变压器油含气量测量方法简概

李瑞环，徐炎斌

（广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000）

1 变压器油及含气量测量概述

变压器油是指适用于变压器、电抗器、互感器、套管、油开关等充油电气设备，起到绝缘、冷却和灭弧作用的一类绝缘油品。油中的含气量是指在0℃、101.325kPa 的标准状况下，油中所有溶解气体的体积总和与油体积的比值，用体积百分数表示。图1为变压器。

图1 变压器

含气量的测量对超高压设备（500kV 及以上）充油设备有重要的意义，为了减少气隙放电和延缓油质的劣化[1]，要求油中的含气量尽量少，其中含气量试验运行中的变压器油质量标准提出含气量试验330～500kV 变压器的小于等于3%；电抗器小于等于5%[2]。

在设备无故障情况下，充油电气设备含气量的主要来源是空气（氮气和氧气）以及少量的甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳等气体。变压器在安装时，由于真空注油工艺不良或运行中的变压器密封不好等都会使其进入空气。对于一些高压电气设备一般要求装入设备中的油品应有较低的含气量，以减少气隙放电和延缓油质劣化。油中的含气量与电气设备的密封性能和油的净化设备的脱气能力有很大关系。因此按照维护检修规程要求，每年都要对500kV 及以上充油设备进行一次含气量分析[2]。

变压器油中含气量的标准测量方法可按照绝缘油中含气量的测定——《绝缘油中含气量测定方法真空压差法》（DL/T 423—2009）或《绝缘油中含气量的气相色谱测定法》（DL/T 703—2015）进行测定。

2 变压器油含气量的气相色谱分析法

色谱又称色层析，是一种物理分离技术，它与检查手段结合在一起就成了色谱分析法，通过一种典型的色谱流出曲线（色谱图）的方式将不同组分的含量表示出来。气相色谱法是色谱法中的一个分支[3]。

气相色谱分析仪的核心部件是色谱柱，柱子（或管子）里面有两部分物质组成，即固定相和流动相。分离时，把被分离的混合物放置在色谱柱的一端，利用混合物里面不同组分在固定相上的吸附或溶解能力不同，然后用一种在固定相上的吸附力或溶解力比被分离组分里面各物质都要小的流体作为流动相进行冲洗。在流体的带动下，吸附在固定相上的物质不断往色谱柱另外一端运动，不同物质的运动的速度不一样，经过一段距离后不同的物质就会按一定的顺序先后流出色谱柱。在变压器油含气量分析中，常用的流动相是氩气、固定相是活性炭、分子筛等。

流出色谱柱后的物质通过检测器分析后可以得知该物质的含量。在变压器油含气量分析中，常用的检测器是热导检测器（TCD）和氢火焰离子化检测器（FID）。TCD 检测器主要利用分离后的成分与流动相成分的导热性能的差异，当样品进入检测器后，它带走热量的能力与流动相不一样，这就改变了检测器内部热电偶的阻值，通过测量样品进入检测器前后的电信号变化量进行定量分析。FID 检测器主要用于测量有机物，当样品进入检测气后，在火焰（氢气和空气燃烧产生的火焰）的作用下形成许多离子对，在火焰的上下部有一对电极，在直流电压的作用下，利用离子运动所产生的离子流的变化量进行定量分析。在含气量分析中，样品会分两路进入色谱柱，一路通过色谱柱分离后流入TCD 检测器，主要检测氢气、氧气、氮气，另外一路进入FID 检测器，主要检测烃类气体、一氧化碳和二氧化碳。

未标定的气相色谱仪，其TCD 和FID 检查器只能检查出某一种物质所产生的电信号的强弱，但不知道该物质是什么也不知道该物质有多少。所以要先对气相色谱仪进行标定，即是先将一定量的某一物质（比如氧气）与一定量色谱仪流动相所用的气体混合，得到已知浓度的该物质的混合气体，称为标准气体。把标准气体通过气体色谱仪进行分离和分析，记录该物质在色谱柱上从进样到被检测器检测出的时间（称为保留时间），并记录该物质对检查器所产生的电信号强度。然后，在同一测试条件下把未知样品送入色谱仪进行分析，由于相同物质在相同的色谱分析条件下，保留时间是一样的，且对检测器产生的电信号强度成线性比例关系。所以保留时间与标准气体中已知成分的保留时间相同的就是同一种物质，并且可以通过对比检测器信号的强度换算出未知样品的浓度，从而实现未知样品的定性和定量分析。

