變壓器油氣分離及數(shù)據(jù)通信技術(shù)研究

榮偉 劉慶寶 王鵬

【摘 要】油氣分離硬件單元是系統(tǒng)中后續(xù)處理工作的前提保障，選取合適的取油樣位置可提高監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性，而選擇合適的油氣分離方式可以保證整個(gè)檢測過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信關(guān)系到采集分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確上傳以及邏輯分析，對(duì)系統(tǒng)故障預(yù)測及故障判斷有著至關(guān)重要的作用，通訊系統(tǒng)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)變壓器故障判斷和分析的保障。

【關(guān)鍵詞】變壓器；油氣分離；數(shù)據(jù)通信技術(shù)；研究

一、項(xiàng)目背景和現(xiàn)狀

對(duì)于變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)中的油氣分離技術(shù)所采用的分離方法主要有抽真空取氣法、毛細(xì)管取氣法、薄膜取氣法三大類。加拿大變壓器色譜裝置在我國尚無范圍性應(yīng)用先例，效果有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。，薄膜取氣法是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、最簡單有效的油氣分離方法，在世界性研究范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信系統(tǒng)目前多采用由一個(gè)主機(jī)、多個(gè)終端機(jī)組成的主從式控制系統(tǒng)完成信息通信功能，將主機(jī)控制屏放在變電站主控室，終端機(jī)放在現(xiàn)場變壓器旁與主機(jī)完成信息通信。通訊方式目前多采用232通訊、RS422通訊以及RS485通訊技術(shù)。

二、研究內(nèi)容

1.研究內(nèi)容

從理論上研究了氣體取樣方式和目前主要的油氣分離膜的分離特性。研究取油樣的合適位置來給檢測試驗(yàn)提供充分保證。研究了氣體分離后系統(tǒng)對(duì)濃度參量的要求、系統(tǒng)通信功能的建立方式，還研究了檢測系統(tǒng)所需采用的系統(tǒng)控制方式。

2.系統(tǒng)組成

（1）高分子膜油氣分離技術(shù)

薄膜取氣法是目前應(yīng)用最廣泛、最簡單有效的油氣分離方法。

（2）高分子膜油氣分離原理

高分子膜的滲透機(jī)理是按溶解？滲透過程進(jìn)行的。把裝有高分子膜的氣室安裝在一個(gè)盛有絕緣油的封閉容器中，則油中的氣體分子就會(huì)撞擊膜的表面并且融到膜的分子骨架中，其溶解的速度與標(biāo)氣的濃度成正比，已經(jīng)溶解在高分子膜中標(biāo)氣也會(huì)向膜兩側(cè)的氣、液兩相擴(kuò)散。

（3）分離滲透性能改進(jìn)與試驗(yàn)

對(duì)分離滲透的性能通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)裝置為一個(gè)高3m 容積50升的不銹鋼容器，內(nèi)裝絕緣油，在其側(cè)面有一個(gè)10ml的氣室，氣室與容器接合處的直徑為24mm，透氣膜被固定在這里。盛油容器配有可控加熱器和攪拌器，通過將未分解油和已分解油按一定比例混合來控制油中氣體濃度。選擇聚酰亞胺膜、PFA膜、常規(guī)聚四氟乙烯膜、多孔聚四氟乙烯膜來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)均是在油溫60攝氏度條件下完成。

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后可以看出，聚酰亞胺膜的滲透有選擇性，僅對(duì)H2有較好的滲透性能，飽和時(shí)間為40小時(shí)，比較適用于H2 型在線監(jiān)測系統(tǒng)。PFA膜、常規(guī)聚四氟乙烯膜、多孔聚四氟乙烯膜均能滲透H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六種氣體，PFA膜和常規(guī)聚四氟乙烯膜對(duì)全部六種氣體的滲透飽和時(shí)間分別為80小時(shí)和100小時(shí)，而多孔聚四氟乙烯膜只需24小時(shí)就可達(dá)到滲透飽和。聚四氟乙烯膜上加了微孔后，滲透速度有很大改善，明顯優(yōu)于其它的透氣膜，可用于所設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)一天時(shí)間內(nèi)完成油氣分離。

