變壓器油含氣量測(cè)量方法簡(jiǎn)概

李瑞環(huán)，徐炎斌

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東 江門 529000）

1 變壓器油及含氣量測(cè)量概述

變壓器油是指適用于變壓器、電抗器、互感器、套管、油開(kāi)關(guān)等充油電氣設(shè)備，起到絕緣、冷卻和滅弧作用的一類絕緣油品。油中的含氣量是指在0℃、101.325kPa 的標(biāo)準(zhǔn)狀況下，油中所有溶解氣體的體積總和與油體積的比值，用體積百分?jǐn)?shù)表示。圖1為變壓器。

圖1 變壓器

含氣量的測(cè)量對(duì)超高壓設(shè)備（500kV 及以上）充油設(shè)備有重要的意義，為了減少氣隙放電和延緩油質(zhì)的劣化[1]，要求油中的含氣量盡量少，其中含氣量試驗(yàn)運(yùn)行中的變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出含氣量試驗(yàn)330～500kV 變壓器的小于等于3%；電抗器小于等于5%[2]。

在設(shè)備無(wú)故障情況下，充油電氣設(shè)備含氣量的主要來(lái)源是空氣（氮?dú)夂脱鯕猓┮约吧倭康募淄椤⒁彝?、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳等氣體。變壓器在安裝時(shí)，由于真空注油工藝不良或運(yùn)行中的變壓器密封不好等都會(huì)使其進(jìn)入空氣。對(duì)于一些高壓電氣設(shè)備一般要求裝入設(shè)備中的油品應(yīng)有較低的含氣量，以減少氣隙放電和延緩油質(zhì)劣化。油中的含氣量與電氣設(shè)備的密封性能和油的凈化設(shè)備的脫氣能力有很大關(guān)系。因此按照維護(hù)檢修規(guī)程要求，每年都要對(duì)500kV 及以上充油設(shè)備進(jìn)行一次含氣量分析[2]。

變壓器油中含氣量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法可按照絕緣油中含氣量的測(cè)定——《絕緣油中含氣量測(cè)定方法真空壓差法》（DL/T 423—2009）或《絕緣油中含氣量的氣相色譜測(cè)定法》（DL/T 703—2015）進(jìn)行測(cè)定。

2 變壓器油含氣量的氣相色譜分析法

色譜又稱色層析，是一種物理分離技術(shù)，它與檢查手段結(jié)合在一起就成了色譜分析法，通過(guò)一種典型的色譜流出曲線（色譜圖）的方式將不同組分的含量表示出來(lái)。氣相色譜法是色譜法中的一個(gè)分支[3]。

氣相色譜分析儀的核心部件是色譜柱，柱子（或管子）里面有兩部分物質(zhì)組成，即固定相和流動(dòng)相。分離時(shí)，把被分離的混合物放置在色譜柱的一端，利用混合物里面不同組分在固定相上的吸附或溶解能力不同，然后用一種在固定相上的吸附力或溶解力比被分離組分里面各物質(zhì)都要小的流體作為流動(dòng)相進(jìn)行沖洗。在流體的帶動(dòng)下，吸附在固定相上的物質(zhì)不斷往色譜柱另外一端運(yùn)動(dòng)，不同物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)的速度不一樣，經(jīng)過(guò)一段距離后不同的物質(zhì)就會(huì)按一定的順序先后流出色譜柱。在變壓器油含氣量分析中，常用的流動(dòng)相是氬氣、固定相是活性炭、分子篩等。

流出色譜柱后的物質(zhì)通過(guò)檢測(cè)器分析后可以得知該物質(zhì)的含量。在變壓器油含氣量分析中，常用的檢測(cè)器是熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）和氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）。TCD 檢測(cè)器主要利用分離后的成分與流動(dòng)相成分的導(dǎo)熱性能的差異，當(dāng)樣品進(jìn)入檢測(cè)器后，它帶走熱量的能力與流動(dòng)相不一樣，這就改變了檢測(cè)器內(nèi)部熱電偶的阻值，通過(guò)測(cè)量樣品進(jìn)入檢測(cè)器前后的電信號(hào)變化量進(jìn)行定量分析。FID 檢測(cè)器主要用于測(cè)量有機(jī)物，當(dāng)樣品進(jìn)入檢測(cè)氣后，在火焰（氫氣和空氣燃燒產(chǎn)生的火焰）的作用下形成許多離子對(duì)，在火焰的上下部有一對(duì)電極，在直流電壓的作用下，利用離子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離子流的變化量進(jìn)行定量分析。在含氣量分析中，樣品會(huì)分兩路進(jìn)入色譜柱，一路通過(guò)色譜柱分離后流入TCD 檢測(cè)器，主要檢測(cè)氫氣、氧氣、氮?dú)?，另外一路進(jìn)入FID 檢測(cè)器，主要檢測(cè)烴類氣體、一氧化碳和二氧化碳。

