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科研进展:高分子渗透膜在变压器油中溶解气体分析中的发展方向
电工技术学报 / 时间:2022-04-12 16:08:31

科技通讯4月11日讯:油中溶解气体分析是变压器状态检测最为常见且可靠的方法,油气分离技术则是溶解气体分析中重要的一环。在油气分离技术中,渗透膜是一种较为新颖且颇具前途的分离技术。相较于传统的油气分离方法,渗透膜技术具有结构简单、体积较小、免于维护等优点,因此该方法是油中溶解气体分析研究的热点之一。

中国科学院电工研究所、中国科学院大学、国家电网安徽省电力有限企业电力科学研究院的研究人员陈图南、马凤翔 等,在2022年第3期《电工技术学报》上撰文,首先对近年来应用于油气分离的高分子渗透膜材料及其结构进行了综述;然后,结合现有研究对几种常见的不同类型的高分子渗透膜进行归纳、总结和对比;最后,在总结当前研究的基础上,提出并讨论高分子渗透膜在变压器油中溶解气体分析领域中未来的发展方向。

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三相波纹鳍片密封式油浸变压器,变压器盖附件Three phase corrugated fin

油浸式变压器是目前电力系统中最为常见的变压器类型。随着变压器使用年限的增长,变压器内部的故障不可避免。变压器绝缘油通常由多种碳氢化合物构成,在遇到放电或过热等故障时,化合物中的碳碳键和碳氢键会发生裂解,产生H2及一系列低碳烃类气体。

除变压器油之外,固体绝缘物如变压器绝缘纸中的纤维素分子所含有的碳碳键、碳氢键、碳氧键会在放电或过热的故障下裂解,形成CO、CO2、H2O及烃类气体。不同类型、程度的故障所产生的故障气体种类、浓度、比例不同,因此可以通过对绝缘油中溶解的气体种类及含量进行检测,从而反映油浸式变压器的绝缘状态和故障类型。所以,基于油中溶解气体分析(Dissolved Gas Analysis, DGA)的检测技术受到了国内外学者的广泛重视。

油气分离装置是变压器在线检测系统中的重要单元,承担着将故障气体从变压器绝缘油中分离出来的作用,是进行DGA的前提。油气分离的结果会直接影响脱出的故障气体的浓度,进而影响脱出的故障气体的定量检测结果。所以油气分离的结果会对整个系统的可靠性造成决定性的影响。

由此,有必要对油气分离相关技术进行研究,明确影响油气分离结果的因素,寻找更优的油气分离技术,提升油气分离结果的准确性,从而帮助运维人员更精确地把控变压器的绝缘状态,有助于变压器的预防性维护,保障变压器安全、稳定运行。

真空脱气法和顶空脱气法是已经大规模投入商业应用的油气分离方法。但是,这两类方法往往需要复杂的机械装置和高昂的维护成本。渗透膜技术是一种颇具前途的前述油气分离技术的替代方法。

渗透膜技术具有多项优点,例如结构简单、潜在适应性强、低能耗、维护成本低、不涉及相变、体积小。与传统的油气分离方法相比,渗透膜技术不需要载气及后续处理,便于绝缘油的循环利用和系统维护。

常见的渗透膜材料包括有机材料、无机材料和金属有机骨架化合物等。已经被开发用于有机渗透膜制备的材料包括聚酰亚胺、聚砜类、含氟高分子等,用于制备无机渗透膜的材料包括TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2等,金属有机骨架化合物包括Cu3(BTC)2、沸石咪唑酯等。

一般来说,无机材料成本较高且制膜难度较高,金属有机骨架化合物则尚停留在实验室阶段,难以大规模工业化生产。相较之下,有机高分子材料容易获得、成本低廉、易于加工,是当今研究的主流方向。

中国科学院电工研究所、中国科学院大学、国家电网安徽省电力有限企业电力科学研究院的研究人员对近年来气体分离相关的渗透膜技术进行了研究,并根据其特性对适用于油气分离的高分子渗透膜的研究进展进行了归纳。此外,根据已有的研究成果,结合电力行业的实际需求,研究团队还分析了高分子渗透膜应用于变压器油气分离中的未来研究方向,以期给相关研究、实验人员提供参考。

渗透膜技术为变压器状态检测中的油中溶解气体分析提供了一种新颖且有效的方法。在过去的几十年中,基于渗透膜的油气分离技术得到了长足的发展。如今,在DGA领域中,已有多种材料、多种构型的高分子渗透膜得到了应用。

研究团队针对基于渗透膜的油气分离技术研究成果进行了综述,从渗透膜油气分离的机理、需求和现状几个方面入手,先容高分子渗透膜在油气分离技术领域的应用现状。其中在渗透膜的现状方面,研究团队分别从材料、结构两个角度对现有的研究进行了阐述和分析,并结合已有的研究内容给出了总结与比较。

此外,基于前述的前人研究成果及本研究的综述内容,可以对目前应用于变压器油气分离的渗透膜技术的有待研究的问题归纳如下:

(1)与变压器的潜在整合问题。

目前,大部分渗透膜的数据是实验室测得的,直接应用于实际场景会出现与变压器的整合问题,即实验室的测量条件难以适用于实际工况。尤其是渗透膜的平衡时间会受温度影响,这导致即便经过同样的脱气时间,气室中的故障气体浓度会因温度的不同而不同。因此,难以采用实验室中标定的结果对实际场景中运行的变压器进行故障诊断。

(2)响应时间长于常见在线监测装置。

现有的研究成果显示,采用渗透膜进行油气分离所需要的平衡时间通常都在h级。这样的油气分离效率难以满足最小检测周期不大于2h的要求。而目前较为成熟的真空脱气和顶空脱气方法完成油气分离通常只需要30min以内。因此,应用渗透膜作为油气分离单元的装置响应时间长仍是有待解决问题。

基于上述内容,研究团队对应用于变压器油气分离的渗透膜技术发展方向进行如下展望:

(1)温度补偿。

渗透膜的气体渗透性与温度有着密切的关系。对于同一种渗透膜,不同温度下的平衡常数值差异较大。因此,由于变压器运行时油温有所不同,在使用基于渗透膜的油气分离单元时,应尽量在与平衡常数值标定时相同的温度下进行检测,或采取一定方法来补偿温度变化带来的分离结果的误差。

(2)平衡时间。

尽管经过长期的发展,基于渗透膜技术的油气分离平衡时间已经从最初的上百小时缩短至如今的几个小时,但是响应时间依然较长。因此,需要进一步对渗透膜材料进行改性研究,才能够使其平衡时间达到一个能够接受的即时响应水平。

综上所述,应用于油中溶解气体分析领域油气分离中的高分子渗透膜技术仍在不断发展之中。随着电力工业的不断进步,对油中溶解气体在线监测的要求逐步提高,采用渗透膜技术进行油气分离是趋势所在,探索研究具有工业化潜力的渗透膜具有重大的实际意义。

本文编自2022年第3期《电工技术学报》,论文标题为“高分子渗透膜在变压器油中溶解气体分析中的应用”,编辑为陈图南、马凤翔 等。


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