色譜柱另外一端運動，不同物質的運動的速度不一樣，經過一段距離后不同的物質就會按一定的順序先后流出色譜柱。在變壓器油含氣量分析中，常用的流動相是氬氣、固定相是活性炭、分子篩等。

流出色譜柱后的物質通過檢測器分析后可以得知該物質的含量。在變壓器油含氣量分析中，常用的檢測器是熱導檢測器（TCD）和氫火焰離子化檢測器（FID）。TCD 檢測器主要利用分離后的成分與流動相成分的導熱性能的差異，當樣品進入檢測器后，它帶走熱量的能力與流動相不一樣，這就改變了檢測器內部熱電偶的阻值，通過測量樣品進入檢測器前后的電信號變化量進行定量分析。FID 檢測器主要用于測量有機物，當樣品進入檢測氣后，在火焰（氫氣和空氣燃燒產生的火焰）的作用下形成許多離子對，在火焰的上下部有一對電極，在直流電壓的作用下，利用離子運動所產生的離子流的變化量進行定量分析。在含氣量分析中，樣品會分兩路進入色譜柱，一路通過色譜柱分離后流入TCD 檢測器，主要檢測氫氣、氧氣、氮氣，另外一路進入FID 檢測器，主要檢測烴類氣體、一氧化碳和二氧化碳。

未標定的氣相色譜儀，其TCD 和FID 檢查器只能檢查出某一種物質所產生的電信號的強弱，但不知道該物質是什么也不知道該物質有多少。所以要先對氣相色譜儀進行標定，即是先將一定量的某一物質（比如氧氣）與一定量色譜儀流動相所用的氣體混合，得到已知濃度的該物質的混合氣體，稱為標準氣體。把標準氣體通過氣體色譜儀進行分離和分析，記錄該物質在色譜柱上從進樣到被檢測器檢測出的時間（稱為保留時間），并記錄該物質對檢查器所產生的電信號強度。然后，在同一測試條件下把未知樣品送入色譜儀進行分析，由于相同物質在相同的色譜分析條件下，保留時間是一樣的，且對檢測器產生的電信號強度成線性比例關系。所以保留時間與標準氣體中已知成分的保留時間相同的就是同一種物質，并且可以通過對比檢測器信號的強度換算出未知樣品的濃度，從而實現未知樣品的定性和定量分析。

變壓器油中溶解的氣體，在進行色譜測試之前需要先將溶解在油里面的氣體提取出來，通常利用機械振蕩法進行提取，該方法的理論依據是分配定律和物料平衡原理，即把油樣與洗脫氣體（通常為氣相色譜法中的流動相）放置在一個封閉的系統內，在恒溫、恒壓條件下，通過一定時間的振蕩洗脫與靜止，使油中溶解氣體在氣、液兩相之間達到分配平衡。平衡時，某一成分在氣體中的體積濃度與液體中的體積濃度的比值是一個常數，稱為分配系數。所以只要把氣相中的混合氣體里面某一組分的體積濃度測量出來便可以折算出該成分在液相中的體積濃度。把所有組分在氣液兩相中的體積濃度分別乘以氣液兩相的體積然后求和用百分數標識，便是變壓器油中的含氣量。

由于氣相色譜儀的運作系統比較精密和笨重，所以實際的變壓器油含氣量分析是先到變電站的變壓器等充油設備上取油樣，然后在專用的實驗室進行。由于變壓器油含氣量分析主要是測量其中的空氣含量，所以現場的變壓器油取樣需要用專用注射器按照《電力用油（變壓器油、汽輪機油）取樣方法》（GB/T 7597—2007）中的全密封方法進行，操作相對復雜煩瑣。取樣完畢后，需要常壓下密封防震運輸，盡量要求當天取樣當天測試，避免環境的空氣與樣品接觸時間過長而影響測量結果的準確性。

3 變壓器油含氣量的真空壓差法

測量變壓器油含氣量的另外一個標準方法是真空壓差法，其方法是將被測試變壓器油通過適當的方式進入高真空脫氣室，使試油中的溶解氣體迅速釋放出來，根據試油進入脫氣室前、后釋放氣體產生的壓力差值，結合室溫、試油量、脫氣室容積、脫氣室溫度等參數計算出油中氣體的含量，通過理性狀態方程換算出釋放出的氣體體積，換算到標準狀態下（標準狀況下（101.3kPa、0°C），該氣體體積與注入變壓器油體積的百分比即為變壓油中的含氣量。

真空壓差法的核心部件是高真空度的脫氣單元，通過絕對殘壓≤100Pa 的真空泵為脫氣單元提空足夠的真空度，整個測試過程在55～65℃下進行，脫氣單元能使油中氣體快速釋放，壓力的檢測則是通過一個精度優秀0.5 級量程在0～5kPa 微壓力傳感器進行測量，最后把測量的壓力帶入公式便可以換算出變壓器油的含氣量。

4 兩種變壓器油含氣量測試方法的對比

氣相色譜法所用的儀器體積大且精密程度高，難以實現戶外的現場操作，所用的測試方法常規的操作過程極為復雜，包括取樣、運輸、制樣、脫氣轉移、儀器標定、樣品儀分析六大操作環節，操作流程多，整個測試過程到出試驗結果耗時長，而且每個環節均要防止空氣進入污染樣品，對工作人員的操作要求、技術要求都極為苛刻。

真空壓差法的測量原理簡單，所用儀器工具少，流程少，只要將現場密封取好的油樣注入真空容器，利用設定好的程序計算即可完成測量。但目前市場上未見基于該原理研制開發的成熟的儀器，實際利用真空壓差法測試過程需要人工搭建實驗裝置才能進行完成一次測量，一定程度制約了該方法的實踐應用。真空壓差法測量變壓器油含氣量時無法實現混合氣體的分離，只能測量溶解氣體的總含氣量，沒有辦法實現對混合氣體每一組分的定性和定量分析。

5 結語

真空壓差法或者氣相色譜測定法，同樣適用于變壓器油含氣量的測定。氣相色譜法由于儀器精密體積大，不利于在變壓器運行的環境下現場取樣分析，導致測試流程長，樣品容易受空氣污染而影響準確性，測試過程中該方法對操作人員的技術要求苛刻，從而影響了測試效率。真空壓差法測量變壓器油的含氣量時，其方法原理簡單，分析過程易實現，現場即可采樣測量出結果。通過合理的設計研制，又比較容易實現測試儀器的輕便化生產，而該方法的不足是無法對混合氣體組分進行定性和定量分析。

通常情況下，500kV 及以上的充油設備需要每3 個月對油品進行故障氣體的成分分析，該分析時主要采用氣相色譜法測試氫氣、小分子氣態烴類和碳氧化物的含量，測試過程基本不受空氣污染。所以，如果日常的預防性試驗判斷500kV 及以上充油設備無異常時，首先可以采用真空壓差法進行含氣量測量，以縮短測試流程，減少空氣對測試結果的影響。當測試過程中發現含氣量接近臨界值或超標時，可以再進一步采用色譜法進行復測，這樣有利于降低含氣量測量的難度，大大提高工作效率。