油气分离的恒温脱气系统设计

刘明，邸龙，谭建敏，韩晓坚，林美超（.广东电网公司肇庆供电局，广东肇庆56060；.广东泓量检测技术有限公司，广东佛山58000）

油气分离的恒温脱气系统设计

刘明1，邸龙1，谭建敏1，韩晓坚2，林美超2
（1.广东电网公司肇庆供电局，广东肇庆526060；2.广东泓量检测技术有限公司，广东佛山528000）

变压器是电力系统中的重要电气设备之一，分析变压器油中溶解性气体对电力系统的故障发现和安全可靠运行具有重要意义。介绍了油气分离技术，并设计了油气分离恒温装置。实验结果表明，恒温的溶解平衡脱气方法具有良好的重现性。恒温装置的设计使油气分离模块温度稳定，保证了油气分离的脱气量和气体检测的准确性。

溶解性气体；油气分离技术；溶解平衡脱气；恒温装置

0　引言

绝缘油中溶解气体含量分析是诊断电力油浸式设备早期潜伏性故障的重要方法。通过溶解在油中的气体含量、气体间比值和气体含量变化速率可以评估运行设备的状态和安全，为设备的维护和保养提供有效的科学依据。

油中溶解气体分析技术（DGA）能在变压器不停电的状态下进行，不影响设备的正常运行和供电，已成为诊断油浸电力变压器早期故障，监视设备安全运行，有效预防灾难性事故的重要方法之一[1-2]。

油气分离是DGA方法的重要组成部分，本文主要介绍了基于溶解平衡的油气分离方法，并设计了基于此方法的恒温装置，使油气分离模块温度稳定，保证了油气分离的脱气量和气体检测的准确性。

1　油气分离技术

目前，油中溶解气体分析检测包括离线式检测和在线式检测，这两种方式的前提都是将溶解气体从变压器油中分离出来。油气分离环节直接影响脱气装置的脱气量和光声池气体检测的准确性。

油气分离技术是指把溶解于绝缘油中的气体脱离出来的技术，主要通过以下几种方法进行[3]。

1.1真空脱气法

真空脱气法（托普勒泵法）是指通过托普勒泵多次收集脱离的气体，然后将脱出的气体与大气压平衡的方法。此外，该方法也可通过变径活塞代替托普勒泵进行操作。气体组分的脱气率与装置的真空度有关，还与反复脱气的次数有关。真空脱气是一种全脱气方法，油中不同组分气体的脱气效率在97%左右。真空脱气方法对低含量组分的分析和电力设备出厂试验尤为适宜，也利于与色谱仪联机自动进样。托普勒泵法能对油进行全脱气，精确度高，是国际上公认的仲裁方法[4]。

真空脱气法存在漏气问题，且使用水银，具有污染性。

1.2膜脱气法

2017年大连市全社会研究与试验发展 （R&D）经费为164.2亿元，R&D投入强度为2.23%，万人发明专利拥有量16件，无论是创新投入总量、投入强度，还是发明专利拥有量，同北京、上海、深圳等城市相比有明显差距 （见表3）。企业创新意识、创新活力不足，创新主体作用不突出，产学研一体化有待加强，高校与企业、产业融合不够，重大创新平台建设不足，政府公共财政科技投入有待于提高。

膜脱气方法是利用气体各组分在膜内溶解扩散的差异，达到气液分离、富集的一种方法[5]。主要是通过固态或液态物质薄膜，在外加压力的驱动下进行。

该方法基于气体的扩散原理，采用只能渗透气体分子而不能渗透油的高分子膜，以此阻挡绝缘油的渗透。绝缘油中溶解气体通过膜的动力源于膜两侧的气体压差。膜两侧的样气体积分数（分压）不同，则扩散速度不同。目前，研究出用于绝缘油中气体分离的渗透膜主要是高分子聚合物分离膜，如聚四氟乙烯、聚六氟乙烯、聚酰亚胺等[6-7]，还有渗透率很高的高性能玻璃态高聚物分离膜[8]。

但膜脱气存在脱气时间长、脱气效率低、维护成本高等缺点。

1.3溶解平衡脱气法

溶解平衡脱气的原理基于道尔顿分压定律和亨利定律[9-10]。该脱气方法的操作流程是：在一定温度下，在密闭容器中加入绝缘油和平衡气体，经过一段时间后溶解气体在气液两相间达到平衡，然后分析平衡状态下气相的浓度，利用溶解平衡原理导出的奥斯特瓦尔德系数计算获得油中各溶解组分的浓度。在平衡期间可采用振荡、搅拌等方式缩短达到油气平衡的时间。该方法的装置简单，操作方便，重复性较好；不需要真空设备，因而不像需抽真空的脱气装置存在漏气、回溶等问题。由于该方法是根据溶解平衡原理得出，脱气后留在试油中的组分浓度可根据溶解系数计算出来，因而不像真空法那样存在脱气率问题[4]。

