氣體在變壓器油中溶解特性的試驗研究及應用

王海飛

(中國電力國際有限公司技術中心， 江蘇 蘇州 215123)

0 引言

變壓器運行過程中，受溫度、電場、氧氣和銅、鐵等材料的催化作用影響，絕緣油和固體絕緣材料會發(fā)生老化和分解反應，產生H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等氣體，分子經擴散、對流、交換、釋放等傳質過程在變壓器油中達到暫時溶解平衡，其含量及變化趨勢對于判斷變壓器是否存在潛伏性故障具有重要意義[1-3]。

氣體在變壓器油中的溶解是一個非常復雜的過程，環(huán)境溫度、壓力和油自身組成、精煉程度、溶解飽和程度、系統(tǒng)密封性等都會影響氣體的溶解，通過研究溶解特性對于實際工作中提高變壓器故障診斷結果可靠性和標準油樣配制準確性都具有重要意義。日本科學家就溫度和壓力對不同氣體在變壓器油中的溶解曾進行了深入研究，結果表明H2、CO等氣體的溶解度隨溫度上升而增加，低分子烴類氣體及CO2氣體在油中的溶解度則隨溫度升高而下降，壓力變化對不同氣體的溶解影響規(guī)律又不盡相同[4]。

專業(yè)工作人員分析油樣時經常遇到油樣脫氣量少、密封性較差影響故障判斷準確性的困擾，為解決這些問題，筆者從平衡氣在油樣檢測過程中的作用、飽和程度和體系密封性對溶解的影響等角度對氣體在變壓器油中溶解和逸散特性進行了模擬試驗和研究。

1 試驗

對平衡時的某氣體i而言，它溶解在變壓器油中的濃度Co，i與在氣相中的濃度Cg，i服從亨利定律Co，i=KiCg，i，Ki為i的分配系數(shù)，與油溫度、組成和溶解氣體分子結構有關，而與被測氣體的實際分壓無關。表1列出了GB/T 17623《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》、GB/T 7252《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》公布的50℃測定部分氣體Ki值，變壓器油對H2和CO的溶解能力較弱，對CH4、C2H4、C2H6、C2H2的溶解能力較強。

表1 1atm、50℃時各氣體組分Ki值

1.1 氣體在變壓器油中的溶解

1.1.1 特征氣體的溶解

特征氣體通常是指CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2、CO、CO2等7種對判斷變壓器潛伏性故障具有重要參考意義的氣體，為考察溶解飽和程度(含氣量)不同對氣體在變壓器油中溶解的影響，我們進行了如下試驗。選取三種不同生產廠家和型號的變壓器油，分別編號1A、2A、3A；再取一組上述三種油樣，并分別編號1B、2B、3B，以100mL/min的流速向這三份油樣中通入氮氣約3分鐘，每種油樣各用100mL玻璃注射器各取40mL油樣，并加入5mL濃度如表2所示的原料氣。

表2 原料氣濃度

經過震蕩靜置后，檢測兩支油樣的溶解氣體含量(見表3)，以溶解飽和程度較低的油樣A作為基準，將油樣B與之比較，分別計算三種變壓器油的溶解飽和程度同油樣之間溶解氣體檢測結果的偏差。

表3 不同含氣量對氣體在變壓器油中溶解的影響 單位：μL/L

通過以上3組對比試驗可以看出，溶解飽和程度高的油樣中各組分濃度和溶解飽和程度低的油樣相比，偏差在20%左右，H2濃度兩者之間相差近30%。可見含氣量對變壓器油溶解氣體具有較大的影響，其他條件相同時，含氣量較低的變壓器油溶解能力更強。

在選用震蕩脫氣法對變壓器油中溶解氣體分析時，經常遇到震蕩脫氣脫出氣體量很少的問題，個別超高壓、特高壓變壓器油脫氣量甚至低于1mL，遠不能滿足進樣需求，導致分析數(shù)據(jù)誤差較大，并間接增加變壓器運行狀態(tài)評估不確定性。為此，本文對同一種平衡氣不同加入量和等量加入不同類型平衡氣得到的脫氣量進行了理論和試驗研究。

1.1.2 平衡氣的溶解

平衡氣的選擇和分析對象有關，為了避免產生較大背景干擾，通常選擇與載氣一致的氣體。當只對CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2、CO、CO2七個組分分析時，一般選擇N2作為平衡氣；當還需要分析N2和O2進行時，選擇Ar氣作平衡氣。

