基于恒定真空度的电力绝缘油新型取气技术研究

朱洪斌，张晓琴，余 翔，王 晨，刘建军

（江苏省电力公司电力科学研究院，南京 211103）

基于恒定真空度的电力绝缘油新型取气技术研究

朱洪斌，张晓琴，余 翔，王 晨，刘建军

（江苏省电力公司电力科学研究院，南京 211103）

针对传统真空取气方法脱气率不稳的难题，提出了“恒定真空度”取气方法并研制了新型真空取气装置，设计气缸与直线电机联用取代传统真空泵，为取气过程提供恒定真空源；在恒定真空度下及时转移气体，提高了气体解析和平衡速度，完全避免了气体的回溶。该新型取气装置对绝缘油中溶解气体脱气率稳定，年变化率小于2%，且实现了清洗、真空、取气、进样全过程自动化，最大限度减小样品前处理过程中的人为误差和随机误差，保障了绝缘油中溶解气体组分含量色谱分析的准确性。

绝缘油；色谱分析；取气装置；脱气效率；恒定真空

0 引言

DGA（油中溶解气体分析）是评估运行中变压器健康状态的重要手段[1-3]，对维护电力持续可靠供应至关重要。作为变压器等充油电气设备内部缺陷诊断的重要手段，DGA主要包括样品前处理和色谱仪分析2个过程。所谓样品前处理，就是将溶解在油中的气体取出收集，提供给色谱仪分析，这一过程是DGA分析中最大的误差来源，直接影响油中气体含量分析的准确性，给变压器运行状态的准确评估带来困难。

目前，GB/T 17623提供的样品前处理方法有2种[4]：一种是基于顶空原理的机械振荡法，该方法具有设备简单、易操作等优点，但存在人工工序多，无法实现自动化的问题；另一种变径活塞脱气法属真空方法，自动化程度较高，但脱气率随机变化，分析数据的平行性差。为了提高DGA分析的准确性，在样品前处理环节必须解决人为误差和随机误差的问题，因此研究全自动的、具有稳定脱气率的真空取气方法是较好的解决途径。

1 真空取气方法脱气率影响因素

对于传统真空取气方法，脱气率理论计算公式[5，6]如式（1）所示：

式中：Ei为气体的理论脱气率；Ki为气体i在油中的溶解系数；Vo为被取气的油样体积；Vv为取气的真空空间体积；i代表H2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，CO，CO2中的某一组分。

理论上影响脱气率的主要因素如表1所示。除表1中所述，影响真空取气装置脱气率的客观因素还包括：现今真空技术无法达到全真空；受分析时间限制，取气次数不可无限次；气体析出后收集转移过程存在回溶或残留现象，气体收集不完全，等等。

表1 真空取气方法脱气率主要影响因素

2 传统真空取气方法缺点

传统真空取气方法往往一味追求高脱气率，而忽略了脱气率不稳定的问题，特征气体脱气率波动大，样品前处理过程的误差造成DGA分析误差较大。

真空取气装置定型后，取气次数、体积比、平衡状态等参数全部固定下来，唯一不可控的是取气过程的负压条件（真空度），在温度一定时，压力条件决定Ki值的大小，因此该条件是影响真空取气装置脱气率的关键因素。

长期的试验研究证明，真空法的脱气率与真空泵的真空度有直接关系。传统真空泵主要采用旋片式，在每次启动后达到的真空度都不是定值，若连续使用，真空度的稳定性较差，将造成真空取气装置的脱气率随机变化。

3 新型真空取气装置的研制

针对传统真空泵存在的问题，以实现真空取气方法稳定脱气为目标，研制了新型真空取气装置。该装置采用气缸和直线电机组成类似于柱塞泵的结构，替代传统真空泵为取气空间提供真空源；气缸内安装有位置传感器，实现油样体积的准确定量；在取气室设计有绝压传感器、油雾化器，绝压传感器可准确测量体系压力，而油雾化器对油样进行雾化，可大大增加油在真空环境内的表面积，提高气体解析和平衡速度；此外，该装置首次采用定量补气技术，在油样脱气过程中，可对取气室定量补入氮气，洗脱油中残存气体，加快油中气体的解析。