1.4其他脱气方法

用于绝缘油中溶解气体的脱气方法除上述脱气方法外，还有毛细管法[11]、空气循环法[12]等。

此两种油气分离技术的脱气原理不同，因而特点不同。毛细管柱法的平衡时间较短，程度简单，但造价高；空气循环的平衡时间较短，但复杂程度大，造价较高。

2　基于溶解平衡脱气的恒温油气分离方法

温度是影响油气分离和气体检测的重要因素，由于油中溶解性气体监测设备安装在现场，经常受大气温度的影响，监测设备内的温度不稳定，安装在监测设备内的脱气装置和光声池温度也不稳定，因此影响油气分离的脱气量和气体检测的准确性，最终造成了故障的误判断。

本文设计了一种油气分离恒温装置，能达到温度稳定，且提高故障判断准确性的目的。

2.1恒温装置的设计

恒温装置设于油气分离系统的外壳处，包括温度传感器、温度控制器、加热装置和散热装置。温度传感器的输出端与温度控制器的输入端连接，温度控制器的输出端分别与加热装置和散热装置连接。连接示意图如图1所示。

图1　恒温装置的连接示意图

恒温装置通过温度传感器将收集到的温度信号传送给温度控制器，温度控制器对接收地温度信号进行判断，当温度高于预设温度时，温度控制器将驱动散热装置进行工作；当温度低于预设温度时，温度控制器将停止散热装置，并驱动加热装置进行工作，实现装置内温度的稳定。加热装置的设计呈梳齿装，使加热的传热和散热的效果更快，如图2所示。

图2　油气分离恒温装置示意图

2.2实验对比

将一变压器油样品（溶解性气体浓度分别为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），在添加安装恒温装置前后，分别平行检测6次，结果见表1。

检测结果表明，使用恒温装置后被分析气体浓度相对标准偏差RSD’小于使用前RSD，且均低于5%，表明恒温装置的使用增加了油气分离模块的稳定性。

表1　安装恒温装置前后的数据RSD对比(n=6)

2.3油气分离恒温装置的应用

油气分离恒温装置对变压器油在线监测设备具有重要作用。为了减小温度波动对测量的影响，本文自主研发的激光光声光谱变压器油气在线监测系统采用了恒温设计，采用的是溶解平衡脱气法进行脱气。在脱气系统中，油中溶解的气体逐渐分离出来扩散入检测气室，直到油气达到动态平衡。脱气过程采用恒温保持油气分离的温度稳定。实验检测的7种故障特征气体的含量相对标准偏差均低于5%。

3　结论

准确、快速、高效地检测变压器绝缘油中溶解性气体成分及含量特征是油中溶解气体检测的目标。DGA方法为变压器运行状态及剩余寿命的评估提供可靠的数据支持，是变压器状态监控最重要、最有效的手段之一。

溶解平衡脱气方法具有脱气时间短、脱气效率高、成本低等优点，是在线监测应用中的普遍方法。实验结果表明，恒温的溶解平衡脱气方法具有良好的重现性。恒温装置的设计使油气分离模块温度稳定，保证了油气分离的脱气量和气体检测的准确性。

［1］GB/T 7252-2001.变压器油中溶解气体分析和判断导则［S］.

［2］岳章华，钟建灵，江健武.变压器油中溶解气体在线监测系统的应用［J］.广东电力，2000，13（1）：32-34.

［3］徐懿俊.变压器油中溶解性气体（DGA）检测方法的研究［D］.上海：复旦大学，2011.

［4］徐康健，孟玉婵.变压器油中溶解气体的色谱分析实用技术［M］.北京：中国质检出版社，中国标准出版社，2011.

［5］杨荆林，肖登明，徐欣，等.变压器在线监测中油气分离高分子膜的研究［J］.高电压技术，2003，29（6）：38-40.

［6］贾瑞君.高分子薄膜在变压器油中溶解气体在线监测中的应用［J］.变压器，2001，38（10）：37-40.

［7］杨荆林，肖登明，徐欣，等.变压器在线监测中油气分离高分子膜的研究［J］.高电压技术，2003，29（3）：38-40.

［8］李红雷，张光福，刘先勇，等.变压器在线监测用的新型油气分离膜［J］.清华大学学报，2005，45（10）：1301-1304.

［9］GB/T17623-1998.绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法［S］.

［10］DL/T703-1999.绝缘油中含气量的气相色谱测定法［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］贾瑞君.关于变压器油中溶解气体在线监测的综述［J］.电网技术，1998，22（5）：49-55.

(编辑：向飞)

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

刘明，男，1979年生，吉林蛟河人，硕士，工程师。研究领域：电力生产技术管理。