對待檢測油中溶解的某一氣體i而言，假設油中已溶解的濃度為Ci，油體積為Vo，達到平衡后脫出的氣樣體積為Vg，i濃度為Ci1。油的體積由于溫度升高會有一定膨脹，但由于其影響十分有限，在此我們不予考慮。根據(jù)物料平衡有

CiVo=Ci1Vg+Ci1VO/Ki，Ci=(Ci1Vg+Ci1VO/Ki)/Vo

(1)

假設油樣中溶解的N2含量極低，Co可以忽略不計。

(2)

當加入的平衡氣體積Vg變化時，脫出氣樣體積也會發(fā)生相應的變化，而此時公式(1)中脫出氣樣里待檢測對象i的濃度Ci1也已經發(fā)生了變化，所以加入的平衡氣體積雖然會影響到脫出氣樣的量，但是不會對油中溶解氣體的最終檢測結果造成影響。

有些單位在進行變壓器油中溶解氣體和含氣量分析時選用Ar作載氣，我們將其與N2相比進行了一個簡單的比對試驗。選取3種不同生產廠家的變壓器油，每種各取3份40mL，分別編號1D、1E、1F，2D、2E、2F，3D、3E、3F，1D、2D、3D分別加入10mLAr，1E、2E、3E分別加入5mLN2+5mLAr，1F、2F、3F分別加入10mLN2，升溫至50℃然后震蕩、靜置后對比脫氣量(見表4)。

表4 不同平衡氣對脫氣量的影響

從上表4組對比數(shù)據(jù)可以看出，加入等體積的Ar和N2兩份油樣相比，加入Ar的油樣脫氣量遠小于加入N2的油樣，Ar比N2更容易溶解在變壓器油中。除進行O2、N2分析這一特殊情況需要Ar作載氣和平衡氣外，使用N2作載氣和平衡氣能得到更多脫氣量，可有效減小檢測誤差，提高故障診斷可靠性。

1.2 氣體從變壓器油中的逸出

氣體從變壓器油中逸散是一直伴隨著溶解的動態(tài)過程，當變壓器油儲存在敞開體系時，外部空氣中的氮氣和氧氣會不斷溶解于油樣，溶解在油中的氣體也會不斷向外逸散，逸散速度跟外界氣壓、環(huán)境溫度等因素有關，氣壓越大、溫度越高，分子逸散速度越快；氣壓越低、溫度越低，分子逸散速度越慢。芬蘭科學家R.Anderson曾對油溫造成的油中溶解氣體逸散損失進行過研究，結果表明如果溫度變化幅度為ΔT=10℃，則在1天內氫氣的逸散損失率約為2.5%/天，甲烷約為0.7%/天，其他烴類氣體約為0.2%/天[5]。結合生產實際，從體系密封性能、氣相空間大小兩方面對油中氣體逸散的影響設計了如下試驗。

1.2.1 敞開體系中溶解氣體的逸散

選取一份濃度較高的油樣并測得各組分初始濃度，然后將油樣轉移至容積為2L的燒杯中，在1、2、3、4、5、6小時后連續(xù)取樣，檢測油中溶解氣體的濃度變化(見表5)。

表5 各氣體組分濃度隨時間變化 單位：μL/L

各組分濃度以初始值為基準，繪制濃度隨時間的變化曲線(見圖1)。

圖1 各氣體組分濃度隨時間變化

從試驗結果來看，隨著時間的推移，存放在敞開式容器內的變壓器油中各種溶解氣體都會發(fā)生逸散，濃度呈不斷降低趨勢。H2由于分子最小，逸散速度最快，6個小時后油樣中的濃度只有原來的60%左右；CO和CH4次之，C2H6、C2H4、C2H2、CO2逸散速度較為接近，但濃度也只有原來的80%左右。而在密封體系內，油樣與外界隔絕，濃度會保持基本不變。

1.2.2 密封體系不同氣相空間的影響

選取一份濃度較高的油樣，然后準備6只100mL玻璃注射器各取40mL油樣，1支密封保存，其余5支分別加入5mL、10mL、20mL、30mL、40mL空氣，靜置2小時后排出加過空氣的5支注射器內空氣，并測得全部6支注射器內油中溶解氣體含量(見表6)。

表6 各氣體組分濃度隨空氣體積變化

各組分濃度以未加空氣的注射器內油樣為基準，繪制各支油樣濃度隨注射器內空氣與變壓器油體積比(0、0.125、0.25、0.50、0.75、1)變化而變化的曲線(圖2)。

圖2 油中濃度隨空氣和油體積比的變化

對表5中的數(shù)據(jù)和圖2分析，裝有同一油樣的6支玻璃注射器之間相比，靜止狀態(tài)的密封體系內的氣腔也會導致氣體從油中逸散，而且隨著空氣體積增加，油樣濃度降低得也越多；不同組分之間相比，逸散比例不同，H2損失最多，其次是CO和CH4。