（4）微孔對(duì)聚四氟乙烯膜強(qiáng)度和滲透性能的影響

一般來說，高聚物材料的破壞無非是高分子主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或是高分子鏈間相互作用力的破壞。因此，從構(gòu)成高分子鏈化學(xué)鍵的強(qiáng)度和高分子鏈間相互作用力的強(qiáng)度可以估算高聚物材料的理論強(qiáng)度，其中一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式是σ=0.1E，這里σ是斷裂強(qiáng)度，E是楊化模量。在實(shí)驗(yàn)中也確實(shí)發(fā)現(xiàn)，微孔孔徑越大，膜強(qiáng)度越低，但當(dāng)孔徑小于10nm時(shí)，多孔聚四氟乙烯膜的強(qiáng)度與常規(guī)聚四氟乙烯膜基本相同。另一方面，孔徑的大小影響了薄膜對(duì)氣體的滲透性能，孔徑越大，氣體的滲透速度越快。通過對(duì)最不容易滲透的C2H6的實(shí)驗(yàn)，我們得出如圖所示孔徑與滲透時(shí)間的關(guān)系，橫坐標(biāo)表示孔徑大小，縱坐標(biāo)是滲透飽和時(shí)間。在一定范圍內(nèi)，滲透時(shí)間隨孔徑增大而減少，而超過此范圍就趨于飽和。綜合考慮了機(jī)械強(qiáng)度和滲透速度之后，取孔徑為8-10nm，這樣既保留了聚四氟乙烯膜原有的強(qiáng)度，又充分提高了透氣速度。膜的厚度同樣影響滲透能力和強(qiáng)度，本文對(duì)所用的0.18mm厚度的膜，做了綜合耐壓試驗(yàn)，采用3m高的油壓，油溫維持在80攝氏度，網(wǎng)狀補(bǔ)強(qiáng)板的網(wǎng)孔直徑取為1mm，耐壓3個(gè)月后，透氣膜無破損和漏油現(xiàn)象，說明膜的強(qiáng)度符合要求。

（5）油氣分離測量范圍的確定

在對(duì)油氣分離硬件單元設(shè)計(jì)時(shí)需設(shè)定油中各種氣體的最小檢測精度和注意值，其中氣體平衡常數(shù)K及相應(yīng)檢測值設(shè)定如下表所示。

（6）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通訊傳輸設(shè)計(jì)

由于主機(jī)和終端機(jī)之間距離較遠(yuǎn)，為保證通信可靠性，采用RS422串行通信方式。此種通訊方式易于擴(kuò)展，方便增減終端。

（7）主機(jī)控制功能的實(shí)現(xiàn)

主機(jī)控制屏包括主控上位機(jī)和中央控制器，中央控制器以DSP為CPU，主要功能就是定時(shí)開機(jī)，即每隔設(shè)定時(shí)間自動(dòng)開啟終端轉(zhuǎn)換檢測裝置啟動(dòng)檢測，檢測完畢自動(dòng)關(guān)閉電源，整個(gè)過程不需要人工干預(yù)，系統(tǒng)可以在無人值守情況下長年運(yùn)行。系統(tǒng)在非檢測狀態(tài)時(shí)，只有中央控制器工作在計(jì)時(shí)狀態(tài)，控制屏上位機(jī)進(jìn)行歷時(shí)數(shù)據(jù)顯示、查詢等功能。終端機(jī)和主機(jī)均不帶電，這樣平時(shí)傳感器、六通閥電機(jī)、終端電路均不帶電，最大限度延長終端機(jī)使用壽命。主控上位機(jī)的功能包括人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)接收及處理、絕緣診斷及結(jié)果顯示、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表打印等。

三、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）對(duì)多種分離膜的透氣速度及滲透特性進(jìn)行了試驗(yàn)比較，對(duì)各類滲透特性做出統(tǒng)計(jì)分析，選出透氣性能和滲透時(shí)間兼顧的滲透膜；

（2）研究薄膜微孔滲透方式，微孔可提高膜的滲透能力，在理論分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)孔徑對(duì)滲透能力和膜強(qiáng)度的影響也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。并對(duì)薄膜孔徑進(jìn)行研究，確定最佳孔徑，可以同時(shí)滿足滲透時(shí)間和強(qiáng)度的要求；

（3）研究用于在線監(jiān)測系統(tǒng)的邏輯控制系統(tǒng)，包括主機(jī)控制屏和多個(gè)現(xiàn)場終端機(jī)，使邏輯控制功能滿足檢測系統(tǒng)要求；

（4）研究設(shè)計(jì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，對(duì)于每個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行保存分析，作為歷史記錄可被查詢調(diào)用，并與專家診斷系統(tǒng)互聯(lián)，共享數(shù)據(jù)。

四、應(yīng)用成果

該技術(shù)在電力管理總公司220kV新孤變試運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)：（1）進(jìn)行油氣分離檢測時(shí)檢測精度下限達(dá)到1uL/L（1ppm）；（2）數(shù)據(jù)庫故障診斷覆蓋率>90%；（3）數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)故障預(yù)測正確率>85%。

五、結(jié)論

該技術(shù)在電力管理總公司220kV新孤變試運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場設(shè)備試驗(yàn)安裝后，可完成油氣中基本氣體的色譜在線分析，并可將分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳保存，邏輯控制回路運(yùn)行效果良好，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，適合在電力管理總公司內(nèi)部全面推廣

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙笑笑等.變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測技術(shù)評(píng)述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009（23）：187-191