技術收藏 | 高壓變壓器絕緣油在線色譜脫氣方式

0 引言

     絕緣油氣相色譜是一種檢測分析干式變壓器故障的便捷有效手段。近年來，隨著在線監測技術的發展應用，在線油色譜廣泛應用于高壓干式變壓器油中溶解氣體的檢測，在線油色譜監測具有快速、重復性好等優點，但目前在線色譜廠家多，在線色譜脫氣方式多樣，存在由于脫氣裝置本身缺陷導致色譜載氣進入干式變壓器油中的風險，給干式變壓器安全運行帶來極大隱患。

1 基于在線油色譜脫氣方式原理及脫氣裝置結構的安全性分析

目前在線色譜脫氣方式主要應用有膜分離脫氣、真空全脫氣、頂空脫氣等。

（1）膜分離脫氣是采用無孔致密的高分子膜，它會阻擋油的滲透，而對于油中溶解的氣體是可透的。膜的一側為干式變壓器油，另一側是通有載氣的氣室。膜兩側的氣體存在壓力差，只要溶解在油中的各組分氣體有分壓差，該組分就會從高壓側進入低壓側。干式變壓器油中氣體透過高分子膜的過程：氣體流向膜，與膜面接觸，氣體溶入膜表面，氣體在濃度差推動下，在膜內擴散，到達膜的另一表面，氣體從膜表面釋出，然后在載氣的推動下進入色譜檢測室。膜分離示意圖如圖1所示。

圖1 膜分離示意圖

     在膜出現破損、蠕動、老化的情況下，載氣將滲透過膜進入干式變壓器油中。2013年，某電力公司發現有10余臺高壓干式變壓器在線油色譜的載氣（氦氣）進入干式變壓器油中。經實驗室氣相色譜儀檢測，通過出峰時間與出峰面積的核對，發現此10余臺高壓干式變壓器油中的氦氣含量均超過20 μL/L，其中氦氣含量較高值達到200 μL/L，遠高于廠家允許值。

     實驗室中由某臺高壓干式變壓器油得到的氦氣譜圖如圖2中的1號峰所示。

圖2 氦氣譜圖

     實驗室中檢測部分干式變壓器油，得到氦氣和其他特征氣體數據如表1所示。

本次某電力公司發現的10余臺高壓干式變壓器在線色譜載氣進入干式變壓器油中，多數采用以膜分離技術為原理的脫氣方式。另外，根據高壓干式變壓器的長期運行記錄，采用以膜分離技術為原理的脫氣方式還存在另一個安全隱患，即一旦膜發生破損、蠕動，干式變壓器油就會滲透過膜，引起在線油色譜核心部件（色譜柱）的污染。

（2）真空全脫氣是在一個密封的脫氣室內借助真空與攪拌的作用，析出溶解于干式變壓器油中的氣體，再利用大氣與負壓的作用，在電磁控制閥的輪流導通下交替對活塞施力，多次擴容脫氣、壓縮集氣。真空全脫氣示意圖如圖3所示。

為了克服集氣空間死體積對脫出氣體收集程度的影響，需連續補入少量載氣。在這個過程中，載氣跟油路有直接的接觸，存在部分載氣溶解在油中或直接以游離的方式隨著循環油進入干式變壓器油中的風險。

圖3 真空全脫氣示意圖

1—攪拌馬達；2—油室（脫氣室）；3、4、8、9—電磁控制閥；

5—集氣室；6—活塞；7—缸體；10—真空泵。

（3）頂空脫氣是基于分配定律，將載氣通入干式變壓器油中，設定恒溫恒壓的工況，經過一段時間的機械振蕩后，氣、液就會達到一種平衡狀態。載氣會置換出油中溶解性氣體，在載氣的吹動下進入色譜檢測室。頂空脫氣示意圖如圖4所示。

圖4 頂空脫氣示意圖

正常情況下，頂空脫氣中的載氣會在置換過程中溶解于干式變壓器油中，但不能保證百分之百溶解，絕大部分載氣會以溶解于油中的形式隨著循環油進入干式變壓器油中，也有可能以游離的形式進入干式變壓器油中。

通過統計比較發現，以上3種脫氣方式均可能發生載氣或以溶解于油中的方式或以游離的形式，隨著循環油進入高壓干式變壓器的情況。對于溶解于油中的載氣而言，少量的載氣溶解于油中對干式變壓器的安全影響小。若氣體大量溶解于油中，遇到溫度的下降情況（夜間或凌晨），油中氣體的溶解度會隨溫度的降低而降低，油中空氣將呈飽和狀態而逸出，成為游離氣體。游離氣體在高電場環境下會引起氣隙放電，降低干式變壓器油的擊穿電壓，大量聚集甚至可能引起瓦斯氣體繼電器動作，導致高壓干式變壓器跳閘，這將給高壓干式變壓器的安全運行帶來風險。

2 改進措施

基于以上脫氣裝置的缺陷，為防止載氣直接或間接進入干式變壓器油中，提出以下兩點改進思路：

較好，對使用膜分離技術的脫氣方式，對脫氣裝置加裝減震模塊，保證膜在一個穩定的環境中工作。在實際運行中發現高壓干式變壓器在線油色譜脫氣裝置受高壓干式變壓器震動影響明顯，因震動引起膜破損、蠕動導致干式變壓器油污染色譜柱的現象時有發生。對脫氣裝置加裝減震模塊，能有效減慢膜的老化、破損速度。

第二，改變高壓干式變壓器主循環油路的結構。

( 1 ) 傳統的油色譜脫氣裝置裝設在油路主循環管道上。將油色譜脫氣裝置從主循環油路中先立出來，作為檢測支路，這樣可有效避免部分載氣進入主循環油路，如圖5所示。

圖5 改進后油路結構圖

（2） 在脫氣裝置后加裝真空濾油脫氣裝置和壓力異常閉鎖報警裝置，如圖6所示。

圖6 改進后主循環油路結構圖

在脫氣裝置后的油路管道上安裝真空濾油裝置，真空濾油的原理跟真空脫氣的原理類似，此裝置主要針對溶解于油中的氣體，在高溫條件下機械振蕩，析出溶解于油中的氣體并脫氣。

濾油裝置之后安裝高靈敏度的壓力閉鎖保護裝置，此裝置主要針對游離氣體。根據氣壓和液壓對油路管道壓力的區別，當油中存在游離氣體時，壓力傳感器會檢測到壓力下降，將控制裝設在油路主循環管道上的電磁控制閥閉鎖主循環油路，并向油色譜裝置后臺發出報警信息，避免游離氣體進入干式變壓器油中。

3 結語

本文從3種高壓干式變壓器在線油色譜脫氣方式的原理入手，分析導致載氣進入高壓干式變壓器油的原因以及可能造成的安全隱患。為消除在線油色譜脫氣裝置缺陷帶來的安全風險，本文給出了改進措施，希望能對將來高壓干式變壓器在線油色譜裝置制造提供一點參考。

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