基于恒定真空度的電力絕緣油新型取氣技術研究

朱洪斌，張曉琴，余 翔，王 晨，劉建軍

（江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 211103）

基于恒定真空度的電力絕緣油新型取氣技術研究

朱洪斌，張曉琴，余 翔，王 晨，劉建軍

（江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 211103）

針對傳統真空取氣方法脫氣率不穩的難題，提出了“恒定真空度”取氣方法并研制了新型真空取氣裝置，設計氣缸與直線電機聯用取代傳統真空泵，為取氣過程提供恒定真空源；在恒定真空度下及時轉移氣體，提高了氣體解析和平衡速度，完全避免了氣體的回溶。該新型取氣裝置對絕緣油中溶解氣體脫氣率穩定，年變化率小于2%，且實現了清洗、真空、取氣、進樣全過程自動化，最大限度減小樣品前處理過程中的人為誤差和隨機誤差，保障了絕緣油中溶解氣體組分含量色譜分析的準確性。

絕緣油；色譜分析；取氣裝置；脫氣效率；恒定真空

0 引言

DGA（油中溶解氣體分析）是評估運行中變壓器健康狀態的重要手段[1-3]，對維護電力持續可靠供應至關重要。作為變壓器等充油電氣設備內部缺陷診斷的重要手段，DGA主要包括樣品前處理和色譜儀分析2個過程。所謂樣品前處理，就是將溶解在油中的氣體取出收集，提供給色譜儀分析，這一過程是DGA分析中最大的誤差來源，直接影響油中氣體含量分析的準確性，給變壓器運行狀態的準確評估帶來困難。

目前，GB/T 17623提供的樣品前處理方法有2種[4]：一種是基于頂空原理的機械振蕩法，該方法具有設備簡單、易操作等優點，但存在人工工序多，無法實現自動化的問題；另一種變徑活塞脫氣法屬真空方法，自動化程度較高，但脫氣率隨機變化，分析數據的平行性差。為了提高DGA分析的準確性，在樣品前處理環節必須解決人為誤差和隨機誤差的問題，因此研究全自動的、具有穩定脫氣率的真空取氣方法是較好的解決途徑。

1 真空取氣方法脫氣率影響因素

對于傳統真空取氣方法，脫氣率理論計算公式[5，6]如式（1）所示：

式中：Ei為氣體的理論脫氣率；Ki為氣體i在油中的溶解系數；Vo為被取氣的油樣體積；Vv為取氣的真空空間體積；i代表H2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，CO，CO2中的某一組分。

理論上影響脫氣率的主要因素如表1所示。除表1中所述，影響真空取氣裝置脫氣率的客觀因素還包括：現今真空技術無法達到全真空；受分析時間限制，取氣次數不可無限次；氣體析出后收集轉移過程存在回溶或殘留現象，氣體收集不完全，等等。

表1 真空取氣方法脫氣率主要影響因素

2 傳統真空取氣方法缺點

傳統真空取氣方法往往一味追求高脫氣率，而忽略了脫氣率不穩定的問題，特征氣體脫氣率波動大，樣品前處理過程的誤差造成DGA分析誤差較大。

真空取氣裝置定型后，取氣次數、體積比、平衡狀態等參數全部固定下來，唯一不可控的是取氣過程的負壓條件（真空度），在溫度一定時，壓力條件決定Ki值的大小，因此該條件是影響真空取氣裝置脫氣率的關鍵因素。

長期的試驗研究證明，真空法的脫氣率與真空泵的真空度有直接關系。傳統真空泵主要采用旋片式，在每次啟動后達到的真空度都不是定值，若連續使用，真空度的穩定性較差，將造成真空取氣裝置的脫氣率隨機變化。

3 新型真空取氣裝置的研制

針對傳統真空泵存在的問題，以實現真空取氣方法穩定脫氣為目標，研制了新型真空取氣裝置。該裝置采用氣缸和直線電機組成類似于柱塞泵的結構，替代傳統真空泵為取氣空間提供真空源；氣缸內安裝有位置傳感器，實現油樣體積的準確定量；在取氣室設計有絕壓傳感器、油霧化器，絕壓傳感器可準確測量體系壓力，而油霧化器對油樣進行霧化，可大大增加油在真空環境內的表面積，提高氣體解析和平衡速度；此外，該裝置首次采用定量補氣技術，在油樣脫氣過程中，可對取氣室定量補入氮氣，洗脫油中殘存氣體，加快油中氣體的解析。

