变压器油气分离及数据通信技术研究

荣伟 刘庆宝 王鹏

【摘 要】油气分离硬件单元是系统中后续处理工作的前提保障，选取合适的取油样位置可提高监测系统数据的可靠性，而选择合适的油气分离方式可以保证整个检测过程中数据的准确性。监测系统的数据通信关系到采集分析数据的准确上传以及逻辑分析，对系统故障预测及故障判断有着至关重要的作用，通讯系统传输的实时性与准确性是整个监测系统对变压器故障判断和分析的保障。

【关键词】变压器；油气分离；数据通信技术；研究

一、项目背景和现状

对于变压器色谱在线监测系统中的油气分离技术所采用的分离方法主要有抽真空取气法、毛细管取气法、薄膜取气法三大类。加拿大变压器色谱装置在我国尚无范围性应用先例，效果有待于进一步验证。，薄膜取气法是国内外应用最广泛、最简单有效的油气分离方法，在世界性研究范围内得到了广泛应用。

在线监测系统的通信系统目前多采用由一个主机、多个终端机组成的主从式控制系统完成信息通信功能，将主机控制屏放在变电站主控室，终端机放在现场变压器旁与主机完成信息通信。通讯方式目前多采用232通讯、RS422通讯以及RS485通讯技术。

二、研究内容

1.研究内容

从理论上研究了气体取样方式和目前主要的油气分离膜的分离特性。研究取油样的合适位置来给检测试验提供充分保证。研究了气体分离后系统对浓度参量的要求、系统通信功能的建立方式，还研究了检测系统所需采用的系统控制方式。

2.系统组成

（1）高分子膜油气分离技术

薄膜取气法是目前应用最广泛、最简单有效的油气分离方法。

（2）高分子膜油气分离原理

高分子膜的渗透机理是按溶解？渗透过程进行的。把装有高分子膜的气室安装在一个盛有绝缘油的封闭容器中，则油中的气体分子就会撞击膜的表面并且融到膜的分子骨架中，其溶解的速度与标气的浓度成正比，已经溶解在高分子膜中标气也会向膜两侧的气、液两相扩散。

（3）分离渗透性能改进与试验

对分离渗透的性能通过实验来进行测试，实验装置为一个高3m 容积50升的不锈钢容器，内装绝缘油，在其侧面有一个10ml的气室，气室与容器接合处的直径为24mm，透气膜被固定在这里。盛油容器配有可控加热器和搅拌器，通过将未分解油和已分解油按一定比例混合来控制油中气体浓度。选择聚酰亚胺膜、PFA膜、常规聚四氟乙烯膜、多孔聚四氟乙烯膜来进行实验，所有实验均是在油温60摄氏度条件下完成。

通过实验对数据进行统计分析后可以看出，聚酰亚胺膜的渗透有选择性，仅对H2有较好的渗透性能，饱和时间为40小时，比较适用于H2 型在线监测系统。PFA膜、常规聚四氟乙烯膜、多孔聚四氟乙烯膜均能渗透H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体，PFA膜和常规聚四氟乙烯膜对全部六种气体的渗透饱和时间分别为80小时和100小时，而多孔聚四氟乙烯膜只需24小时就可达到渗透饱和。聚四氟乙烯膜上加了微孔后，渗透速度有很大改善，明显优于其它的透气膜，可用于所设计的在线监测，实现一天时间内完成油气分离。

（4）微孔对聚四氟乙烯膜强度和渗透性能的影响

一般来说，高聚物材料的破坏无非是高分子主链上化学键的断裂或是高分子链间相互作用力的破坏。因此，从构成高分子链化学键的强度和高分子链间相互作用力的强度可以估算高聚物材料的理论强度，其中一个经验公式是σ=0.1E，这里σ是断裂强度，E是杨化模量。在实验中也确实发现，微孔孔径越大，膜强度越低，但当孔径小于10nm时，多孔聚四氟乙烯膜的强度与常规聚四氟乙烯膜基本相同。另一方面，孔径的大小影响了薄膜对气体的渗透性能，孔径越大，气体的渗透速度越快。通过对最不容易渗透的C2H6的实验，我们得出如图所示孔径与渗透时间的关系，横坐标表示孔径大小，纵坐标是渗透饱和时间。在一定范围内，渗透时间随孔径增大而减少，而超过此范围就趋于饱和。综合考虑了机械强度和渗透速度之后，取孔径为8-10nm，这样既保留了聚四氟乙烯膜原有的强度，又充分提高了透气速度。膜的厚度同样影响渗透能力和强度，本文对所用的0.18mm厚度的膜，做了综合耐压试验，采用3m高的油压，油温维持在80摄氏度，网状补强板的网孔直径取为1mm，耐压3个月后，透气膜无破损和漏油现象，说明膜的强度符合要求。

（5）油气分离测量范围的确定

在对油气分离硬件单元设计时需设定油中各种气体的最小检测精度和注意值，其中气体平衡常数K及相应检测值设定如下表所示。

（6）数据远程通讯传输设计

由于主机和终端机之间距离较远，为保证通信可靠性，采用RS422串行通信方式。此种通讯方式易于扩展，方便增减终端。

（7）主机控制功能的实现

主机控制屏包括主控上位机和中央控制器，中央控制器以DSP为CPU，主要功能就是定时开机，即每隔设定时间自动开启终端转换检测装置启动检测，检測完毕自动关闭电源，整个过程不需要人工干预，系统可以在无人值守情况下长年运行。系统在非检测状态时，只有中央控制器工作在计时状态，控制屏上位机进行历时数据显示、查询等功能。终端机和主机均不带电，这样平时传感器、六通阀电机、终端电路均不带电，最大限度延长终端机使用寿命。主控上位机的功能包括人机交互界面、数据接收及处理、绝缘诊断及结果显示、故障报警、数据存储、数据查询、报表打印等。

三、关键技术及创新点

（1）对多种分离膜的透气速度及渗透特性进行了试验比较，对各类渗透特性做出统计分析，选出透气性能和渗透时间兼顾的渗透膜；

（2）研究薄膜微孔渗透方式，微孔可提高膜的渗透能力，在理论分析的基础上，针对孔径对渗透能力和膜强度的影响也进行了实验研究。并对薄膜孔径进行研究，确定最佳孔径，可以同时满足渗透时间和强度的要求；

（3）研究用于在线监测系统的逻辑控制系统，包括主机控制屏和多个现场终端机，使逻辑控制功能满足检测系统要求；

（4）研究设计后台数据库，对于每个周期的采样数据进行保存分析，作为历史记录可被查询调用，并与专家诊断系统互联，共享数据。

四、应用成果

该技术在电力管理总公司220kV新孤变试运行。实现了预期的技术指标：（1）进行油气分离检测时检测精度下限达到1uL/L（1ppm）；（2）数据库故障诊断覆盖率>90%；（3）数据库专家系统故障预测正确率>85%。

五、结论

该技术在电力管理总公司220kV新孤变试运行，通过对现场设备试验安装后，可完成油气中基本气体的色谱在线分析，并可将分析所得数据进行上传保存，逻辑控制回路运行效果良好，整个系统运行平稳，适合在电力管理总公司内部全面推广

【参考文献】

[1]赵笑笑等.变压器油中溶解气体的在线监测技术评述[J].电力系统保护与控制，2009（23）：187-191