變壓器油標準樣品配制方法試驗研究

祁　炯， 王海飛， 蘇鎮(zhèn)西， 姚鎮(zhèn)如， 趙　躍

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院， 安徽　合肥　230022；

2.山東中惠儀器有限公司， 山東　淄博　255088)

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變壓器油標準樣品配制方法試驗研究

祁炯1， 王海飛1， 蘇鎮(zhèn)西1， 姚鎮(zhèn)如2， 趙躍1

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院， 安徽合肥230022；

2.山東中惠儀器有限公司， 山東淄博255088)

摘要：結(jié)合變壓器油中溶解氣體檢測裝置檢驗工作對配制標準樣品的需求，針對現(xiàn)有變壓器油標準樣品配制方法存在的問題，通過對氣體在變壓器油中溶解及逸散的影響因素等進行試驗研究，建立了“定量進氣法”和“母液稀釋法”兩種變壓器油標準樣品快速配制方法，對于指導(dǎo)變壓器油樣品配制及相關(guān)工作開展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：變壓器油;油中溶解氣體;標準樣品

0引言

隨著帶電檢測和狀態(tài)檢修工作的推進，在線監(jiān)測、便攜式檢測等各種變壓器油中溶解氣體檢測裝置得到了廣泛應(yīng)用，通過配制變壓器油標準樣品、以實驗室測試數(shù)據(jù)為基準，對這些裝置開展入網(wǎng)檢驗和定期校驗工作也日益受到運行和管理單位的重視[1-5]。

對變壓器油中溶解氣體進行分析需要將氣體從變壓器油中脫出，與之相反，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的問題。近年來，有一些科研單位和儀器生產(chǎn)廠家研制出了不同原理的變壓器油樣品配制裝置，文章在前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)對氣體在變壓器油中溶解和逸散影響因素的試驗研究，提出了“定量進氣法”和“母液稀釋法”兩種配制方法，建立起已有油樣濃度和需配制油樣目標濃度之間的關(guān)系。

1氣體在變壓器油中溶解和逸散

變壓器油是由多種烴類、環(huán)烷烴、芳香烴及添加劑等組成的混合物，油自身組成、精煉程度、溶解飽和程度、氣體分子大小、擴散速度及環(huán)境溫度、壓力等都會在一定程度上影響氣體的溶解。對于運行中變壓器、電抗器等充油電氣設(shè)備而言，油內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡經(jīng)擴散和對流，不斷溶解于油中，傳質(zhì)過程為氣泡的運動、氣體分子的擴散、對流、交換、釋放與向外逸散[6]。當變壓器內(nèi)部存在潛伏性故障時，若產(chǎn)生氣體的速度很慢，氣體仍以分子形態(tài)擴散并溶解于周圍油中，即使油中氣體含量很高，只要尚未過飽和，就不會有自由氣體釋放出來；產(chǎn)氣速率很高時，除一部分氣體溶于油中之外，還會有一部分成為氣泡上浮，在其上浮過程中溶解度較大的故障氣體組分將原來油中溶解度較小的氣體組分從油中置換出一部分。氣體在單位時間內(nèi)和單位表面上的擴散量與濃度成正比，擴散系數(shù)不僅是濃度和壓力的函數(shù)，而且隨溫度增高或粘度降低而增大。充油設(shè)備內(nèi)各部位油之間的溫差促進其連續(xù)自然循環(huán)，即對流，通過對流，溶解于油中的氣體可轉(zhuǎn)移到充油電氣設(shè)備的各個部位，對于強迫油循環(huán)的變壓器，這種對流速度更快。因此，氣體在變壓器油中的溶解是一個非常復(fù)雜的過程。

在氣-油液兩相的密閉體系中，氣體溶解于油中并最終在某一壓力、溫度下達到溶解、析出平衡，服從亨利定律Co，i=KiCg，i，式中Co，i為在平衡時溶解在油中氣體組分i的濃度；Cg，i為在平衡條件，氣相中氣體組分i的濃度；Ki為氣體組分i的分配系數(shù)。Ki值與油的溫度、化學(xué)組成和溶解氣體的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與被測氣體的實際分壓無關(guān)。GB/T 17623-1998《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》公布的50℃測定各組分Ki值如表1[7,8]。

表1　1atm、50℃時各氣體組分Ki值

變壓器油長時間暴露在空氣中時，空氣中N2和O2將逐漸溶解，當溶解速度等于從油中析出速度時，達到飽和平衡狀態(tài)。常溫、常壓下，變壓器油最多能溶解占自身體積10%的空氣；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，烴類氣體的溶解度隨分子量增加而增加。溫度變化時，H2、N2、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。

基于上述原理，為了深入研究油樣配制過程，筆者從氣體在變壓器油中的溶解和溶解氣體從變壓器油中的逸散兩方面對油樣含氣量、系統(tǒng)密封性及氣體空間的不同等影響因素進行了一系列模擬試驗。