未標(biāo)定的氣相色譜儀，其TCD 和FID 檢查器只能檢查出某一種物質(zhì)所產(chǎn)生的電信號(hào)的強(qiáng)弱，但不知道該物質(zhì)是什么也不知道該物質(zhì)有多少。所以要先對(duì)氣相色譜儀進(jìn)行標(biāo)定，即是先將一定量的某一物質(zhì)（比如氧氣）與一定量色譜儀流動(dòng)相所用的氣體混合，得到已知濃度的該物質(zhì)的混合氣體，稱為標(biāo)準(zhǔn)氣體。把標(biāo)準(zhǔn)氣體通過(guò)氣體色譜儀進(jìn)行分離和分析，記錄該物質(zhì)在色譜柱上從進(jìn)樣到被檢測(cè)器檢測(cè)出的時(shí)間（稱為保留時(shí)間），并記錄該物質(zhì)對(duì)檢查器所產(chǎn)生的電信號(hào)強(qiáng)度。然后，在同一測(cè)試條件下把未知樣品送入色譜儀進(jìn)行分析，由于相同物質(zhì)在相同的色譜分析條件下，保留時(shí)間是一樣的，且對(duì)檢測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)強(qiáng)度成線性比例關(guān)系。所以保留時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)氣體中已知成分的保留時(shí)間相同的就是同一種物質(zhì)，并且可以通過(guò)對(duì)比檢測(cè)器信號(hào)的強(qiáng)度換算出未知樣品的濃度，從而實(shí)現(xiàn)未知樣品的定性和定量分析。

變壓器油中溶解的氣體，在進(jìn)行色譜測(cè)試之前需要先將溶解在油里面的氣體提取出來(lái)，通常利用機(jī)械振蕩法進(jìn)行提取，該方法的理論依據(jù)是分配定律和物料平衡原理，即把油樣與洗脫氣體（通常為氣相色譜法中的流動(dòng)相）放置在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)，在恒溫、恒壓條件下，通過(guò)一定時(shí)間的振蕩洗脫與靜止，使油中溶解氣體在氣、液兩相之間達(dá)到分配平衡。平衡時(shí)，某一成分在氣體中的體積濃度與液體中的體積濃度的比值是一個(gè)常數(shù)，稱為分配系數(shù)。所以只要把氣相中的混合氣體里面某一組分的體積濃度測(cè)量出來(lái)便可以折算出該成分在液相中的體積濃度。把所有組分在氣液兩相中的體積濃度分別乘以氣液兩相的體積然后求和用百分?jǐn)?shù)標(biāo)識(shí)，便是變壓器油中的含氣量。

由于氣相色譜儀的運(yùn)作系統(tǒng)比較精密和笨重，所以實(shí)際的變壓器油含氣量分析是先到變電站的變壓器等充油設(shè)備上取油樣，然后在專用的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。由于變壓器油含氣量分析主要是測(cè)量其中的空氣含量，所以現(xiàn)場(chǎng)的變壓器油取樣需要用專用注射器按照《電力用油（變壓器油、汽輪機(jī)油）取樣方法》（GB/T 7597—2007）中的全密封方法進(jìn)行，操作相對(duì)復(fù)雜煩瑣。取樣完畢后，需要常壓下密封防震運(yùn)輸，盡量要求當(dāng)天取樣當(dāng)天測(cè)試，避免環(huán)境的空氣與樣品接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 變壓器油含氣量的真空壓差法

