黎衛(wèi)文，譚建敏，梁湛原，張 麗

（1.廣東電網(wǎng)公司 肇慶供電局，廣東 肇慶 526000；2.廣東威恒電力技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 佛山 528000）

變壓器油溶解氣分析是大型充油電力設(shè)備健康監(jiān)測(cè)的重要手段.通過(guò)對(duì)變壓器絕緣油中的特征故障氣體進(jìn)行定量分析，可以及時(shí)掌握變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行必要的維護(hù)［1-3］.鑒于目前并沒(méi)有一種方法可以直接對(duì)溶解在油中的氣體進(jìn)行檢測(cè)，因此把溶解在變壓器油中的故障氣體高效地分離出來(lái)是實(shí)現(xiàn)變壓器實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［4-5］.

早期應(yīng)用的油氣分離方法主要有多普勒脫氣法和部分脫氣法，它們基本能實(shí)現(xiàn)完全脫氣，但是需要活塞做真空處理，操作繁瑣，不適于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)使用.近年來(lái)研究比較廣泛的是高分子膜溶解—滲透油氣分離方法［6-8］，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定.目前使用較多的高分子膜有聚全氟乙丙烯膜（FEP）、聚四氟乙烯毛細(xì)管膜（GP100）、中空纖維復(fù)合膜以及帶微孔的聚四氟乙烯膜等，但是這些有機(jī)高分子膜也普遍存在氣體滲透率低、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，油氣平衡時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)小時(shí)甚至是數(shù)天，不能很好地滿(mǎn)足在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的要求.

相比于有機(jī)高分子膜，無(wú)機(jī)膜具有耐高溫、耐微生物、化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、易清洗再生和孔徑分布集中等優(yōu)點(diǎn)，已在食品、藥物等液體分離領(lǐng)域得到應(yīng)用，其中比較有代表性的就是陶瓷膜.而且隨著陶瓷膜制備工藝的改善，其過(guò)濾孔徑可以達(dá)到30 nm以下，成為有機(jī)高分子膜的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手.國(guó)內(nèi)外也已出現(xiàn)了將其與有機(jī)高分子膜結(jié)合應(yīng)用于變壓器油氣分離領(lǐng)域的相關(guān)研究［9-13］，但是未見(jiàn)單獨(dú)用陶瓷膜進(jìn)行油氣分離的研究工作.筆者提出單獨(dú)采用陶瓷膜進(jìn)行油氣分離的設(shè)想，設(shè)計(jì)基于陶瓷膜的油氣分離膜組件，測(cè)試該組件對(duì)于變壓器典型故障氣體C2H2的脫氣性能，并與傳統(tǒng)有機(jī)膜進(jìn)行比較.

1 膜分離機(jī)制

傳統(tǒng)的有機(jī)膜油氣分離機(jī)制可以用溶解擴(kuò)散模型進(jìn)行描述，如圖1所示，膜的一側(cè)直接與變壓器油接觸，另一側(cè)是一個(gè)隔離出的小型氣室，兩側(cè)的氣體分子因熱運(yùn)動(dòng)而逐漸趨于平衡，平衡后氣相中氣體的體積分?jǐn)?shù)與油中溶解氣體的體積分?jǐn)?shù)存在一定的換算關(guān)系，因此，通過(guò)測(cè)定氣室中氣體的體積分?jǐn)?shù)便可以計(jì)算得到油中溶解氣體的濃度.

這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)上只要將膜固定好，在長(zhǎng)期運(yùn)行中很容易達(dá)到穩(wěn)定可靠的性能，比其他油氣分離方法簡(jiǎn)單，但是傳統(tǒng)有機(jī)膜普遍存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)——平衡時(shí)間比較長(zhǎng).

區(qū)別于傳統(tǒng)的有機(jī)膜，筆者采用的微孔陶瓷膜是一種“錯(cuò)流過(guò)濾”形式的流體分離過(guò)程：變壓器油在膜管內(nèi)高速流動(dòng)，膜管外是隔離出的小型氣室.陶瓷膜截面如圖2所示，為多通道管狀結(jié)構(gòu)，管壁密布微孔.