基于上述原理的全自動真空脫氣裝置典型結構如圖1所示。取氣開始時，保證取氣室恒溫，溫度通常設定為50℃；對系統抽真空，當取氣室的真空度調整到設定值后，注入定量油樣；油經過取氣室的霧化器轉移至取氣室內；使用另一氣缸和直線電機組對解析出的氣體進行轉移，并收集保存；開啟定量補氣管補充氮氣，油中氣體再次解析，重復氣體的轉移、保存操作，直至取氣完成。在整個取氣過程中，取氣室的壓力是逐漸下降的，完全避免了氣體的回溶，同時增加了取氣室的空間；取出的氣體壓縮至六通閥的定量環保存，六通閥自動將定量環中的氣體注入氣相色譜儀開始分析，實現DGA分析全過程的自動化。

圖1 全自動真空脫氣裝置結構原理

4 新型真空取氣裝置脫氣率測量

恒溫恒壓條件下，對于裝有油樣的密閉系統，保證氣體在液、氣兩相達到分配平衡。先制備空白油（不含溶解故障氣體組分，濃度為0），在密閉系統內加入一定量的空白油和一定量的標準氣體，氣體在液、氣兩相達到分配平衡后，計算氣體在油相中溶解氣體組分的濃度。

表2 新型真空取氣裝置脫氣率 %

對標準油樣進行真空取氣，應用色譜分析，獲得實測值Cil，即真空取氣裝置與色譜儀聯用測得的氣體i組分在油中的濃度。該真空取氣裝置的脫氣率Ri如式（5）所示。

按照上述步驟，配制已知溶解氣體濃度的標準油，利用新型真空取氣裝置取氣，將取出的氣體用氣相色譜儀分析，根據公式（5）計算出7種特征氣體的脫氣率。該試驗每隔2個月進行1次，1年測試7次，測試數據如表2所示，可以看出，新型真空取氣裝置實際脫氣率的年變化率小于2%。而傳統真空取氣裝置對標準油樣脫氣率波動較大，遠沒有新型真空脫氣裝置測量結果穩定，圖2為2種裝置脫氣率標準差對比。由于該新型取氣裝置脫氣率穩定、自動化程度高，目前已在江蘇13地市油氣實驗室推廣應用。

圖2 新型真空取氣裝置與傳統裝置脫氣率標準差比較

5 結語

圍繞一種DGA中真空取氣方法對脫氣率的影響因素進行詳細討論，分析了傳統真空取氣方法脫氣率不穩定的關鍵原因，研究了“恒定真空度”取氣方法及新型真空取氣裝置。

該裝置優選氣缸與直線電機聯用，取代傳統真空泵，裝置使用過程中可提供穩定的真空源，解決了傳統真空取氣方法脫氣率不穩的難題，脫氣率年變化率小于2%；脫氣裝置創新設計了自動進樣模塊，可與色譜分析裝置無縫連接，實現了色譜分析全過程自動化，最大限度減小了人為誤差和隨機誤差，提高了色譜分析的準確性，為充油電力設備的狀態評估提供可靠依據，推廣應用前景廣闊。

[1]王南蘭，邱德潤.油中溶解氣體分析的變壓器故障診斷新方法[J].高電壓技術，2006，32（6）∶35-37.

[2]黃獻濤.淺談變壓器運行中異常現象的檢修與維護[J].江蘇電機工程，2009，28（5）∶14-16.

[3]朱孟周，王靜君.配電變壓器絕緣故障分析[J].江蘇電機工程，2013，32∶40-42.

[4]GB/T 17623-1998絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法[S].北京：中國標準出版社，1998.

[5]文德斌，李凱，江輝.變壓器油溶解氣體分離系統的改進[J].中國電力，2012，45（11）∶70-73.

[6]操敦奎，許維宗，阮國方.變壓器運行維護與故障分析處理[M].北京：中國電力出版社，2008.

（本文編輯：方明霞）

Study of a New Insulating Oil Degassing Technology based on Constant Vacuum

ZHU Hongbin，ZHANG Xiaoqin，YU Xiang，WANG Chen，LIU Jianjun
（Electric Power Research Institute of Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 211103，China）

The traditional vacuum degassing is not stable in efficiency.The paper introduces a degassing method based on"constant vacuum"and develops a new vacuum degassing device.The cylinder is designed to combine with linear motor to replace traditional vacuum pump，providing constant vacuum source for degassing.The gas is transferred in time in constant vacuum to improve gas resolving and balancing speed to completely avoid gas re-tdissolution.The new device is stable in degassing insulation oil and the annual change rate is less than 2%；moreover，it is automatically operated in cleaning，vacuum，degassing and sampling injection，reducing human errors and random errors to the greatest extent during sample process and ensuring accuracy of chromatographic analysis on component content of the dissolved gases in the insulation oil.

insulating oil；chromatographic analysis；degassing device；degassing efficiency；constant vacuum

TM855+.1

B

1007-1881（2015）12-0016-03

2015-10-09

朱洪斌（1966），男，高級技師，從事電力用油、氣理化分析及用油氣設備的故障預警評估、診斷工作。