润扬仪器：气体在变压器油中溶解特性的试验研究及应用

变压器运行过程中，受温度、电场、氧气和铜、铁等材料的催化作用影响，绝缘油和固体绝缘材料会发生老化和分解反应，产生H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等气体，分子经扩散、对流、交换、释放等传质过程在变压器油中达到暂时溶解平衡，因此，利用气相色谱仪检测其含量及变化趋势对判断变压器是否存在潜伏性故障具有重要意义。

1 试验

对平衡时的某气体 i 而言，它溶解在变压器油中的浓度Co，i 与在气相中的浓度Cg，i服从亨利定律Co，i= KiCg，i，Ki为 i 的分配系数，与油温度、组成和溶解气体分子结构有关，而与被测气体的实际分压无关。表1列出了 GB /T 17623《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》、GB /T 7252《变压器油中溶解气体分析和判断导则》公布的 50℃测定部分气体Ki值，变压器油对 H2和CO的溶解能力较弱，对CH4、C2H4、C2H6、C2H2的溶解能力较强。表1   1atm、50℃时各气体组分 Ki值

1.1气体在变压器油中的溶解

（1）特征气体的溶解

特征气体通常是指 CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2、CO、CO2等 7 种对判断变压器潜伏性故障具有重要参考意义的气体，为考察溶解饱和程度（含气量）不同对气体在变压器油中溶解的影响，我们进行了如下试验。选取三种不同生产厂家和型号的变压器油，分别编号 1A、2A、3A；再取一组上述三种油样，并分别编号 1B、2B、3B，以 100m L/min 的流速向这三份油样中通入氮气约 3 分钟，每种油样各用100mL玻璃注射器各取40m L油样，并加入5mL。经过震荡静置后，用气相色谱仪（GC-2020A型，润扬仪器有限公司）检测两支油样的溶解气体含量，以溶解饱和程度较低的油样A作为基准，将油样 B 与之比较，分别计算三种变压器油的溶解饱和程度同油样之间溶解气体检测结果的偏差。通过以上3组对比试验可以看出，溶解饱和程度高的油样中各组分浓度和溶解饱和程度低的油样相比，偏差在20%左右，H2浓度两者之间相差近30%。可见含气量对变压器油溶解气体具有较大的影响，其他条件相同时，含气量较低的变压器油溶解能力更强。

（2）平衡气的溶解

平衡气的选择和分析对象有关，为了避免产生较大背景干扰，通常选择与载气一致的气体。当只对CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2、CO、CO2七个组分分析时，一般选择 N2作为平衡气；当还需要分析 N2和 O2进行时，选择 Ar 气作平衡气。对待检测油中溶解的某一气体 i 而言，假设油中已溶解的浓度为Ci，油体积为 Vo，达到平衡后脱出的气样体积为Vg，i浓度为Ci1。油的体积由于温度升高会有一定膨胀，但由于其影响十分有限，在此我们不予考虑。

实际上，油的组成、饱和程度等因素都会对这一过程产生影响，为了获得更多的气样，就需要增加平衡气加入量。有些单位在进行变压器油中溶解气体和含气量分析时选用 Ar 作载气，我们将其与 N2相比进行了一个简单的比对试验。选取 3 种不同生产厂家的变压器油，每种各取 3 份 40m L，分别编号 1D、1E、1F，2D、2E、2F，3D、3E、3F，1D、2D、3D 分别加入 10m LAr，1E、2E、3E 分别加入 5m LN2+ 5m LAr，1F、2F、3F 分别加入 10m LN2，升温至 50℃然后震荡、静置后对比脱气量。可以看出，加入等体积的Ar 和 N2两份油样相比，加入Ar 的油样脱气量远小于加入N2的油样，Ar 比 N2更容易溶解在变压器油中。除进行O2、N2分析这一特殊情况需要 Ar 作载气和平衡气外，使用 N2作载气和平衡气能得到更多脱气量，可有效减小检测误差，提高故障诊断可靠性。

