陶瓷膜應(yīng)用于變壓器油氣分離的研究

黎衛(wèi)文，譚建敏，梁湛原，張 麗

（1.廣東電網(wǎng)公司 肇慶供電局，廣東 肇慶 526000；2.廣東威恒電力技術(shù)開發(fā)有限公司，廣東 佛山 528000）

變壓器油溶解氣分析是大型充油電力設(shè)備健康監(jiān)測的重要手段.通過對變壓器絕緣油中的特征故障氣體進(jìn)行定量分析，可以及時掌握變壓器的運行狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行必要的維護［1-3］.鑒于目前并沒有一種方法可以直接對溶解在油中的氣體進(jìn)行檢測，因此把溶解在變壓器油中的故障氣體高效地分離出來是實現(xiàn)變壓器實時在線監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［4-5］.

早期應(yīng)用的油氣分離方法主要有多普勒脫氣法和部分脫氣法，它們基本能實現(xiàn)完全脫氣，但是需要活塞做真空處理，操作繁瑣，不適于在線監(jiān)測使用.近年來研究比較廣泛的是高分子膜溶解—滲透油氣分離方法［6-8］，這種方法結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定.目前使用較多的高分子膜有聚全氟乙丙烯膜（FEP）、聚四氟乙烯毛細(xì)管膜（GP100）、中空纖維復(fù)合膜以及帶微孔的聚四氟乙烯膜等，但是這些有機高分子膜也普遍存在氣體滲透率低、在線監(jiān)測響應(yīng)時間長的問題，油氣平衡時間往往長達(dá)十幾個小時甚至是數(shù)天，不能很好地滿足在線監(jiān)測的要求.

相比于有機高分子膜，無機膜具有耐高溫、耐微生物、化學(xué)穩(wěn)定性好、機械強度高、易清洗再生和孔徑分布集中等優(yōu)點，已在食品、藥物等液體分離領(lǐng)域得到應(yīng)用，其中比較有代表性的就是陶瓷膜.而且隨著陶瓷膜制備工藝的改善，其過濾孔徑可以達(dá)到30 nm以下，成為有機高分子膜的有力競爭對手.國內(nèi)外也已出現(xiàn)了將其與有機高分子膜結(jié)合應(yīng)用于變壓器油氣分離領(lǐng)域的相關(guān)研究［9-13］，但是未見單獨用陶瓷膜進(jìn)行油氣分離的研究工作.筆者提出單獨采用陶瓷膜進(jìn)行油氣分離的設(shè)想，設(shè)計基于陶瓷膜的油氣分離膜組件，測試該組件對于變壓器典型故障氣體C2H2的脫氣性能，并與傳統(tǒng)有機膜進(jìn)行比較.

1 膜分離機制

傳統(tǒng)的有機膜油氣分離機制可以用溶解擴散模型進(jìn)行描述，如圖1所示，膜的一側(cè)直接與變壓器油接觸，另一側(cè)是一個隔離出的小型氣室，兩側(cè)的氣體分子因熱運動而逐漸趨于平衡，平衡后氣相中氣體的體積分?jǐn)?shù)與油中溶解氣體的體積分?jǐn)?shù)存在一定的換算關(guān)系，因此，通過測定氣室中氣體的體積分?jǐn)?shù)便可以計算得到油中溶解氣體的濃度.

這種結(jié)構(gòu)相對簡單，在線監(jiān)測上只要將膜固定好，在長期運行中很容易達(dá)到穩(wěn)定可靠的性能，比其他油氣分離方法簡單，但是傳統(tǒng)有機膜普遍存在一個致命的缺點——平衡時間比較長.

區(qū)別于傳統(tǒng)的有機膜，筆者采用的微孔陶瓷膜是一種“錯流過濾”形式的流體分離過程：變壓器油在膜管內(nèi)高速流動，膜管外是隔離出的小型氣室.陶瓷膜截面如圖2所示，為多通道管狀結(jié)構(gòu)，管壁密布微孔.