变压器油中溶解的气体，在进行色谱测试之前需要先将溶解在油里面的气体提取出来，通常利用机械振荡法进行提取，该方法的理论依据是分配定律和物料平衡原理，即把油样与洗脱气体（通常为气相色谱法中的流动相）放置在一个封闭的系统内，在恒温、恒压条件下，通过一定时间的振荡洗脱与静止，使油中溶解气体在气、液两相之间达到分配平衡。平衡时，某一成分在气体中的体积浓度与液体中的体积浓度的比值是一个常数，称为分配系数。所以只要把气相中的混合气体里面某一组分的体积浓度测量出来便可以折算出该成分在液相中的体积浓度。把所有组分在气液两相中的体积浓度分别乘以气液两相的体积然后求和用百分数标识，便是变压器油中的含气量。

由于气相色谱仪的运作系统比较精密和笨重，所以实际的变压器油含气量分析是先到变电站的变压器等充油设备上取油样，然后在专用的实验室进行。由于变压器油含气量分析主要是测量其中的空气含量，所以现场的变压器油取样需要用专用注射器按照《电力用油（变压器油、汽轮机油）取样方法》（GB/T 7597—2007）中的全密封方法进行，操作相对复杂烦琐。取样完毕后，需要常压下密封防震运输，尽量要求当天取样当天测试，避免环境的空气与样品接触时间过长而影响测量结果的准确性。

3 变压器油含气量的真空压差法

测量变压器油含气量的另外一个标准方法是真空压差法，其方法是将被测试变压器油通过适当的方式进入高真空脱气室，使试油中的溶解气体迅速释放出来，根据试油进入脱气室前、后释放气体产生的压力差值，结合室温、试油量、脱气室容积、脱气室温度等参数计算出油中气体的含量，通过理性状态方程换算出释放出的气体体积，换算到标准状态下（标准状况下（101.3kPa、0°C），该气体体积与注入变压器油体积的百分比即为变压油中的含气量。

真空压差法的核心部件是高真空度的脱气单元，通过绝对残压≤100Pa 的真空泵为脱气单元提空足够的真空度，整个测试过程在55～65℃下进行，脱气单元能使油中气体快速释放，压力的检测则是通过一个精度优秀0.5 级量程在0～5kPa 微压力传感器进行测量，最后把测量的压力带入公式便可以换算出变压器油的含气量。

4 两种变压器油含气量测试方法的对比

气相色谱法所用的仪器体积大且精密程度高，难以实现户外的现场操作，所用的测试方法常规的操作过程极为复杂，包括取样、运输、制样、脱气转移、仪器标定、样品仪分析六大操作环节，操作流程多，整个测试过程到出试验结果耗时长，而且每个环节均要防止空气进入污染样品，对工作人员的操作要求、技术要求都极为苛刻。

真空压差法的测量原理简单，所用仪器工具少，流程少，只要将现场密封取好的油样注入真空容器，利用设定好的程序计算即可完成测量。但目前市场上未见基于该原理研制开发的成熟的仪器，实际利用真空压差法测试过程需要人工搭建实验装置才能进行完成一次测量，一定程度制约了该方法的实践应用。真空压差法测量变压器油含气量时无法实现混合气体的分离，只能测量溶解气体的总含气量，没有办法实现对混合气体每一组分的定性和定量分析。

5 结语

真空压差法或者气相色谱测定法，同样适用于变压器油含气量的测定。气相色谱法由于仪器精密体积大，不利于在变压器运行的环境下现场取样分析，导致测试流程长，样品容易受空气污染而影响准确性，测试过程中该方法对操作人员的技术要求苛刻，从而影响了测试效率。真空压差法测量变压器油的含气量时，其方法原理简单，分析过程易实现，现场即可采样测量出结果。通过合理的设计研制，又比较容易实现测试仪器的轻便化生产，而该方法的不足是无法对混合气体组分进行定性和定量分析。

通常情况下，500kV 及以上的充油设备需要每3 个月对油品进行故障气体的成分分析，该分析时主要采用气相色谱法测试氢气、小分子气态烃类和碳氧化物的含量，测试过程基本不受空气污染。所以，如果日常的预防性试验判断500kV 及以上充油设备无异常时，首先可以采用真空压差法进行含气量测量，以缩短测试流程，减少空气对测试结果的影响。当测试过程中发现含气量接近临界值或超标时，可以再进一步采用色谱法进行复测，这样有利于降低含气量测量的难度，大大提高工作效率。