陶瓷膜應(yīng)用于變壓器油氣分離的研究
行業(yè)動態(tài)
變壓器油溶解氣分析是大型充油電力設(shè)備健康監(jiān)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(tài)，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(xiàn)變壓器實時在線監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
早期應(yīng)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(xiàn)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(jiān)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(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)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(fù)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(jiān)測響應(yīng)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(shù)天，不能很好地滿足在線監(jiān)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(xué)穩(wěn)定性好、機械強度高、易清洗再生和孔徑分布集中等優(yōu)點，已在食品、藥物等液體分離領(lǐng)域得到應(yīng)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(nèi)外也已出現(xiàn)了將其與有機高分子膜結(jié)合應(yīng)用于變壓器油氣分離領(lǐng)域的相關(guān)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(shè)想，設(shè)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(tǒng)有機膜進行比較。
1 膜分離機制
傳統(tǒng)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(cè)直接與變壓器油接觸，另一側(cè)是一個隔離出的小型氣室，兩側(cè)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(shù)與油中溶解氣體的體積分數(shù)存在一定的換算關(guān)系，因此，通過測定氣室中氣體的體積分數(shù)便可以計算得到油中溶解氣體的濃度。
這種結(jié)構(gòu)相對簡單，在線監(jiān)測上只要將膜固定好，在長期運行中很容易達到穩(wěn)定可靠的性能，比其他油氣分離方法簡單，但是傳統(tǒng)有機膜普遍存在一個致命的缺點——平衡時間比較長。
區(qū)別于傳統(tǒng)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(nèi)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(jié)構(gòu)，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(nèi)外氣體濃度逐漸趨于平衡，不同的是變壓器油在膜管內(nèi)流動過程中會產(chǎn)生內(nèi)壓，在壓力的驅(qū)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(dǎo)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(tǒng)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(jié)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(dǎo)管接頭幾部分，陶瓷膜油氣分離膜組件外殼為管式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)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(shè)2個氣體循環(huán)通路。
外殼內(nèi)裝有過濾孔徑50nm的內(nèi)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(nèi)循環(huán)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(nèi)采用高壓擊穿放電的形式模擬產(chǎn)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(nèi)裝有約2L標準變壓器絕緣油，放電一定時間后，在蠕動泵驅(qū)動下，變壓器絕緣油在陶瓷膜脫氣組件中循環(huán)。
分離出的氣體在氣泵循環(huán)下進入光聲池內(nèi)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(tǒng)為基于可調(diào)諧摻鉺光纖環(huán)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(guān)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(jié)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(xù)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(qū)動變壓器絕緣油在陶瓷膜管中不斷循環(huán)，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(huán)時間的關(guān)系，即氣相C2H2濃度和絕緣油在陶瓷膜油氣分離組件內(nèi)循環(huán)時間的關(guān)系。
測試結(jié)果顯示：C2H2氣體濃度在6h左右趨于平衡，這一結(jié)果遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)有機物高分子膜十幾個小時乃至數(shù)天的平衡時間。
3.2 油中溶解C2H2氣體含量與放電時間關(guān)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(guān)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(jié)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(nèi)循環(huán)6h即可實現(xiàn)C2H2氣體脫氣平衡，因此，該節(jié)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(jīng)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(guān)系，這一結(jié)果與實驗預(yù)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(fù)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(fā)現(xiàn)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(yīng)用于變壓器在線監(jiān)測油氣分離時的穩(wěn)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(jié)構(gòu)，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(jié)論
陶瓷膜應(yīng)用于變壓器絕緣油故障氣體的油氣分離，可以在6h內(nèi)實現(xiàn)C2H2的脫氣平衡，遠遠快于傳統(tǒng)的有機高分子膜，可以滿足在線監(jiān)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(jiān)測的可靠性和實時性。而且，陶瓷膜相比于傳統(tǒng)的有機高分子膜還具有化學(xué)穩(wěn)定性好、機械強度高、使用壽命長等優(yōu)點，再加上如今陶瓷膜技術(shù)發(fā)展十分迅速，而且過濾效果穩(wěn)定，是變壓器油氣分離膜領(lǐng)域一個很好的選擇。