陶瓷膜的油氣分離過程主要是依靠氣體分子的熱運動而使得油液內(nèi)外氣體濃度逐漸趨于平衡，不同的是變壓器油在膜管內(nèi)流動過程中會產(chǎn)生內(nèi)壓，在壓力的驅(qū)動下沿垂直方向向外滲透，滲透過程中油液壓力逐漸減小，導(dǎo)致溶解于其中的故障氣體溶解度降低，從而使得氣體分子更容易逸出，縮短平衡所需時間.此外，這種形式的過濾相比于傳統(tǒng)有機膜的終端過濾形式，大大增加了過濾的面積，也使之更容易達(dá)到較短的平衡時間.最終的結(jié)果是含大分子組分的變壓器油液被膜分離層截留，而小分子氣體通過陶瓷膜管壁分離出去，從而達(dá)到油氣分離的目的.

2 油氣分離實驗

2.1 陶瓷膜油氣分離膜組件

陶瓷膜油氣分離膜組件包括陶瓷膜管、金屬外殼以及油、器導(dǎo)管接頭幾部分.陶瓷膜油氣分離膜組件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 陶瓷膜油氣分離膜組件結(jié)構(gòu)Figure 3 Oil and gas separation membrane structure

外殼為管式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為304不銹鋼，兩端采用法蘭盤進(jìn)行連接，法蘭盤上接有Swagelok6.0接口作為油的進(jìn)出通路，陶瓷膜組件外殼壁開設(shè)2個氣體循環(huán)通路.

外殼內(nèi)裝有過濾孔徑50nm的內(nèi)壓式陶瓷膜管，陶瓷膜管與外殼之間形成小型氣室.變壓器絕緣油通過2個油路接口在陶瓷膜管內(nèi)循環(huán)流動，溶解在絕緣油中的故障氣體沿陶瓷膜管外壁分離出去，再通過2個氣路接口與氣體檢測單元連接.該組件中，油路和氣路之間的隔離密封采用的是硅膠圈.

2.2 實驗平臺

實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示.在油箱內(nèi)采用高壓擊穿放電的形式模擬產(chǎn)生變壓器油中溶解的微量故障特征氣體（主要是C2H2），放電電壓約為15kV，放電電流在1.5mA左右.測試中陶瓷膜組件直接與油箱連接，油箱內(nèi)裝有約2L標(biāo)準(zhǔn)變壓器絕緣油，放電一定時間后，在蠕動泵驅(qū)動下，變壓器絕緣油在陶瓷膜脫氣組件中循環(huán).

圖4 實驗平臺結(jié)構(gòu)Figure 4 Experimental platform structure

分離出的氣體在氣泵循環(huán)下進(jìn)入光聲池內(nèi)進(jìn)行定量檢測.采用近紅外光聲光譜氣體檢測儀進(jìn)行氣體檢測，該系統(tǒng)為基于可調(diào)諧摻鉺光纖環(huán)形激光器（TEDFL）和摻鉺光纖放大器（EDFA）的高靈敏度光聲光譜氣體檢測儀［14］，所測得的C2H2光聲信號與C2H2標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的關(guān)系如圖5所示，可以看出：C2H2氣體的濃度值和光聲信號的峰值信號呈線性關(guān)系.因此，實驗中直接以測得光聲信號峰值的幅度表示C2H2氣體的濃度.

圖5 C2H2氣體濃度和光聲信號峰值關(guān)系Figure 5 Diagram of relationship between acetylene gas concentration and photoacoustic signal peak

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 脫氣性能測試

在實驗室室溫條件下，測試陶瓷膜油氣分離膜組件對變壓器典型故障特征氣體C2H2的脫氣性能.測量前首先用N2對所有的氣路進(jìn)行持續(xù)20 min的清洗，以排除干擾.

