油气分离的恒温脱气系统设计.pdf

DOh 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 1 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 1 ． 广东电网公司肇庆供电局， 广东肇庆 5 2 6 0 6 0 ；2 ． 广东泓量检测技术有限公司， 广东佛山 5 2 8 0 0 0 摘要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。 关键词溶解性气体；油气分离技术 ；溶解平衡脱气；恒温装置 中图分类号 T M4 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 50 4 0 0 7 9 0 3 Th e De s i g n o f a Th e r mo s t a t De g a s s i n g De v i c e Us e d i n t h e Oi l a n d Ga s S e p a r a t i o n M o d u l e L I U Mi n g ，D I L o n g ，T A N J i a n - mi n ‘ ，HA N Xi a o - j i a n ，L I N Me i - c h a o 2 1 - Z h a o q i n g P o w e r S u p p l y B u r e a u ，G u a n g d o n g P o w e r G r i d C o r p o r a t i o n ，Z h a o q i n g 5 2 6 0 6 0 ，C h i n a ； 2 ． G u a n g d o n g H o n g l i a n g D e t e c t i o n T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ，F o s h a n 5 2 8 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T P o w e r t r a n s f o r m e r i s o n e o f t h e i m p o r t a n t e l e c t ri c a l e q u i p me n t ． T h e d i s s o l v e d g a s a n al y s i s D GA o f t r a n s f o r me r h a s i mp o r t ant s i g n i fi c an c e f o r d e t e c t i ng i nc i p i e n t trans e r f a u l t ．Th i s p a p e r i n t r o d u c e s s e v e r a l o i l a n d g a s s e p a r a t i o n t e c h n o l o g i e s in d e t a i l ， an d d e s i g n s a t h e rm o s t a t d e v i c e ．Th e e x p e rime n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e t h e rm o s t a t d i s s o l u t i o n e q u i l i b r i u m d e g a s s i n g t e c hn o l o g y h a s g o o d r e p r o d uc i b i l i t y ． Th e d e v e l o p e d t h e rm o s t a t i c d e v i c e c a n ma k e t h e t e mp e r a t u r e o f t h e o i l an d g a s s e p a r a tio n mo d ule s t a b l e，a n d t h u s e n s u r e t h e v o l u me o f s e p a r a t e d g a s a nd the a c c u r a c y o f t h e r e s u l t ． Ke y wo r d s d i s s o l v e d g a s e s analy s i s ； o i l a n d g a s s e p a r a t i o n t e c h no l o gy ； di s s o l u t i o n e q u i l i b riu m d e g a s s i n g t e c h n o l o gy ； t h e r mo s t a t d e v i c e 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 D G A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【 l _ 2 】 。 变压器内的绝缘油在电和热的作用下将慢慢 发生老化现象和分解反应 ，产生低分子烃类及一 氧化碳、二氧化碳等气体。若变压器中存在潜伏 性过热现象和放电时，产生的气体将大部分溶于 油 中。随着故 障的不断发展 ，分解现象产生 的气 体量越来越多，导致产气量大于溶解量 ，便有一 部分气体以游离气体的形式释放出来。早期预测 变压器设备的内部故障，对于安全供电，防范事 故于未然 ，是极为重要的。 油气分离是D G A 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 收稿 日 期2 0 1 4 1 1 2 4 曩 ] 研究与开发 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 ． 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 9 7 ％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州 。 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 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15 。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 ，还 有渗透率很高的高性能玻璃态高聚物分离膜嗍 。 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 - io1 。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 。 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n ” 、空气循环法n 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 。 刘 明 等油气分离的恒温脱气系统设计 研究与 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 H2 2 0 ． 9 7 1x L L - ， C H 1 3 ． 0 5 p L - ， C2 H 3 5 ． 7 8 1x L L ～， C 2 H6 3 0 1 ． 5 2 1 L L - ， GH2 7 ． 6 8 1 x L L ～， C 0 4 8 ． 8 8 1 x L L ～ ，C O 7 3 9 ． 9 1 t x L L - ，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 R S D’小于使用前 R S D ，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 R S D 对} B n 6 物质 H c 0 C 0 c } I 4 c 2 } I c c 2 } I R S D／ ％ 6 ．o 9 6 ． 3 4 2 ．3 1 6 ． 8 5 9 ．0 9 5 ． 1 0 7 ．3 6 R S D’ ， ％ 3 ． 3 4 1 ．4 4 O ．6 8 4 ． 9 6 2 ． 7 5 1 ． 8 0 1 ．3 5 注R S D表示安装恒温装置前的被分析物浓度相对标准偏差； R S D’表示 安装恒温装置后的被分析物浓度相对标准偏差 。 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 。D G A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 。 参考文献 [ 1 ]G B ／ T 7 2 5 2 2 0 0 1 ． 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 ，2 0 0 0 ，1 3 1 3 2 - 3 4 ． [ 3 ]徐懿俊． 变压器油中溶解性气体 D G A检测方法的 研究 [ D]． 上海复旦大学，2 0 1 1 ． [ 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 ．2 0 1 1 ． [ 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，2 0 0 3 ， 2 9 6 3 8 4 0 ． [ 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，2 0 0 1 ，3 8 1 0 3 7 4 0 ． [ 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，2 0 0 3 ， 2 9 3 3 8 4 0 ． [ 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 ，2 0 0 5 ， 4 5 1 0 1 3 0 1 1 3 0 4 ． [ 9 ] G B ／ T1 7 6 2 3 1 9 9 8 ． 绝缘油中溶解气体组分含量的气相 色谱测定法 [ S ]． [ 1 0 ]D L r F 7 0 3 1 9 9 9 ． 绝缘油中含气量的气相色谱测定法 [ s ]． 【 1 1 J Wa r d BH，L i n d g r e nS ． A S u r v e y o f D e v e l o p me n t s i nI n - s u l a t i o n Mo n i t o ri n g o f P o w e r T r a n s f o r me r s 【 A J． C o n f e r e n e e Re c o r d o f t h e 2 0 0 0 I E EE I n t e r n a t i o n al S y mp o - s i u m o n E l e c t ri c a l I n s u l a t i o n[ C ]． A n a h e i m U S A 20 00．1 41 -1 47 ． [ 1 2 ]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，1 9 9 8 ，2 2 5 4 9 5 5 ． 第一作者简介 刘明，男，1 9 7 9 年生，吉林蛟河人，硕 士，工程师。研究领域 电力生产技术管理。 编辑 向飞