變壓器油溶解氣分析是大型充油電力設備健康監測的重要手段，通過對變壓器絕緣油中的特征故障氣體進行定量分析，可以及時掌握變壓器的運行狀態，進而進行必要的維護，鑒于目前并沒有一種方法可以直接對溶解在油中的氣體進行檢測，因此把溶解在變壓器油中的故障氣體高效地分離出來是實現變壓器實時在線監測的關鍵環節。

早期應用的油水分離方法主要有多普勒脫氣法和部分脫氣法，它們基本能實現完全脫氣，但是需要活塞做真空處理，操作繁瑣，不適于在線監測使用，近年來研究比較廣泛的是高分子膜溶解-滲透油氣分離方法，這種方法結構簡單、性能穩定，目前使用較多的高分子膜有聚全氟乙丙烯膜（FEP）、聚四氟乙烯毛細管膜（GP100）、中空纖維復合膜以及帶微孔的聚四氟乙烯膜等，但是這些有機高分子膜也普遍存在氣體滲透率低、在線監測響應時間長的問題，油氣平衡時間往往長達十幾個小時甚至是數天，不能很好地滿足在線監測的要求。

相比于有機高分子膜，無機膜具有耐高溫、耐微生物、化學穩定性好、機械強度高、易清洗再生和孔徑分布集中等優點，已在食品、藥物等液體分離領域得到應用，其中比較有代表性的就是陶瓷膜。而且隨著陶瓷膜制備工藝的改善，其過濾孔徑可以達到30nm以下，成為有機高分子膜的有力競爭對手，國內外也已出現了將其與有機高分子膜結合應用于變壓器油氣分離領域的相關研究，但是未見單獨用陶瓷膜進行油氣分離的研究工作，本文提出單獨采用陶瓷膜進行油氣分離的設想，設計基于陶瓷膜的油氣分離膜組件，測試該組件對于變壓器典型故障氣體C₂H₂的脫氣性能，并與傳統有機膜進行比較。

1 膜分離機制

傳統的有機膜油氣分離機制可以用溶解擴散模型進行描述，膜的一側直接與變壓器油接觸，另一側是一個隔離出的小型氣室，兩側的氣體分子因熱運動而逐漸趨于平衡。平衡后氣相中氣體的體積分數與油中溶解氣體的體積分數存在一定的換算關系，因此，通過測定氣室中氣體的體積分數便可以計算得到油中溶解氣體的濃度。

這種結構相對簡單，在線監測上只要將膜固定好，在長期運行中很容易達到穩定可靠的性能，比其他油氣分離方法簡單，但是傳統有機膜普遍存在一個致命的缺點——平衡時間比較長。

區別于傳統的有機膜，本文采用的微孔陶瓷膜是一種“錯流過濾”形式的流體分離過程：變壓器油在膜管內高速流動，膜管外是隔離出的小型氣室，陶瓷膜為多通道管狀結構，管壁密布微孔。

陶瓷膜的油氣分離過程主要是依靠氣體分子的熱運動而使得油液內外氣體濃度逐漸趨于平衡，不同的是變壓器油在膜管內流動過程中會產生內壓，在壓力的驅動下沿垂直方向向外滲透，滲透過程中油液壓力逐漸減小，導致溶解于其中的故障氣體溶解度降低，從而使得氣體分子更容易逸出，縮短平衡所需時間，此外，這種形式的過濾相比于傳統有機膜的終端過濾形式，大大增加了過濾的面積，也使之更容易達到較短的平衡時間，結果是含大分子組分的變壓器油液被膜分離層截留，而小分子氣體通過陶瓷膜管壁分離出去，從而達到油氣分離的目的。

2 油氣分離實驗

2.1 陶瓷膜油氣分離膜組件

陶瓷膜油氣分離膜組件包括陶瓷膜管、金屬外殼以及油、器導管接頭幾部分，陶瓷膜油氣分離膜組件外殼為管式結構，材質為304不銹鋼，兩端采用法蘭盤進行連接，法蘭盤上接有Swagelok6.0接口作為油的進出通路，陶瓷膜組件外殼壁開設2個氣體循環通路。

外殼內裝有過濾孔徑50nm的內壓式陶瓷膜管，陶瓷膜管與外殼之間形成小型氣室，變壓器絕緣油通過2個油路接口在陶瓷膜管內循環流動，溶解在絕緣油中的故障氣體沿陶瓷膜管外壁分離出去，再通過2個氣路接口與氣體檢測單元連接，該組件中，油路和氣路之間的隔離密封采用的是硅膠圈。