陶瓷膜的油氣分離過(guò)程主要是依靠氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)而使得油液內(nèi)外氣體濃度逐漸趨于平衡，不同的是變壓器油在膜管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)壓，在壓力的驅(qū)動(dòng)下沿垂直方向向外滲透，滲透過(guò)程中油液壓力逐漸減小，導(dǎo)致溶解于其中的故障氣體溶解度降低，從而使得氣體分子更容易逸出，縮短平衡所需時(shí)間.此外，這種形式的過(guò)濾相比于傳統(tǒng)有機(jī)膜的終端過(guò)濾形式，大大增加了過(guò)濾的面積，也使之更容易達(dá)到較短的平衡時(shí)間.最終的結(jié)果是含大分子組分的變壓器油液被膜分離層截留，而小分子氣體通過(guò)陶瓷膜管壁分離出去，從而達(dá)到油氣分離的目的.

2 油氣分離實(shí)驗(yàn)

2.1 陶瓷膜油氣分離膜組件

陶瓷膜油氣分離膜組件包括陶瓷膜管、金屬外殼以及油、器導(dǎo)管接頭幾部分.陶瓷膜油氣分離膜組件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 陶瓷膜油氣分離膜組件結(jié)構(gòu)Figure 3 Oil and gas separation membrane structure

外殼為管式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為304不銹鋼，兩端采用法蘭盤(pán)進(jìn)行連接，法蘭盤(pán)上接有Swagelok6.0接口作為油的進(jìn)出通路，陶瓷膜組件外殼壁開(kāi)設(shè)2個(gè)氣體循環(huán)通路.

外殼內(nèi)裝有過(guò)濾孔徑50nm的內(nèi)壓式陶瓷膜管，陶瓷膜管與外殼之間形成小型氣室.變壓器絕緣油通過(guò)2個(gè)油路接口在陶瓷膜管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，溶解在絕緣油中的故障氣體沿陶瓷膜管外壁分離出去，再通過(guò)2個(gè)氣路接口與氣體檢測(cè)單元連接.該組件中，油路和氣路之間的隔離密封采用的是硅膠圈.

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示.在油箱內(nèi)采用高壓擊穿放電的形式模擬產(chǎn)生變壓器油中溶解的微量故障特征氣體（主要是C2H2），放電電壓約為15kV，放電電流在1.5mA左右.測(cè)試中陶瓷膜組件直接與油箱連接，油箱內(nèi)裝有約2L標(biāo)準(zhǔn)變壓器絕緣油，放電一定時(shí)間后，在蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)下，變壓器絕緣油在陶瓷膜脫氣組件中循環(huán).

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Figure 4 Experimental platform structure

分離出的氣體在氣泵循環(huán)下進(jìn)入光聲池內(nèi)進(jìn)行定量檢測(cè).采用近紅外光聲光譜氣體檢測(cè)儀進(jìn)行氣體檢測(cè)，該系統(tǒng)為基于可調(diào)諧摻鉺光纖環(huán)形激光器（TEDFL）和摻鉺光纖放大器（EDFA）的高靈敏度光聲光譜氣體檢測(cè)儀［14］，所測(cè)得的C2H2光聲信號(hào)與C2H2標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的關(guān)系如圖5所示，可以看出：C2H2氣體的濃度值和光聲信號(hào)的峰值信號(hào)呈線(xiàn)性關(guān)系.因此，實(shí)驗(yàn)中直接以測(cè)得光聲信號(hào)峰值的幅度表示C2H2氣體的濃度.

圖5 C2H2氣體濃度和光聲信號(hào)峰值關(guān)系Figure 5 Diagram of relationship between acetylene gas concentration and photoacoustic signal peak

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 脫氣性能測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室室溫條件下，測(cè)試陶瓷膜油氣分離膜組件對(duì)變壓器典型故障特征氣體C2H2的脫氣性能.測(cè)量前首先用N2對(duì)所有的氣路進(jìn)行持續(xù)20 min的清洗，以排除干擾.

在2L變壓器絕緣油中放電大約1min后開(kāi)啟蠕動(dòng)泵，驅(qū)動(dòng)變壓器絕緣油在陶瓷膜管中不斷循環(huán)，期間每30min測(cè)量一次光聲池信號(hào)峰值的大小，即C2H2氣體濃度的大小.測(cè)得C2H2氣體光聲信號(hào)峰值大小隨絕緣油循環(huán)時(shí)間的關(guān)系如圖6所示，即氣相C2H2濃度和絕緣油在陶瓷膜油氣分離組件內(nèi)循環(huán)時(shí)間的關(guān)系.

