变压器油溶解气体在线监测技术与方法研究.docxVIP

2 变压器油溶解气体在线监测技术与方法研究由于变压器在电或热的作用下以及老化过程中会分解产生甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢、一氧化碳、二氧化碳等气体，如何获取特征气体、辨识特征生气体以及根据特征气体进行油气分析是实行油气在线监测的三个必经环节。特征气体获取的手段主要有真空分离法、动态顶空分离法、膜渗透分离法等，在气体辨识中有色谱法、光谱法、传感器法，数据分析中有，下三比值及改良三比值法、大卫三角法、援例分析法。下面将主要探讨主变油溶解气体在线监测特征气体获取、特征气体辨识、特征气体分析所使用原理和方法。2.1变压器油气分离技术研究2.1.1真空分离法传统的真空脱气法主要有水银真空脱气法（托普勒泵脱气法）、水银不完全真空脱气法、饱和食盐水真空法、薄膜式真空法等。后来研究出了典型真空脱气法：无水银真空完全脱气法（钢体，多次脱光-集气过程）、无水银真空不完全脱气法（玻璃，一次脱气-集气过程）和变径活塞泵全脱气法（多次脱气-集气过程）。变径活塞全脱气法属于无水银真空脱气法的变通方法。[5]真空完全脱气法油气分离过程如下：一定体积溶解有气体的样品油被注入到脱气室，在真空条件下，从油中脱出的气体在活塞作用下被从脱气室转移到集气室。经过几次脱气-集气过程后，集气室的气体通过进样器传送到色谱分析系统中进行分析。真空不完全脱气法油气分析与完全脱气法过程相同，但只有一次脱气-集气的过程。另外为了保证充分脱气，集气室与脱气室体积比不同于完全脱气法，比完全脱气法要大。真空脱气法需要多次脱气-集气过程，平衡时间及整个分析时间不适合在线应用。真空不完全脱气法平衡时间短，为在线应用提供了思路。真空脱气法和高分子膜透气法相比，真空脱气法平衡时间大大缩短，借助于搅拌作用，真空脱气法一般几十分钟能达到平衡，但是上述三种常规真空脱气法设计的最初出发点是试验室的离线应用。尽管在便携式产品中也有应用实例，但体积大、结构复杂、对稳定性要求高而难以应用于在线。真空泄露及残油污染会造成影响导致失败。下面我们将探讨真空脱气的数学模型。脱气因数为气体组分平衡时在气相中的体积分数与最初在油中的体积分数比为η。则 （2.1）其中，Mg表示气体组分数被提取到气相中的质量；Mo表示气体组分最初在油中的质量。 （2.2）其中，Cg表示平衡状态下气体组分在气相中的体积分数；Co表示气体组分最初在油中的体积分数。 （2.3） （2.4）其中，M1表示气体组分平衡时在油中的质量，C1表示平衡状态下气体组分在液相中的体积分数，V1表示油的体积，Vg表示气相的体积。因此 （2.5）可见要充分脱气，必须提高气体组分在气相中的体积分数和增大气相体积与有的体积比。采用平衡脱气法时，由于增大气相体积与气相中的气体组分的体积分数存在矛盾，导致脱气效率低下。用真空脱气法时，借助真空与搅拌作用，是气体充分脱出。设油中气体体积分数最小检测值为X1，色谱系统的气相气体最小体积分数检测值为Xg，则 （2.6）其中，Vi表示标准气体进入色谱体系的样品气体组分的体积；Vmax表示允许的最大进入体积；Smin表示色谱系统能偶检测的最小峰值面积；Si表示标准气体进入色谱系统检测的样品气体组分i的积分面积。从理论上来说，对于某气体组分i，必须满足，否则分析系统将超过合乎规格的性能极限，这关系到灵敏性极限和可靠性参数（精度、可重复性、可再现性）。因此在充分增大脱气效率的前提下，需使气体组分在气相中体积分数满足上述关系式，这也是限值气相体积过分增大的束缚条件。为了解决增加气相空间增加气体组分提取效率却减小气体组分体积分数的矛盾，一般方法是对脱出的气体进行压缩，即采用扩容脱气-压缩集气的过程来增加脱气效率和增加气体体积分数。但是对于进油量较少的油气分离，或者是气体在油中的体积分数较低的油气分离，或者脱出的气体组分所占比例很小时，应该压缩到什么程度与所采用的色谱分析系统的灵敏度极限有关，否则进样量太少将无法进行检测而进入量太多将造成拖尾峰，致使色谱峰分离效果低下。真空脱气法需应用以上数学模型，按照所采用的色谱系统灵敏度极限和国际规定的油中气体体积分数最小监测值要求两方面进行设计。设进样器的定量体积为Vs则 （2.7）2.1.2膜渗透法某些聚合薄膜具有仅让气体透过而不让液体通过的性质，适宜于在连续监测的情况下，从变压器绝缘油中脱出溶解气体。在气室的进口处，安装了高分子膜，膜的一侧是变压器油，另一侧是气室。油中溶解的气体能透过膜自动地渗透到另一侧的气室中。同时，已渗透过去的自由气体也会透过薄膜重新溶解于油中。在一定的温度下，经过一定时间后( 通常需要经过几十小时) 可达到动态平衡。达到平衡时，气室中给定的某种气体的含量保持不变并与溶解在油中的这种气体的含量成正比。通过计算即可得出溶解于油中的某种气体含量。［6,7］这种方法的缺点是脱气速度缓慢