变压器油温度对Teflon_AF_陶瓷复合膜油气分离性能的影响_禚莉

第３７卷　第１期膜　科　学　与　技　术Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．１２０１７年２月ＭＥＭＢＲＡＮＥ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｆｅｂ．２０１７变压器油温度对Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／陶瓷复合膜油气分离性能的影响禚　莉１＊，吴子民２，韩毓旺２，李志军１（１．江苏国电南自海吉科技有限公司，南京２１１１０６；２．南京工业大学理学院，南京２１０００９）摘要：考察了变压器油的温度对Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／陶瓷复合膜组件油气分离性能的影响．当变压器油温由４０℃增加到６０℃时，Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／陶瓷复合膜不仅能够缩短各故障气体的平衡时间，而且还能显著提高气体的平衡浓度，其中Ｈ２的平衡浓度提高约３０％，ＣＯ提高约４０％，烃类提高约１０％．实验表明，恰当的油温能够有效改善Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／陶瓷复合膜脱气效果．根据这一规律设计制作了具有油温恒定控制功能的脱气装置，使变压器油温恒定在６０℃，可以在１．５ｈ内实现６种故障特征气体的油气平衡，而且监测数据更加准确可靠，有望在变压器在线监测产品中推广应用．关键词：Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／陶瓷复合膜；溶解气体；在线监测；油气分离；脱气装置中图分类号：ＴＭ４０６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７－８９２４（２０１７）０１－０１２１－０４ｄｏｉ：１０．１６１５９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１００７－８９２４．２０１７．０１．０１９ 变压器油中溶解气体分析（ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｇａｓ－ｉｎ－ｏｉｌａｎａｌｙｓｉｓ，ＤＧＡ）是目前国内外变压器故障监测手段中相对成熟、有效、应用最广泛的检测分析方法之一，而从变压器油中分离出故障特征气体（Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ、ＣＯ２），又是检测和分析的前提．自７０年代起，真空脱气、震荡脱气、顶空脱气和高分子膜脱气是实际运用中广泛使用的油气分离方法，前３种方法存在机械装置结构复杂，维护困难等问题，高分子膜脱气结构简单，维护方便，越来越受到用户推崇［１－４］．笔者研制的陶瓷－Ｔｅｆｌｏｎ　ＡＦ复合油气分离膜，能够在５ｈ内实现油气平衡［５－７］，大大缩短了监测周期．虽然如此，该油气分离膜的脱气效率和脱气速率还受到变压器油温度的影响．何鹏等［８］研究了环境温度对ＦＥＰ平板膜油气分离中在线监测和离线分析一致性的影响，得到了环境温度和油温对渗透过程都存在影响的规律，提出了引入温度参数进行修正的方法．油温对渗透过程存在影响，其主要原因是亨利系数的改变．故障气体分子在气相和液相中的分子状态是相同的，在一定温度下，油中溶解气体的气相分压与其在溶液中浓度成正比．在总压力不大的情况下，故障气体均能符合亨利定律．如式（１）所示．ｐ＝Ｋｃ（１）式中，ｐ是气体的分压，Ｋ是Ｈｅｎｒｙ系数，ｃ是气体在液相中的浓度．温度升高，挥发性溶质的挥发能力增强，亨利系数增大．换言之，同样分压下温度升高，气体的溶解度减小，油气平衡时气相浓度增大．本文考察不同温度下变压器故障特征气体在Ｔｅｆｌｏｎ　ＡＦ／陶瓷复合膜两侧渗透平衡的情况，将Ｔｅｆ－ｌｏｎ　ＡＦ／陶瓷复合膜组件与温控加热装置、油泵等集成为方便实用的脱气机，并考察该脱气机的性能．１　实验自制气体渗透测试实验平台如图１所示，Ｔｅｆ－ｌｏｎ　ＡＦ／陶瓷复合膜组件（南京无书化工有限公司）与油箱和齿轮泵相连，实现油路的循环，油箱顶部开有气口，与大气相通，保证箱内压力始终为常压．图收稿日期：２０１６－０６－１６；修改稿收到日期：２０１６－０８－２５第一作者简介：禚　莉（１９８３－），女，江苏徐州人，硕士，工程师，主要从事变压器在线监测系统研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕｏｌｉ０４１２＠１６３．