圖1　裝置流程
1.變壓器　2.油氣分離裝置　3.進樣器
4.色譜柱　5.熱導池　6.阻尼管
7.轉化爐　8.氫火焰
A、B——控制卡　C、D——數據采集卡　E——通訊卡

　　 該裝置由油氣分離部分、組分分離部分、數據采集部分、數據分析及智能專家管理系統等組成。在分析過程中，變壓器油經循環泵送到油氣分離裝置進行油氣分離后，試驗用油排掉。被分離出的混合氣體在載氣的作用下進入組分分離器后排空，經計算機的控制卡、數據采集卡、通訊卡后完成了控制、采集、分析、處理、通訊等過程。

    2　油氣分離

     2.1　油中氣體及特征
　　 氣體能在絕緣油中溶解，溶解量由氣體種類、氣體壓力、油溫度來決定。當油浸變壓器內部發生異常時，絕緣油乃至固體絕緣物進行熱分解，此時若出現氣體，便溶解在絕緣油中。
　　  溶解于油中的氣體量與氣體的壓力成比例(Henry法則)，同時也和本生系數(Bunsen系數)成比例。所謂本生系數是當油面上的氣體壓力為10⁵Pa時，對1mL油中的氣體飽和溶解量換算為標準狀態(0℃,10⁵Pa)下所用的系數。
　　  本生系數與溫度成函數關系，見圖2。表1為50℃時的本生系數。

圖2　本生系數與溫度的關系

表1　50℃本生系數

  式中　P─油面上的氣體壓力分壓
　　　P₀─大氣壓
　　　X─1mL油中的溶解氣體量
　　　K─本生系數
　　  當時，氣體在油中溶解到平衡為止；當時，氣體從油中向空氣中擴散。
   2.2　油中溶解氣體量
　　  在一個充滿油的閉合系統中(見圖3)，將容積從V₁增大到V₂(V₂＞V₁)時推導油中溶解氣體量如下：

　　　　　(1)

  式中　X_i─油氣分離后油樣中氣體的含量

圖3　閉合容器
(a)充油時(容積為V₁)
(b)油氣分離時(容積為V₂)

　　當油和油面上的空間為一個閉合系統時，則

　　　　(2)

  式中　V₁─油氣分離容器的充油容積
　　　V₂─油氣分離時油氣分離容器及空間
　　　X─油氣分離前油樣中氣體的含量
　　  將式(1)、式(2)整理為P的形式時，解X_i：

　　將X_i代入式(1)得：

　　　　(3)

　　當V₂＝2V₁，P＝P₀時，將式(3)除P₀得：

　　　　　(4)

　　所以X＝1＋K
　　將表1本生系數K代入式(4)中，則
　　X＝13.9mL/mL
  2.3　分離流程
　　 當變壓器內部某一點發生故障時，將產生一個高濃度的氣體向外擴散，直到平衡為止。多少時間氣體濃度達到溶解平衡，取決于變壓器的油量和故障嚴重程度，因此應隨時監視變壓器油中溶解氣體的變化，使氣體在沒有達到溶解平衡之前就將油樣經循環油泵送到監測裝置入口進行分析。
　　 根據在閉合系統中油中溶解氣體的溶解擴散原理，采用波紋管和薄膜設計的油氣分離裝置進行油氣分離，其裝置流程如圖4所示。該裝置是將定量油送到波紋管上方，利用波紋管壓縮的空間進行油氣分離，用薄膜來減少油氣分離過程中的死角體積和采集油中溶解的氣體量，并采用六通閥定量地將氣體送到組分分離裝置處進行分析。

圖4　油氣分離流程圖
A——油定量室　B——儲氣室　C——脫氣室

  3　組分分離

   3.1　定性分析
　　  氣相色譜分析(以下簡稱色譜分析)方法是一種物理分離分析技術。這種方法操作簡單、靈敏度高、需要樣品少，所以被廣泛地應用在國防、醫療、化工等部門。電力部門經多年的離線分析，近年來將它推向現場進行在線分析。
　　(1)分離過程
　　 在載氣的推動下，混合樣品從色譜柱入口移動到出口，在吸附劑的篩孔、吸附或固定液和載氣兩相分配作用下，混合樣品分離成單一組分。經過色譜分析柱，吸附能力弱的組分如H₂首先被載氣推出，其次是CO、CH₄……
　　 將混合樣品送入色譜分析柱，從進樣開始應記錄時間t₁到第一個組分峰頂為止，還應記錄時間t₂、第二個組分時間t₃、……，以此作為保留時間(見圖5)。各組分不同，其保留時間也不同。保留時間是組分分離的標志，一般經驗是相鄰兩個組分的保留時間應大于1.2。