圖6中每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均為5次測(cè)量平均值，其中，第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)量的是未放電情況下的本底信號(hào).之后的數(shù)據(jù)點(diǎn)為放電后絕緣油在陶瓷膜組件內(nèi)不斷循環(huán)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄（每30min進(jìn)行一次記錄，記錄期間通過(guò)蠕動(dòng)泵控制，暫停陶瓷膜組件內(nèi)絕緣油的循環(huán)）.

圖6 光聲信號(hào)大小隨絕緣油循環(huán)時(shí)間的變化Figure 6 Curve of photoacoustic signal changing with insulation oil circulation time

由圖6可以看出，C2H2氣體濃度在6h左右趨于平衡，這一結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)物高分子膜十幾個(gè)小時(shí)乃至數(shù)天的平衡時(shí)間.

3.2 油中溶解C2H2氣體含量與放電時(shí)間關(guān)系的測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試油中溶解C2H2氣體的含量與放電時(shí)間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)條件與脫氣性能測(cè)試中條件保持一致（實(shí)驗(yàn)室室溫，2L絕緣油，每輪實(shí)驗(yàn)前用N2對(duì)所有氣路進(jìn)行20min的清洗）.通過(guò)改變絕緣油中高壓放電的時(shí)間，測(cè)得放電時(shí)間1～4min的光聲信號(hào)的變化，如圖7所示.由脫氣性能測(cè)試所得結(jié)果可知，放電后，溶解有微量C2H2氣體的變壓器絕緣油在脫氣裝置內(nèi)循環(huán)6h即可實(shí)現(xiàn)C2H2氣體脫氣平衡，因此，該節(jié)測(cè)量點(diǎn)就定在放電后脫氣6h時(shí)，以保證氣體含量測(cè)定的可靠性，同樣，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均為5次測(cè)量平均值.

圖7 C2H2氣體光聲信號(hào)峰值與放電時(shí)間的關(guān)系Figure 7 Diagram of relationship between acetylene gas photoacoustic signal peak and discharge time

理論上，放電時(shí)間不長(zhǎng)的情況下，在絕緣油中放電后，溶解于油中的故障氣體含量與放電時(shí)間成正比.由圖7可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)該組件進(jìn)行油氣分離而測(cè)得油中溶解的C2H2氣體含量隨放電時(shí)間的增加而增加，兩者幾乎成線(xiàn)性關(guān)系，這一結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期吻合得很好，從而說(shuō)明該陶瓷膜組件對(duì)于變壓器油中溶解氣體C2H2的分離具有很好的重復(fù)性，進(jìn)而證實(shí)該陶瓷膜組件進(jìn)行油氣分離的可靠性.

3.3 問(wèn)題與討論

在該次對(duì)陶瓷膜油氣分離方法的研究中，也發(fā)現(xiàn)陶瓷膜油氣分離存在陶瓷膜對(duì)油分子的截留率不高的問(wèn)題.在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中會(huì)有少量的油透過(guò)陶瓷膜外壁滲透出來(lái)，雖然不至于影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，但是考慮到將來(lái)真正應(yīng)用于變壓器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)油氣分離時(shí)的穩(wěn)定性和后期維護(hù)量，這也是必須解決的問(wèn)題.

對(duì)此，筆者正在考慮換用過(guò)濾孔徑更小的陶瓷膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也在考慮通過(guò)改善陶瓷膜組件的結(jié)構(gòu)，增加一個(gè)回流裝置來(lái)解決長(zhǎng)期使用過(guò)程中滲油的影響.

4 結(jié)論

陶瓷膜應(yīng)用于變壓器絕緣油故障氣體的油氣分離，可以在6h內(nèi)實(shí)現(xiàn)C2H2的脫氣平衡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的有機(jī)高分子膜，可以滿(mǎn)足在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的要求.因此，陶瓷膜油氣分離膜組件用于變壓器油氣分離可以提高變壓器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的可靠性和實(shí)時(shí)性.而且，陶瓷膜相比于傳統(tǒng)的有機(jī)高分子膜還具有化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，再加上如今陶瓷膜技術(shù)發(fā)展十分迅速，而且過(guò)濾效果穩(wěn)定，是變壓器油氣分離膜領(lǐng)域一個(gè)很好的選擇.

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