ｃｏｍ　·１２２　·膜　科　学　与　技　术第３７卷图１　气体渗透测试平台Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｇａｓ　ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ中ａ，ｂ两接口分别与气相色谱仪和气泵相连，实现气路的循环，采用六通阀自动采集进样．每次进样后，先排空气室，再用氮气吹扫，将混有标准混合气的油循环２４ｈ后备用．色谱分离及检测条件：载气：高纯氮气，流量２０ｍＬ／ｍｉｎ；色谱柱：变压器油气分析专用柱（４ｍ，南京无书化工有限公司）；检测器：ＴＧＳ８１３半导体检测器．２　结果与讨论２．１　油温对膜分离油气平衡的影响控制箱中的油温在４０～６０℃之间，变压器油经齿轮泵以恒定流量５００ｍＬ／ｍｉｎ打入Ｔｅｆｌｏｎ　ＡＦ／陶瓷复合膜组件进行油气分离．常压下不同油温时各气体渗透性能如图２所示．图２　常压下不同温度时气体的渗透性能Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｇａｓｅｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　第１期禚　莉等：变压器油温度对Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／陶瓷复合膜油气分离性能的影响·１２３　· 由图２可见，在４０～６０℃温度范围内所有气体都能够在９０ｍｉｎ之内达到渗透平衡．其中Ｈ２和ＣＯ的渗透相对较慢，约为７５～９０ｍｉｎ．甲烷的油气平衡时间为６０ｍｉｎ，Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ２的平衡时间相对较短，均在４５～６０ｍｉｎ．整体上来说，与４０℃和５０℃油温相比，６０℃油温下的各故障气体的平衡时间略有缩短，但是各组分平衡浓度的变化却与各自亨利系数随温度变化的程度不一致：乙烷本应增加最多，Ｈ２和ＣＯ应该增加最少，但结果却正好与此相反．经分析认为，由于气室是密闭空间且体积一定，如果忽略泄漏，足够长时间平衡时，平衡浓度主要受热力学影响．因此，选择合适的油温能够改善膜的脱气效果．２．２　恒温脱气装置的设计实际运行中的变压器，油温随着环境温度和工作负荷的变化而发生改变，因此油气平衡时间和平衡浓度就会随之变化，但故障特征气体组成不变，都是Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ及ＣＯ２．为了确保每次检测的都是平衡浓度，要给定足够的脱气时间，而这必然加长监测周期．另外还需要繁琐的温度校正才能与离线数据进行比较．针对这一问题，在脱气膜管之前加入温控单元，使进入脱气管的油温恒定在相对较高范围内，这不仅加快了油气平衡速度，提高了油气平衡浓度，同时使测试数据相对稳定，降低由于温度校正不准确带来的误差．所设计的恒温脱气装置原理图如图３所示．图３　脱气装置的工作原理图Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｇａｓｓｅｒ 变压器油经过齿轮泵输送到油温控制单元，通过陶瓷膜管回到油箱，实现油循环，油箱压力始终为常压．其中油温控制单元确保常温下的油进入陶瓷膜管时达到目标温度；脱出的气体在气泵的作用下循环流动，以使膜管气室与管路中的气体浓度均匀．整个脱气装置采取良好的保温隔热措施，使油的温度和气体温度一致．另外还在气路中加入了光电传感器，对漏油情况进行报警．２．３　脱气装置的测试２．３．１　脱气装置平衡时间与平衡浓度在维持变压器油流量为５００ｍＬ／ｍｉｎ的情况下，控制模拟变压器油箱中的油温在２０～５０℃范围内．不同温度下的油进入脱气装置被加热至恒定６０℃后，经Ｔｅｆｌｏｎ　ＡＦ／陶瓷复合膜组件进行油气分离，各种故障气体的平衡时间以及平衡浓度的测试结果如表１所示．表１　恒温６０℃时各故障气体平衡时间和平衡浓度Ｔａｂｌｅ　１　Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔｇａｓｅｓ　ｓｅｐａｒａｔｅｄ　ｂｙ　Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｅｍｂｒａｎｅ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｆｔｅｒ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｌｅｔ　ｏｉｌ　ｔｏ　６０℃ｉｎ　ｄｅｇａｓｓｅｒ变压器油箱中油温／℃２０　３０　４０　５０Ｈ２平衡时间／ｍｉｎ　７５　７５　７５　７５浓度（峰高）／ｍＶ　２３７　２２５　２３０　２３１ＣＯ平衡时间／ｍｉｎ　７５　７５　７５　７５浓度（峰高）／ｍＶ　７９　８０　８２　８２ＣＨ４平衡时间／ｍｉｎ　７５　７５　７５　７５浓度（峰高）／ｍＶ　１８３　１８４　１７２　１７７Ｃ２Ｈ４平衡时间／ｍｉｎ　６０　６０　６０　６０浓度（峰高）／ｍＶ　９３　９１　８８　９２Ｃ２Ｈ６平衡时间／ｍｉｎ　６０　６０　６０　６０浓度（峰高）／ｍＶ　１１７　１２７　１２３　１２６Ｃ２Ｈ２平衡时间／ｍｉｎ　４５　４５　４５　４５浓度（峰高）／ｍＶ　２３　２１　２１　２２ 由表１可见，在保持脱气装置恒温６０℃的情况下，同一故障气体在不同变压器油箱油温下的渗透平衡时间和平衡浓度均基本一致．