變壓器油溶解氣分析是大型充油電力設(shè)備健康監(jiān)測(cè)的重要手段。通過(guò)對(duì)變壓器絕緣油中的特征故障氣體進(jìn)行定量分析，可以及時(shí)掌握變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行必要的維護(hù)。鑒于目前并沒(méi)有一種方法可以直接對(duì)溶解在油中的氣體進(jìn)行檢測(cè)，因此把溶解在變壓器油中的故障氣體高效地分離出來(lái)是實(shí)現(xiàn)變壓器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
早期應(yīng)用的油氣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(shí)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(cè)使用。近年來(lái)研究比較廣泛的是高分子膜溶解一滲透油氣分離方法，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xì)管膜(GPIOO)、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(jī)高分子膜也普遍存在氣體滲透率低、在線監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，油氣平衡時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)小時(shí)甚至是數(shù)天，不能很好地滿足在線監(jiān)測(cè)的要求。
相比于有機(jī)高分子膜，無(wú)機(jī)膜具有耐高溫、耐微生物、化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、易清洗再生和孔徑分布集中等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)濾孔徑可以達(dá)到3Onm以下，成為有機(jī)高分子膜的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。國(guó)內(nèi)外也已出現(xiàn)了將其與有機(jī)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(jiàn)單獨(dú)用陶瓷膜進(jìn)行油氣分離的研究工作。筆者提出單獨(dú)采用陶瓷膜進(jìn)行油氣分離的設(shè)想，設(shè)計(jì)基于陶瓷膜的油氣分離膜組件，測(cè)試該組件對(duì)于變壓器典型故障氣體CzH。的脫氣性能，并與傳統(tǒng)有機(jī)膜進(jìn)行比較。
傳統(tǒng)的有機(jī)膜油氣分離機(jī)制可以用溶解擴(kuò)散模型進(jìn)行描述，如圖1所示，膜的一側(cè)直接與變壓器油接觸，另一側(cè)是一個(gè)隔離出的小型氣室，兩側(cè)的氣體分子因熱運(yùn)動(dòng)而逐漸趨于平衡，平衡后氣相中氣體的體積分?jǐn)?shù)與油中溶解氣體的體積分?jǐn)?shù)存在一定的換算關(guān)系，因此，通過(guò)測(cè)定氣室中氣體的體積分?jǐn)?shù)便可以計(jì)算得到油中溶解氣體的濃度。這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在線監(jiān)測(cè)上只要將膜固定好，在長(zhǎng)期運(yùn)行中很容易達(dá)到穩(wěn)定可靠的性能，比其他油氣分離方法簡(jiǎn)單，但是傳統(tǒng)有機(jī)膜普遍存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)——平衡時(shí)間比較長(zhǎng)。
區(qū)別于傳統(tǒng)的有機(jī)膜，筆者采用的微孔陶瓷膜是一種“錯(cuò)流過(guò)濾”形式的流體分離過(guò)程：變壓器油在膜管內(nèi)高速流動(dòng)，膜管外是隔離出的小型氣室。陶瓷膜截面如圖2所示，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(guò)程主要是依靠氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)壓，在壓力的驅(qū)動(dòng)下沿垂直方向向外滲透，滲透過(guò)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(shí)間。此外，這種形式的過(guò)濾相比于傳統(tǒng)有機(jī)膜的終端過(guò)濾形式，大大增加了過(guò)濾的面積，也使之更容易達(dá)到較短的平衡時(shí)間。最終的結(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(guò)陶瓷膜管壁分離出去，從而達(dá)到油氣分離的目的。