在2L變壓器絕緣油中放電大約1min后開啟蠕動泵，驅(qū)動變壓器絕緣油在陶瓷膜管中不斷循環(huán)，期間每30min測量一次光聲池信號峰值的大小，即C2H2氣體濃度的大小.測得C2H2氣體光聲信號峰值大小隨絕緣油循環(huán)時間的關(guān)系如圖6所示，即氣相C2H2濃度和絕緣油在陶瓷膜油氣分離組件內(nèi)循環(huán)時間的關(guān)系.

圖6中每一個數(shù)據(jù)點均為5次測量平均值，其中，第1個數(shù)據(jù)點測量的是未放電情況下的本底信號.之后的數(shù)據(jù)點為放電后絕緣油在陶瓷膜組件內(nèi)不斷循環(huán)時的數(shù)據(jù)記錄（每30min進(jìn)行一次記錄，記錄期間通過蠕動泵控制，暫停陶瓷膜組件內(nèi)絕緣油的循環(huán)）.

圖6 光聲信號大小隨絕緣油循環(huán)時間的變化Figure 6 Curve of photoacoustic signal changing with insulation oil circulation time

由圖6可以看出，C2H2氣體濃度在6h左右趨于平衡，這一結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)有機物高分子膜十幾個小時乃至數(shù)天的平衡時間.

3.2 油中溶解C2H2氣體含量與放電時間關(guān)系的測試

實驗測試油中溶解C2H2氣體的含量與放電時間的關(guān)系，實驗條件與脫氣性能測試中條件保持一致（實驗室室溫，2L絕緣油，每輪實驗前用N2對所有氣路進(jìn)行20min的清洗）.通過改變絕緣油中高壓放電的時間，測得放電時間1～4min的光聲信號的變化，如圖7所示.由脫氣性能測試所得結(jié)果可知，放電后，溶解有微量C2H2氣體的變壓器絕緣油在脫氣裝置內(nèi)循環(huán)6h即可實現(xiàn)C2H2氣體脫氣平衡，因此，該節(jié)測量點就定在放電后脫氣6h時，以保證氣體含量測定的可靠性，同樣，每個數(shù)據(jù)點均為5次測量平均值.

圖7 C2H2氣體光聲信號峰值與放電時間的關(guān)系Figure 7 Diagram of relationship between acetylene gas photoacoustic signal peak and discharge time

理論上，放電時間不長的情況下，在絕緣油中放電后，溶解于油中的故障氣體含量與放電時間成正比.由圖7可見，經(jīng)過該組件進(jìn)行油氣分離而測得油中溶解的C2H2氣體含量隨放電時間的增加而增加，兩者幾乎成線性關(guān)系，這一結(jié)果與實驗預(yù)期吻合得很好，從而說明該陶瓷膜組件對于變壓器油中溶解氣體C2H2的分離具有很好的重復(fù)性，進(jìn)而證實該陶瓷膜組件進(jìn)行油氣分離的可靠性.

3.3 問題與討論

在該次對陶瓷膜油氣分離方法的研究中，也發(fā)現(xiàn)陶瓷膜油氣分離存在陶瓷膜對油分子的截留率不高的問題.在長時間使用過程中會有少量的油透過陶瓷膜外壁滲透出來，雖然不至于影響實驗的進(jìn)行，但是考慮到將來真正應(yīng)用于變壓器在線監(jiān)測油氣分離時的穩(wěn)定性和后期維護量，這也是必須解決的問題.

對此，筆者正在考慮換用過濾孔徑更小的陶瓷膜進(jìn)行實驗，同時也在考慮通過改善陶瓷膜組件的結(jié)構(gòu)，增加一個回流裝置來解決長期使用過程中滲油的影響.

4 結(jié)論

陶瓷膜應(yīng)用于變壓器絕緣油故障氣體的油氣分離，可以在6h內(nèi)實現(xiàn)C2H2的脫氣平衡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的有機高分子膜，可以滿足在線監(jiān)測的要求.因此，陶瓷膜油氣分離膜組件用于變壓器油氣分離可以提高變壓器在線監(jiān)測的可靠性和實時性.而且，陶瓷膜相比于傳統(tǒng)的有機高分子膜還具有化學(xué)穩(wěn)定性好、機械強度高、使用壽命長等優(yōu)點，再加上如今陶瓷膜技術(shù)發(fā)展十分迅速，而且過濾效果穩(wěn)定，是變壓器油氣分離膜領(lǐng)域一個很好的選擇.