直接排除了由于油箱中油温波动造成的影响，不必进行复杂的校正．２．３．２　重复性实验维持脱气装置恒温４０℃，油泵流量为５００ｍＬ／ｍｉｎ，使用已组装的脱气装置对渗透时间为６０ｍｉｎ时各气体的浓度进行多次测定．测试结果和其相对标准偏差（ＲＳＤ）列于表２． 由表２中的测试结果可以看出，脱气装置分离出来的６组故障气体的峰高基本不变，具有良好的重复性，标准偏差远小于《变压器油中溶解气体在线监测装置选用导则》的规定．表２中每种气体在４０℃条件下峰值均低于表１中６０℃条件下的峰值，这主要是由于在两个温度下达到油气平衡时，低温下气相平衡浓度相对高温时较低导致的．　·１２４　·膜　科　学　与　技　术第３７卷　表２　脱气膜组件的重复性测试Ｔａｂｌｅ　２　Ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｇａｓｓｅｒ序号Ｈ２／ｍＶ　ＣＯ／ｍＶ　ＣＨ４／ｍＶ　Ｃ２Ｈ４／ｍＶ　Ｃ２Ｈ６／ｍＶ　Ｃ２Ｈ２／ｍＶ１　２０２　７８　１４０　７３　７６　１５２　２０９　７６　１４３　７３　７７　１４３　１９８　７７　１４４　７３　７８　１４４　２０７　７７　１４２　７４　７７　１４５　１９２　７７　１４３　７４　７８　１５６　２０３　７６　１４２　７３　７７　１４ＲＳＤ／％３．１　１．０　１．０　０．７　１．０　３．６３　结论研究了油温对Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／陶瓷复合膜油气分离性能的影响．通过研究发现，适当提高油温可以提高Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／陶瓷复合膜的脱气效率，从而缩短故障气体的平衡时间，并在一定程度上增大平衡浓度．根据这一规律设计并制作了具有油温恒定控制功能的脱气装置，该脱气装置在恒定温度和流量下油气平衡时间短，重复性好，因此应用该脱气装置可以有效提高变压器在线监测的实时性和可靠性，有望得到推广应用．参考文献：［１］Ｄｕｖａｌ　Ｍ．Ａ　ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｆａｕｌｔｓ　ｄｅｔｅｃｔａｂｌｅ　ｂｙ　ｇａｓ－ｉｎ－ｏｉｌ　ａ－ｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃ　Ｉｎｓｕｌ　Ｍａｇａｚ，２００２，１８（３）：８－１７．［２］Ｐｒａｂｈａｋａｒ　Ｒ　Ｓ，Ｄｅ　Ａｎｇｅｌｉｓ　Ｍ　Ｇ，Ｓａｒｔｉ　Ｇ　Ｃ，ｅｔ　ａｌ．Ｇａｓａｎｄ　ｖａｐｏｒ　ｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ｉｎ　ｐｏｌｙ（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ－ｃｏ－ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈｙｌ　ｖｉｎｙｌ　ｅｔｈｅｒ）［Ｊ］．Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，２００５，３８（１６）：７６８８－７６９７．［３］善学雷．变压器油中溶解气体在线监测技术的进展［Ｊ］．电气开关，２０１０，４８（６）：１－４．［４］李洋流．基于膜分离与光声光谱的绝缘油中溶解气体在线分析技术［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１１．［５］禚　莉．变压器油气分离膜的制备及性能研究［Ｄ］．南京：南京工业大学，２００８．［６］禚　莉，韩毓旺，俞　斌．陶瓷－Ｔｅｆｌｏｎ　ＡＦ２４００复合油气分离膜组件［Ｊ］．膜科学与技术，２００９，２９（５）：８３－８７．［７］Ｈａｎ　Ｙ　Ｗ，Ｄｉｎｇ　Ｆ，Ｈａｏ　Ｃ　Ｘ，ｅｔ　ａｌ．Ｔｈｅ　ｏｉｌ－ｇａｓ　ｓｅｐａｒａ－ｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｅｒａｍｉｃ／Ｔｅｆｌｏｎ　ＡＦ２４００ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｅｍｂｒａｎｅ［Ｊ］．Ｓｅｐ　Ｐｕｒｉｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌ，２０１２，８８（１９）：１９－２３．［８］何　鹏，赵学增，李洋流．基于膜分离的变压器在线监测中温度对油气分离影响的研究［Ｊ］．变压器，２０１１，４８（７）：４５－４９．