基于上述原理的全自动真空脱气装置典型结构如图1所示。取气开始时，保证取气室恒温，温度通常设定为50℃；对系统抽真空，当取气室的真空度调整到设定值后，注入定量油样；油经过取气室的雾化器转移至取气室内；使用另一气缸和直线电机组对解析出的气体进行转移，并收集保存；开启定量补气管补充氮气，油中气体再次解析，重复气体的转移、保存操作，直至取气完成。在整个取气过程中，取气室的压力是逐渐下降的，完全避免了气体的回溶，同时增加了取气室的空间；取出的气体压缩至六通阀的定量环保存，六通阀自动将定量环中的气体注入气相色谱仪开始分析，实现DGA分析全过程的自动化。

图1 全自动真空脱气装置结构原理

4 新型真空取气装置脱气率测量

恒温恒压条件下，对于装有油样的密闭系统，保证气体在液、气两相达到分配平衡。先制备空白油（不含溶解故障气体组分，浓度为0），在密闭系统内加入一定量的空白油和一定量的标准气体，气体在液、气两相达到分配平衡后，计算气体在油相中溶解气体组分的浓度。

表2 新型真空取气装置脱气率 %

对标准油样进行真空取气，应用色谱分析，获得实测值Cil，即真空取气装置与色谱仪联用测得的气体i组分在油中的浓度。该真空取气装置的脱气率Ri如式（5）所示。

按照上述步骤，配制已知溶解气体浓度的标准油，利用新型真空取气装置取气，将取出的气体用气相色谱仪分析，根据公式（5）计算出7种特征气体的脱气率。该试验每隔2个月进行1次，1年测试7次，测试数据如表2所示，可以看出，新型真空取气装置实际脱气率的年变化率小于2%。而传统真空取气装置对标准油样脱气率波动较大，远没有新型真空脱气装置测量结果稳定，图2为2种装置脱气率标准差对比。由于该新型取气装置脱气率稳定、自动化程度高，目前已在江苏13地市油气实验室推广应用。

图2 新型真空取气装置与传统装置脱气率标准差比较

5 结语

围绕一种DGA中真空取气方法对脱气率的影响因素进行详细讨论，分析了传统真空取气方法脱气率不稳定的关键原因，研究了“恒定真空度”取气方法及新型真空取气装置。

该装置优选气缸与直线电机联用，取代传统真空泵，装置使用过程中可提供稳定的真空源，解决了传统真空取气方法脱气率不稳的难题，脱气率年变化率小于2%；脱气装置创新设计了自动进样模块，可与色谱分析装置无缝连接，实现了色谱分析全过程自动化，最大限度减小了人为误差和随机误差，提高了色谱分析的准确性，为充油电力设备的状态评估提供可靠依据，推广应用前景广阔。

[1]王南兰，邱德润.油中溶解气体分析的变压器故障诊断新方法[J].高电压技术，2006，32（6）∶35-37.

[2]黄献涛.浅谈变压器运行中异常现象的检修与维护[J].江苏电机工程，2009，28（5）∶14-16.

[3]朱孟周，王静君.配电变压器绝缘故障分析[J].江苏电机工程，2013，32∶40-42.

[4]GB/T 17623-1998绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法[S].北京：中国标准出版社，1998.

[5]文德斌，李凯，江辉.变压器油溶解气体分离系统的改进[J].中国电力，2012，45（11）∶70-73.

[6]操敦奎，许维宗，阮国方.变压器运行维护与故障分析处理[M].北京：中国电力出版社，2008.

（本文编辑：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，高级技师，从事电力用油、气理化分析及用油气设备的故障预警评估、诊断工作。