1.1不同含氣量對氣體溶解的影響

為了使充入的氣體能充分溶解在油中，傳統(tǒng)的配制方法一般先對變壓器油進行真空脫氣，使油樣含氣處于欠飽和狀態(tài)。為考察不同含氣量對油樣配制的影響，進行了如下比對試驗。選取含氣量不同的兩份油樣A(0.3%)和B(2.4%)，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(jīng)過震蕩靜置后檢測兩份油樣的溶解氣體含量，見表3。

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

通過以上對比試驗可以看出，含氣量的不同對氣體在變壓器油中的溶解會有一定影響，以含氣量小的一組油樣為基準，含氣量略高的一組油樣中溶解氣體濃度與之相比較低，兩者溶解H2和CO2之差較多，其他組分之差均不足10%。所以實際配制油樣時，只要油中溶解氣體含量較低，是否進行真空脫氣可根據(jù)需要自行選擇。

1.2油中溶解氣體的逸散

當變壓器油儲存在敞開系統(tǒng)時，溶解在油中的氣體會不斷向外逸散。逸散速度跟外界氣壓、環(huán)境溫度等因素有關(guān)，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(xué)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(jié)果表明如果溫度變化幅度為△T=10℃，則在1天內(nèi)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[9]。為了研究系統(tǒng)密封性能、氣相空間大小對油樣配制和儲存過程中氣體逸散的影響，筆者設(shè)計了如下兩個試驗。

1.2.1敞開系統(tǒng)中溶解氣體的逸散

配制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(zhuǎn)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4。

表4　各氣體組分濃度隨時間變化　　單位：μL/L

圖1　各氣體組分濃度隨時間變化

以各組分濃度初始值為基準，繪制濃度隨時間的變化曲線，見圖1。

從表4和圖1中的試驗結(jié)果來看，隨著時間的推移，裝在非密閉容器內(nèi)的變壓器油各溶解氣體組分都會不斷地逸散。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逸散速度相差不大，但油樣中的濃度也只有原來的80%左右。而在密封系統(tǒng)中，油樣與外界隔絕，濃度會保持基本不變。由此可見，系統(tǒng)的密封性對變壓器油中溶解氣體的逸散有重要影響。

1.2.2不同氣相空間對氣體逸散的影響

先配制一份濃度較高的油樣，然后準備6支100mL玻璃注射器各取40mL油樣，1支密封保存并測得其中溶解氣體濃度，其余5支分別加入5mL、10mL、20mL、30mL、40mL空氣，靜置2小時后排出注射器內(nèi)空氣，檢測各支注射器內(nèi)油中溶解氣體含量，見表5。

表5　各氣體組分濃度隨空氣體積變化

圖2　濃度隨空氣和油體積比的變化

各組分濃度以未加空氣的注射器內(nèi)油樣為基準，繪制各支油樣濃度隨注射器內(nèi)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，見圖2。

對表5中的數(shù)據(jù)和圖2分析能夠看出，裝有同一油樣的6支玻璃注射器之間相比，密封系統(tǒng)內(nèi)空氣的存在也會導(dǎo)致油中溶解氣體逸散，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。因此，盡量減少系統(tǒng)內(nèi)氣相的空間體積在油樣配制和儲存過程中對保持油樣濃度穩(wěn)定具有重要意義。

2油樣配制方法

傳統(tǒng)的油樣配制方法為向裝有新變壓器油的配油裝置內(nèi)通入一定體積的原料氣，但是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(guān)系及影響因素的研究，導(dǎo)致配制濃度和預(yù)期值之間偏差較大或穩(wěn)定性不足。依據(jù)氣液溶解平衡原理，結(jié)合對油樣配制過程中系統(tǒng)密封性、氣相空間體積等影響因素的試驗研究結(jié)果，筆者建立了使原料氣體快速溶解于變壓器油中達到平衡的“定量進氣法”，以及先配制一份濃度較高的油樣作為母液，再進行稀釋得到所需油樣的“母液稀釋法”兩種標準油樣配制方法。

2.1定量進氣法

在氣密性良好的系統(tǒng)內(nèi)裝有體積為V油的新變壓器油，系統(tǒng)內(nèi)余下的氣相體積為Vg(假設(shè)Vg=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，那么它在系統(tǒng)內(nèi)氣相中濃度Cg，i=Co，i/Ki，依據(jù)物料平衡，充入的原料氣中i總量等于平衡后溶解在變壓器油中的量和存在于氣相中的量之和：

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

當k值小到氣相體積相對于整個系統(tǒng)而言能忽略不計時，近似地有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(nèi)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。

例如：在容積102L的油樣配制裝置內(nèi)裝有100L新變壓器油，需要配制C2H2濃度為10μL/L的油樣，現(xiàn)有C2H2濃度為2%的原料氣，那么需充入的氣量：V=100×10/ 20000=0.05L，即50mL。