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｏｉｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｉｌ－ｇａｓ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｍｏｄｕｌｅＺＨＵＯ　Ｌｉ１，ＷＵ　Ｚｉｍｉｎ２，ＨＡＮ　Ｙｕｗａｎｇ２，ＬＩ　Ｚｈｉｊｕｎ１（１．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｓａｃ－Ｈａｉｊｉ　Ｓｃｉ　＆Ｔｅｃｈ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１１０６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｔｅｃｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｏｉｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｉｌ－ｇａｓ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｅｍｂｒａｎｅ　ｍｏｄｕｌｅ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｆｒｏｍ　４０℃ｔｏ　６０℃，ｔｈｅ　Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／ｃｅｒａｍｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｃｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｓｈｏｒｔｅｎ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｇａｓｅｓ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｙｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈ２ｂｙ　ａｂｏｕｔ　３０％，ＣＯ　ｂｙ　ａｂｏｕｔ　４０％，ａｎｄ　ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ　ｂｙ　ａｂｏｕｔ　１０％，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒ　ｏｉｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｇａｓｓｉｎｇ　ｅｆｆｉｃａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｍｂｒａｎｅ．Ａ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ　ｄｅｇａｓｓｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｏｎ　ｗｈｉｃｈ，ｔｈｅ　ｏｉｌ－ｇａｓｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｔｉｍｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｆｒｏｍ　５ｈｔｏ　１．５ｈａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄａｔａ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｗａｓ　ｍｏｒｅ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ａｎｄ　ｒｅｐｅａｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｍａｃｈｉｎｅ　ｉｓ　ｑｕｉｔｅ　ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｇａｓ－ｉｎ－ｏｉｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｅｆｌｏｎ－ＡＦ／ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ；ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｇａｓｅｓ；ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｏｉｌ－ｇａｓ　ｓｅｐａｒａ－ｔｉｏｎ；ｄｅｇａｓｓｅｒ。