上述試驗表明：

(1)特征氣體在變壓器油中的溶入受油樣自身溶解飽和程度影響，飽和程度越高，變壓器油后續(xù)溶解能力越差；

(2)同一份油樣加入不等量的平衡氣得到的脫氣量不同，但不會影響最終計算結果；同一份油樣等量加入不同類型平衡氣得到的脫氣量亦不相同；

(3)在敞開體系和含有氣相空間的密閉體系內，變壓器油中的溶解氣體都會不同程度地持續(xù)逸散。因此，為了保持油樣濃度的穩(wěn)定性，儲存油樣時不但要保證良好的密封性，而且還要盡量避免內部存在氣腔。

2 應用

2.1 故障診斷分析

現(xiàn)場取變壓器油樣品時，應嚴格執(zhí)行GB/T 7597《電力用油(變壓器油、汽輪機油)取樣方法》，注意隔絕空氣和密封以保證取樣的代表性，并盡量避免產生小氣泡。在開展變壓器油中溶解氣體分析時，還會遇到因某些原因導致未能得出可靠結果的情況。此時若無法復測，不能及時診斷出變壓器存在的潛伏性故障，將嚴重危害設備安全運行；或因專業(yè)人員檢測過程中操作失誤導致正常運行的變壓器被誤診有異常，同樣也會影響變壓器正常運行[6,7]。

圖3 二次平衡流程圖

針對這一問題，結合氣體溶解平衡原理和氣體在變壓器油中的溶解特性，可利用一次振蕩平衡后剩余的油樣，再次加入平衡氣進行振蕩、靜置，取二次平衡后的氣樣分析，由二次平衡后的氣樣分析結果，推導計算原始待測油樣中各組分濃度，并與第一次實測結果比較，最終得出可靠結果，具體流程見圖3。

通過測定平衡氣體中各組分濃度，并根據(jù)分配定律和物料平衡原理，導出待測油樣中溶解氣體各組分濃度的計算公式:

當?shù)谝淮螠y試結果反映充油電氣設備存在異常時，可以通過第二次振蕩平衡法測試計算出推導值，及時驗證數(shù)據(jù)準確性，與第一次測試結果比較，判斷充油電氣設備是否確有故障，有效提高分析結果可靠性，及時發(fā)現(xiàn)設備存在的潛伏性故障，確保設備安全穩(wěn)定運行。

2.2 標準樣品配制

日常工作中，經常需要配制大量多個不同濃度的變壓器油標準樣品，開展實驗室間比對等工作或將在線監(jiān)測儀器和實驗室儀器進行比對[8,9]。傳統(tǒng)的配制方法為向裝有新變壓器油的配油裝置內直接通入一定體積的原料氣的方式，隨著油樣的不斷使用，系統(tǒng)內的氣相空間不斷增大，導致原本溶解在變壓器油中的氣體不斷向外逸散，油樣濃度穩(wěn)定性很差，而且由于缺乏針對油樣濃度和變壓器油體積、原料氣濃度和注入體積之間關系及影響因素的研究，導致配制濃度和預期值之間偏差較大，很難實現(xiàn)大量油樣準確配制[10,11]。

與對變壓器油中溶解氣體進行分析相反，配制變壓器油標準樣品則是使氣體充分溶解于變壓器油中的過程，要解決的是怎樣由現(xiàn)有油樣準確配制出濃度符合要求的油樣，以及在短期內保持油樣濃度穩(wěn)定的問題。依據(jù)氣液溶解平衡原理，結合前述對氣體在變壓器油中溶解和逸散的試驗研究結果，我們提出了“定量進氣法”和“母液稀釋法”兩種標準油樣配制方法，建立起已有油樣濃度和需配制油樣目標濃度之間的關系，設計了兩套不同原理的配制裝置。

2.2.1 定量進氣法

“定量進氣法”即使原料氣體快速溶解于變壓器油中達到平衡。在密閉體系內裝有體積為V油的新變壓器油，系統(tǒng)內余下的氣相體積為kV油，充入體積為V原、某組分i(新油中不含有)濃度為C原，i的原料氣達到溶解平衡后，如i在油中的濃度為Co，i，依據(jù)物料平衡有：

C原，iV原=VoCo，i+VgCg，i=VoCo，i+kVoCo，i/Ki=VoCo，i(1+k/Ki)