圖5　色譜柱內分離過程

　　(2)分離流程
　　 經過油氣分離后的混合氣體，由六通閥切換帶入組分分離裝置后，在載氣的推動下經穩壓閥調節進入熱導池參比室再進入色譜分析柱，然后是氫氣H₂組分進入熱導池工作室檢測，其他組分由于濃度低在熱導池上不產生信號。如一氧化碳CO要經過甲烷催化劑進行反應，生成甲烷后(見反應式CO＋再由氫火焰檢知器檢測，因此在氫火焰檢測器上可檢測到CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂等組分。氫火焰檢知器所需的燃燒氣(H₂)從轉化爐前加入，同時為轉化爐提供活化與轉化用，可解決氫氣對熱導池檢測干擾。在轉化爐氫氣進口與熱導池工作室之間加入阻尼管，保證熱導池工作穩定。組分分離流程如圖6所示。

圖6　組分分離流程圖

 3.2　定量分析
　　 定量分析步驟如下：
　　 (1)求響應因子(S_m)
　　 首先制作試樣用油。取變壓器油試樣300mL，進行震蕩法試驗。試驗條件是50℃時，震蕩20min，試驗后將氣體排凈(也可以用真空法作空白油)。然后制作標油試樣。將上述油樣分成三份，每份100mL，裝入三個針管中，再分別向針管中注入標準氣樣進行震蕩。試驗條件為50℃時，震蕩60min，震蕩后將氣體排凈。將配好的100mL樣品油中取出50mL進行試驗室內震蕩法色譜分析(或其它方法)，分析油樣中氣體組分H₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂濃度B₀，取三次平均值(面積法計算)。再將配好的100mL樣品油中剩余的50mL注入現場分析裝置標定入口進行分析，算出氣體組分(H₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂)峰面積(A₀)，取三次平均值。最后求試驗室分析組分濃度和現場分析組分面積之比，即響應因子

　　(2)求被測組分(H₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂)濃度B_X

B_X＝S_mA_X

 式中　A_X─被測運行設備油中氣體組分峰面積(見圖7)

圖7　被測組分譜圖

　　(3)計算烴類氣體(CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂……)之和
　　(4)計算特征氣體比
　　 CH₄/H₂
　　 C₂H₂/C₂H₄
　　 C₂H₄/C₂H₆
　　 t＝320log(C₂H₄/C₂H₆)＋530
　　(5)做各組分濃度趨勢曲線圖

  4　絕緣狀態分析

　　  應用氣相色譜分析方法檢測變壓器等充油設備的缺陷和故障是采集變壓器油中溶解氣體組分和濃度的變化，找出超出氣體分析導則標準的特征氣體，即H₂、CO、C₂H₂、總烴之和。運行中的變壓器由于負荷變化使絕緣油和固體絕緣材料受熱應力和電應力的作用，油中分解的氣體有H₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、CO₂。超高壓變壓器有痕量的C₂H₂。根據這些特征氣體，并結合各組分濃度趨勢圖和設備絕緣情況進行綜合分析，判斷缺陷和故障的性質。如在繞組中的熱點上、在絕緣導線上、在用壓板的區域上、絕緣纖維元件及襯墊上以及油浸絕緣纖維的熱老化都會產生CO和CO₂。再如電弧燒傷會產生高濃度的H₂，而局部放電產生H₂和C₂H₂，絕緣油的過熱也產生CH₄、C₂H₆和C₂H₄。
　　 根據IEC改良的電研法和5種氣體組分(H₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂)和CO等特征氣體，我們開發了一個絕緣狀態分析軟件^［1］(見圖8)，以便對運行中的變壓器進行在線分析。

圖8　絕緣狀態分析程序框圖

　　 該軟件參數是120臺超高壓故障變壓器測試結果。今后在借鑒使用中應結合國產變壓器結構和絕緣材料的特點，從統計數據中找出特征氣體比的修正值。例如渾河一、二組運行主變測試數據見表2。

表2　渾河一、二組運行主變測試數據

  5　建議

　　 應用變壓器油中溶解氣體組分H₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、CO₂等判斷變壓器內部的缺陷和故障已被廣泛使用，但目前分析中的系數借用的較多，希望國內科研院所應對國產45號、25號變壓器油中溶解氣體的本生系數進行重復試驗，以便滿足生產中的需要。

     關鍵詞：變壓器  變壓器油色譜儀 色譜分析  色譜儀 河南儀器信息網 鄭州寶晶電子科技有限公司 變壓器油中溶解氣體色譜分析流程簡述

 參考文獻 

  1，Tsukioka H, Sugawara K, Mori E and Yamaguchj H. New apparatus for detecting transformer faults［J］ IEEE. Trans. Elec. Insul. 1986，21(2):221～229.