2.2 實驗平臺

實驗平臺在油箱內采用高壓擊穿放電的形式模擬產生變壓器油中溶解的微量故障特征氣體（主要是C₂H₂），放電電壓約為15kV，放電電流在1.5mA左右，測試中陶瓷膜組件直接與油箱連接，油箱內裝有約2L標準變壓器絕緣油，放電一定時間后，在蠕動泵驅動下，變壓器絕緣油在陶瓷膜脫氣組件中循環。

分離出的氣體在氣泵循環下進入光聲池內進行定量檢測，采用近紅外光聲光譜氣體檢測儀進行氣體檢測，該系統為基于可調諧摻鉺光纖環形激光器（TEDFL）和摻鉺光纖放大器（EDFA）的高靈敏度光聲光譜氣體檢測儀，所測得的C₂H₂氣體的濃度值和光聲信號的峰值信號呈線性關系，因此，實驗中直接以測得光聲信號峰值的幅度表示C₂H₂氣體的濃度。

3 實驗結果及分析

3.1 脫氣性能測試

在實驗室室溫條件下，測試陶瓷膜油氣分離膜組件對變壓器典型故障特征氣體C₂H₂的脫氣性能。測量前首先用N₂對所有的氣路進行持續20min的清洗，以排除干擾。

在2L變壓器絕緣油中放電大約1min后開啟蠕動泵，驅動變壓器絕緣油在陶瓷膜管中不斷循環，期間每30min測量一次光聲池信號峰值的大小，即C₂H₂氣體濃度的大小，測得C₂H₂氣體光聲信號峰值大小隨絕緣油循環時間的關系，即氣相C₂H₂濃度和絕緣油在陶瓷膜油氣分離組件內循環時間的關系。

測試結果顯示：C₂H₂氣體濃度在6h左右趨于平衡，這一結果遠遠優于傳統有機物高分子膜十幾個小時乃至數天的平衡時間。

3.2 油中溶解C₂H₂氣體含量與放電時間關系的測試

實驗測試油中溶解C₂H₂氣體的含量與放電時間的關系，實驗條件與脫氣性能測試中條件保持一致（實驗室室溫，2L絕緣油，每輪實驗前用N₂對所有氣路進行20min的清洗），通過改變絕緣油中高壓放電的時間，測得放電時間1～4min的光聲信號的變化。由脫氣性能測試所得結果可知，放電后，溶解有微量C₂H₂氣體的變壓器絕緣油在脫氣裝置內循環6h即可實現C₂H₂氣體脫氣平衡，因此，該節測量點就定在放電后脫氣6h時，以保證氣體含量測定的可靠性。

理論上，放電時間不長的情況下，在絕緣油中放電后，溶解于油中的故障氣體含量與放電時間成正比。經過該組件進行油氣分離而測得油中溶解的C₂H₂氣體含量隨放電時間的增加而增加，兩者幾乎成線性關系，這一結果與實驗預期吻合得很好，從而說明該陶瓷膜組件對于變壓器油中溶解氣體C₂H₂的分離具有很好的重復性，進而證實該陶瓷膜組件進行油氣分離的可靠性。

3.3 問題與討論

在該次對陶瓷膜油氣分離方法的研究中，也發現陶瓷膜油氣分離存在陶瓷膜對油分子的截留率不高的問題，在長時間使用過程中會有少量的油透過陶瓷膜外壁滲透出來，雖然不至于影響實驗的進行，但是考慮到將來真正應用于變壓器在線監測油氣分離時的穩定性和后期維護量，這也是必須解決的問題。

對此，本文考慮換用過濾孔徑更小的陶瓷膜進行實驗，同時也考慮通過改善陶瓷膜組件的結構，增加一個回流裝置來解決長期使用過程中滲油的影響。

4 結論

陶瓷膜應用于變壓器絕緣油故障氣體的油氣分離，可以在6h內實現C₂H₂的脫氣平衡，遠遠快于傳統的有機高分子膜，可以滿足在線監測的要求，因此，陶瓷膜油氣分離膜組件用于變壓器油氣分離可以提高變壓器在線監測的可靠性和實時性。而且，陶瓷膜相比于傳統的有機高分子膜還具有化學穩定性好、機械強度高、使用壽命長等優點，再加上如今陶瓷膜技術發展十分迅速，而且過濾效果穩定，是變壓器油氣分離膜領域一個很好的選擇。