當k/Ki遠小于1時，有C原，iV原=VoCo，i，即雖然氣相中還有少量i未溶解在油中，但由于氣相體積很小，可以近似認為充入的原料氣全部溶解在新油中。反過來，如需要配制上述油樣，需充入的原料氣體積V原=VoCo，i/C原，i。若系統(tǒng)內已有油樣濃度為C1，欲配制濃度為C2(C2>C1)的油樣，則需要充入的原料氣為V原=(C2-C1)/C原。該方法配制油樣要求系統(tǒng)具備良好的密封性能，氣相空間體積足夠小。

依據(jù)該方法我們設計了如圖4所示的變壓器油定量進氣法樣品配制裝置，為了保證系統(tǒng)氣密性，在系統(tǒng)中部內置了一個充氣式耐油膠囊(21)，配制油樣時先向膠囊內充入一定壓力的空氣，并使其處于壓縮狀態(tài)，使用過程中隨著油液位的下降膠囊自動膨脹，以補償液位下降增加的氣相空間體積，減少油中溶解氣體逸散，保證系統(tǒng)良好的密封性和油樣濃度穩(wěn)定。

圖4 變壓器油定量進氣法樣品配制裝置

該裝置能通過加溫和循環(huán)使裝置模擬油在變壓器內溶解的真實情況，可實現(xiàn)變壓器油標準樣品的精確配制，已獲得實用新型專利授權(CN2015203657405)，基于該方法和裝置申請的發(fā)明專利《變壓器油定量進氣法及其樣品配制裝置》 (CN201510290782.1)也已獲得受理。

2.2.2 母液稀釋法

為了提高工作效率，我們還建立了一種“母液稀釋法”，即先對系統(tǒng)內已有油樣抽真空，使其處于微負壓狀態(tài)，然后配制出一份濃度很高的油樣作為母液，再根據(jù)母液濃度和油箱中油樣的初始濃度，計算得出配制目標濃度的油樣需要的母液加入量，在油樣配制系統(tǒng)內對母液進行稀釋從而得到所需濃度的變壓器油標準樣品。

現(xiàn)有的配油系統(tǒng)內裝有體積V1的變壓器油，油液上部氣相體積為V2，油中溶解的i組分濃度為Ci1，欲配制i組分濃度為Ci2的油樣，已有母液中i濃度為Ci0，計算需要加入母液的體積為Vx。根據(jù)物料平衡和氣液平衡原理，有

Ci0Vx+Ci1V1+Ci1V2/Ki=Ci2(V1+Vx)+Ci2(V2-Vx)/Ki

當氣相體積相對于系統(tǒng)容積足夠小時，有Vx=V1(Ci2-Ci1)/(Ci0-Ci2+Ci2/Ki)。

依據(jù)該方法我們設計了圖5所示的變壓器油母液稀釋法樣品配制裝置，包括油箱，油箱設有壓力表、溫度傳感器和加熱單元，油箱頂部設有通孔和循環(huán)孔，底部設有另一個循環(huán)孔，兩個循環(huán)孔分別通過管道連接到循環(huán)裝置，通孔通過管道連接到出氣裝置；油箱頂部設有氣孔，氣孔連接到真空裝置，油箱底部設有檢測口，循環(huán)裝置設有液壓缸、母液槽、進油裝置和活塞控制裝置，可精確的配置變壓器油的樣品。

圖5 變壓器油母液稀釋法樣品配制裝置

基于上述研究成果申請的兩項發(fā)明專利《變壓器油母液稀釋法及其樣品配制裝置》(CN201510290781.7)和《變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測儀檢驗裝置及方法》(CN201510290893.2)均已獲得授權，中電聯(lián)團體標準T / CEC 141-2017《變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝及驗收規(guī)范》已于2017年5月15日發(fā)布。

3 總結

(1)氣體在變壓器油中的溶解會受到溫度、壓力等多種因素影響，含氣飽和程度對后續(xù)氣體的溶解也有較大影響，含氣量越低，再溶解效率越高。

(2)平衡氣的種類和加入量會影響脫氣量，但不會影響溶解氣體最終檢測結果；檢測含氣量較低的變壓器油時，可通過改變平衡氣類型或增加平衡氣加入量得到更多脫氣量，便于完成分析和減小誤差。

(3)將溶解特性試驗與氣體溶解平衡原理相結合，通過“二次平衡法”對缺少平行樣的油樣進行分析能準確返算溶解氣體初始濃度，提高故障診斷可靠性。

(4)提出“定量進氣法”和“母液稀釋法”兩種變壓器油標準樣品配制方法，并設計了兩種已獲得專利授權的油樣配制裝置。