1.2气体从变压器油中的逸出

气体从变压器油中逸散是一直伴随着溶解的动态过程，当变压器油储存在敞开体系时，外部空气中的氮气和氧气会不断溶解于油样，溶解在油中的气体也会不断向外逸散，逸散速度跟外界气压、环境温度等因素有关，气压越大、温度越高，分子逸散速度越快；气压越低、温度越低，分子逸散速度越慢。芬兰科学家 Ｒ.Anderson 曾对油温造成的油中溶解气体逸散损失进行过研究，结果表明如果温度变化幅度为ΔT= 10℃，则在1天内氢气的逸散损失率约为2.5%/天，甲烷约为0.7%/天，其他烃类气体约为0.2% /天。

2 应用分析

现场取变压器油样品时，应严格执行 GB /T 7597《电力用油（变压器油、汽轮机油）取样方法》，注意隔绝空气和密封以保证取样的代表性，并尽量避免产生小气泡。在开展变压器油中溶解气体分析时，还会遇到因某些原因导致未能得出可靠结果的情况。此时若无法复测，不能及时诊断出变压器存在的潜伏性故障，将严重危害设备安全运行；或因专业人员检测过程中操作失误导致正常运行的变压器被误诊有异常，同样也会影响变压器正常运行。针对这一问题，结合气体溶解平衡原理和气体在变压器油中的溶解特性，可利用一次振荡平衡后剩余的油样，再次加入平衡气进行振荡、静置，取二次平衡后的气样分析，由二次平衡后的气样分析结果，推导计算原始待测油样中各组分浓度，并与第一次实测结果比较，蕞终得出可靠结果。通过测定平衡气体中各组分浓度，并根据分配定律和物料平衡原理，导出待测油样中溶解气体各组分浓度的计算公式：

式中：Xi为标准状态下油中溶解气体i组分的浓度，Vl’为50℃时，气、液平衡后油样体积，Vg’为50℃、试验时大气压力下，气、液平衡后平衡气体体积，P为试验时大气压力（kPa），0.929为油中溶解气体组分的浓度从50℃校正到20℃时的温度校正系数。经过第一次振荡平衡脱气后，剩余油样再次注入平衡气进行振荡平衡，转移二次平衡气样做气相色谱仪分析，可以测出二次平衡气样各组分浓度Cig’，并计算出第一次平衡脱气后剩余的油样中各组分的浓度Yi（标准状态），根据物料平衡原理，该油样浓度与第一次振荡平衡时液相中组分i的浓度Cil（50℃、常压状态）换算成标准状态下浓度相等，Cil与第一次振荡平衡时气相中组分i的浓度Cig符合公式（1）的分配平衡关系，由此可以导出：

当第一次测试结果反映充油电气设备存在异常时，可以通过第二次振荡平衡法测试计算出推导值，及时验证数据准确性，与第一次测试结果比较，判断充油电气设备是否确有故障，有效提高分析结果可靠性，及时发现设备存在的潜伏性故障，确保设备安全稳定运行。

总之，通过相关试验，可以得出如下结论：（1）气体在变压器油中的溶解会受到温度、压力等多种因素影响，含气饱和程度对后续气体的溶解也有较大影响，含气量越低，再溶解效率越高。（2）平衡气的种类和加入量会影响脱气量，但不会影响溶解气体蕞终检测结果；检测含气量较低的变压器油时，可通过改变平衡气类型或增加平衡气加入量得到更多脱气量，便于完成气相色谱仪分析和减小误差。（3）将溶解特性试验与气体溶解平衡原理相结合，可通过“二次平衡法”对缺少平行样的油样进行分析能准确返算溶解气体初始浓度，提高故障诊断可靠性。

关于润扬变压器油溶解气分析气相色谱仪

GC-2020A气相色谱仪是根据实际需要开发的一款多用途专用型气相色谱仪。仪器是在GC-2020型基础上经过不断改进实验，采用进口元器件生产制造的新一代高性能气相色谱仪。该仪器适应于变压器油中溶解气的气相色谱分析，并配置专用变压器油色谱工作站分析数据，可以提前预判变压器运行潜伏性故障发生等。

该仪器采用双柱并联、串联热导检测器、甲烷转化炉、双氢焰检测器的气路流程，采用三信号同时输出技术，一次进样完成对绝缘油中溶解H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂等九种气体组分的全分析，具有较好的使用性等特点，可完全满足绝缘油多任务检测分析的需要，各项性能指标均符合GB/T7252 变压器油中溶解气体分析和判断导则国家标准。