［1］IEEE Std C57.104—1991.IEEE guide for the interpretation of gases generated in oil-immersed transformers［S］.

［2］GB／T 7252—2001.變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則［S］.

［3］周媛媛，劉功能，周力行，等.基于DGA的變壓器故障可視化診斷［J］.電 力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2010，25（3）：87-91.ZHOU Yuan-yuan，LIU Gong-neng，ZHOU Li-xing，et al.DGA based transformer faults visual diagnosis［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2010，25（3）：87-91.

［4］趙笑笑，云玉新，陳偉根.變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測技術(shù)評述［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（23）：187-191.ZHAO Xiao-xiao，YUN Yu-xin，CHEN Wei-gen.Comment on on-line monitoring techniques for dissolved gas in transformer oil［J］.Power System Protection and Control，2009，37（23）：187-191.

［5］劉棟梁，王新彥.淺議變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的脫氣技術(shù)［J］.江蘇電機工程，2009，28（3）：72-73.LIU Dong-liang，WANG Xin-yan.Discussion on de-gas technology of transformer oil dga online monitoring system［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2009，28（3）：72-73.

［6］李紅雷，張光福.變壓器在線監(jiān)測用的新型油氣分離膜［J］.清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，45（10）：1 301-1 304.LI Hong-lei，ZHANG Guang-fu.Oil-gas separation film used for transformer on-line monitoring［J］.Journal of Tsinnghua University：Science and Technology，2005，45（10）：1 301-1 304.

［7］劉先勇，鐘秋海，周方潔.從變壓器油中分離故障特征氣體的研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（2）：56-60.LIU Xian-yong，ZHONG Qiu-hai，ZHOU Fang-jie.Study on separating fault characteristic gases from transformer oil［J］.Automation of Electric Power Systems，2005，29（2）：56-60.

［8］郝勱，龍震澤，陳偉根.一種新型中空纖維膜的油氣滲透特性［J］.高壓電器，2012，48（5）：105-110.HAO Mai，LONG Zhen-ze，CHEN Wei-gen.Oil-gas permeability of a new hollow fiber membrane［J］.High Voltage Apparatus，2012，48（5）：105-110.

［9］禚莉，韓毓旺，等.陶瓷-Teflon AF2400復(fù)合油氣分離膜組件［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2009，29（5）：83-87.ZHUO Li，HAN Yu-wang.Ceramic-teflon AF2400 composite membrane for Oil-Gas separation［J］.Membrane Science and Technology，2009，29（5）：83-87.

［10］李洋流.基于膜分離與光聲光譜的絕緣油中溶解氣體在線分析技術(shù)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［11］Yuwang Han，F(xiàn)ei Ding.The oil–gas separation characteristics of ceramic／Teflon AF2400composite membrane［J］.Separation and Purifi-cation Technology，2012，88：19-23.

［12］Jeng-Dung Jou，Wayne Yoshida.A novel ceramic-supported polymer membrane for pervaporation of dilute volatile organic compounds［J］.Journal of Membrane Science，1999，162：269-284.

［13］Polyakov A M，Starannikova L E.Amorphous teflons AF as organophilic pervaporation materials Transport of individual components［J］.Journal of Membrane Science，2003，216：241-256.

［14］劉善崢，張望，于清旭.基于可調(diào)諧摻鉺光纖激光器和摻鉺光纖放大器的光聲光譜氣體分析儀［J］.中國激光，2009，36（4）：964-967.LIU Shan-zheng，ZHANG Wang，YU Qing-xu.Photoacoustic spectrometer based on the combination of tunable erbium doped fiber laser and erbium doped fiber amplifier［J］.Chinese Journal of Lasers，2009，36（4）：964-967.