測(cè)量變壓器油含氣量的另外一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法是真空壓差法，其方法是將被測(cè)試變壓器油通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)入高真空脫氣室，使試油中的溶解氣體迅速釋放出來(lái)，根據(jù)試油進(jìn)入脫氣室前、后釋放氣體產(chǎn)生的壓力差值，結(jié)合室溫、試油量、脫氣室容積、脫氣室溫度等參數(shù)計(jì)算出油中氣體的含量，通過(guò)理性狀態(tài)方程換算出釋放出的氣體體積，換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（標(biāo)準(zhǔn)狀況下（101.3kPa、0°C），該氣體體積與注入變壓器油體積的百分比即為變壓油中的含氣量。

真空壓差法的核心部件是高真空度的脫氣單元，通過(guò)絕對(duì)殘壓≤100Pa 的真空泵為脫氣單元提空足夠的真空度，整個(gè)測(cè)試過(guò)程在55～65℃下進(jìn)行，脫氣單元能使油中氣體快速釋放，壓力的檢測(cè)則是通過(guò)一個(gè)精度優(yōu)秀0.5 級(jí)量程在0～5kPa 微壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，最后把測(cè)量的壓力帶入公式便可以換算出變壓器油的含氣量。

4 兩種變壓器油含氣量測(cè)試方法的對(duì)比

氣相色譜法所用的儀器體積大且精密程度高，難以實(shí)現(xiàn)戶外的現(xiàn)場(chǎng)操作，所用的測(cè)試方法常規(guī)的操作過(guò)程極為復(fù)雜，包括取樣、運(yùn)輸、制樣、脫氣轉(zhuǎn)移、儀器標(biāo)定、樣品儀分析六大操作環(huán)節(jié)，操作流程多，整個(gè)測(cè)試過(guò)程到出試驗(yàn)結(jié)果耗時(shí)長(zhǎng)，而且每個(gè)環(huán)節(jié)均要防止空氣進(jìn)入污染樣品，對(duì)工作人員的操作要求、技術(shù)要求都極為苛刻。

真空壓差法的測(cè)量原理簡(jiǎn)單，所用儀器工具少，流程少，只要將現(xiàn)場(chǎng)密封取好的油樣注入真空容器，利用設(shè)定好的程序計(jì)算即可完成測(cè)量。但目前市場(chǎng)上未見(jiàn)基于該原理研制開(kāi)發(fā)的成熟的儀器，實(shí)際利用真空壓差法測(cè)試過(guò)程需要人工搭建實(shí)驗(yàn)裝置才能進(jìn)行完成一次測(cè)量，一定程度制約了該方法的實(shí)踐應(yīng)用。真空壓差法測(cè)量變壓器油含氣量時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離，只能測(cè)量溶解氣體的總含氣量，沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣體每一組分的定性和定量分析。

5 結(jié)語(yǔ)

真空壓差法或者氣相色譜測(cè)定法，同樣適用于變壓器油含氣量的測(cè)定。氣相色譜法由于儀器精密體積大，不利于在變壓器運(yùn)行的環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，導(dǎo)致測(cè)試流程長(zhǎng)，樣品容易受空氣污染而影響準(zhǔn)確性，測(cè)試過(guò)程中該方法對(duì)操作人員的技術(shù)要求苛刻，從而影響了測(cè)試效率。真空壓差法測(cè)量變壓器油的含氣量時(shí)，其方法原理簡(jiǎn)單，分析過(guò)程易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)即可采樣測(cè)量出結(jié)果。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)研制，又比較容易實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器的輕便化生產(chǎn)，而該方法的不足是無(wú)法對(duì)混合氣體組分進(jìn)行定性和定量分析。

通常情況下，500kV 及以上的充油設(shè)備需要每3 個(gè)月對(duì)油品進(jìn)行故障氣體的成分分析，該分析時(shí)主要采用氣相色譜法測(cè)試氫氣、小分子氣態(tài)烴類和碳氧化物的含量，測(cè)試過(guò)程基本不受空氣污染。所以，如果日常的預(yù)防性試驗(yàn)判斷500kV 及以上充油設(shè)備無(wú)異常時(shí)，首先可以采用真空壓差法進(jìn)行含氣量測(cè)量，以縮短測(cè)試流程，減少空氣對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。當(dāng)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)含氣量接近臨界值或超標(biāo)時(shí)，可以再進(jìn)一步采用色譜法進(jìn)行復(fù)測(cè)，這樣有利于降低含氣量測(cè)量的難度，大大提高工作效率。