為了對“定量進氣法”進行驗證，筆者在容積約為102L、密封性能良好、裝有100L新變壓器油的系統(tǒng)內(nèi)配制了3組不同濃度的油樣，系統(tǒng)循環(huán)20min后取樣檢測，將實際測得油樣濃度和預(yù)期值比較，并計算對應(yīng)的相對誤差以檢驗其配制準確性，見表6。

表6　定量進氣法濃度準確性測試　　單位：μL/L

通過實測值和目標值的對比，可以看出油樣濃度的實測值與目標值非常接近，該方法在保證準確性的同時還可以實現(xiàn)大量配制。

2.2母液稀釋法

參照開展校驗工作時需要的濃度范圍(見表7)[10,11]，為了提高工作效率，筆者還建立了一種“母液稀釋法”，即先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(nèi)對母液進行稀釋從而得到所需濃度的變壓器油標準樣品。

表7　多組分在線監(jiān)測裝置技術(shù)指標

現(xiàn)有的配油裝置內(nèi)裝有體積為V1的變壓器油，油液上部空腔體積為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

Vx=(Ci2-Ci1)(V1+V2/Ki)/ (Ci0-Ci2+Ci2/Ki)

當空腔體積相對于整個系統(tǒng)的容積足夠小，即V2/Ki和V1相比可以忽略不計時：

Vx=V1(Ci2-Ci1)/(Ci0-Ci2+Ci2/Ki)

為了對該方法進行檢驗，筆者先配制一份高濃度油樣作為母液，實測H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2濃度分別為5126μL/L、21878μL/L、119323μL/L、527μL/L、541μL/L、566μL/L、518μL/L。然后采用“母液稀釋法”按不同比例分別進行稀釋得到3組油樣，將實測油樣濃度和理論值進行對比，并計算對應(yīng)的誤差。

表8　母液稀釋法濃度準確性測試　　單位：μL/L

從以上試驗結(jié)果來看，實際測得配制出的油樣中H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H27種組分濃度和預(yù)期值之間誤差均在20%以內(nèi)，由于“母液稀釋法”使用的母液是已經(jīng)過平衡較為穩(wěn)定的高濃度樣品，所以和“定量進氣法”相比誤差更小。

3總結(jié)

在對配制油樣過程中影響溶解和逸散的一系列因素進行試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣液溶解平衡原理，提出了“定量進氣法”和“母液稀釋法”兩種標準油樣快速配制方法，建立起需要配制的油樣濃度與油樣初始濃度、原料氣或母液濃度、原料氣或母液添加量之間的關(guān)系。經(jīng)試驗驗證，兩種油樣配制方法都能實現(xiàn)大量油樣的快速準確配制，解決了傳統(tǒng)配制方法中準確度差、配制量少、效率低等問題，能廣泛應(yīng)用于專業(yè)人員配制油樣、開展油中溶解氣體檢測裝置校驗工作等多個方面，對提高電力行業(yè)變壓器油監(jiān)督工作水平具有重要意義。

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[責任編輯：王敏]

Methods of Standard Sample Preparation of Transformer Oil

QIJiong1,WANGHai-fei1,SUZhen-xi1,YAOZhen-ru2,ZHAOYue1

(1.ElectricPowerResearchInstituteofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230022,China;2.ShandongZhonghuiInstrumentCo.,Ltd.,Zibo255088,China)

Abstract:Combined with the demands for the standard sample preparing of the calibration of detection instrument for gases dissolved in transformer oil, aiming at the existing problems of standard sample preparation methods of transformer oil, through the experiments of the influence factors of gases dissolved in transformer oil and the emission, the two methods of ″quantitative gas inflow method″ and ″mother liquor dilution method″ about transformer oil standard sample quick preparation are established, and it for guiding transformer oil sample preparation and related work is of great significance.

Key words:transformer oil; gases dissolved in oil; standard sample

中圖分類號：TM763

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9706(2016)01- 0001- 06

作者簡介：祁炯(1965-)，男，江蘇金壇人，國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，高級工程師，副主任，從事電網(wǎng)化學(xué)研究多年。王海飛(1986-)，男，安徽阜陽人，國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，工程師，主要從事電力用油、氣檢測技術(shù)研究。蘇鎮(zhèn)西(1962-)，男，安徽合肥人，國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，高級工程師，主任，從事電網(wǎng)化學(xué)研究多年。姚鎮(zhèn)如(1963-)，男，山東淄博人，山東中惠儀器有限公司，工程師，從事電力用油檢測技術(shù)多年。

基金項目：國網(wǎng)安徽省電力公司科技項目(項目編號：5212051350C6)。

收稿日期：2015-11-16

趙躍(1984-)，男，河南信陽人，博士，國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，工程師，主要從事電力用油、氣檢測技術(shù)研究。