油中溶解氣體分析是變壓器狀態(tài)檢測(cè)最為常見且可靠的方法，油氣分離技術(shù)則是溶解氣體分析中重要的一環(huán)。在油氣分離技術(shù)中，滲透膜是一種較為新穎且頗具前途的分離技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的油氣分離方法，滲透膜技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、免于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此該方法是油中溶解氣體分析研究的熱點(diǎn)之一。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、國(guó)家電網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院的研究人員陳圖南、馬鳳翔 等，在2022年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，首先對(duì)近年來應(yīng)用于油氣分離的高分子滲透膜材料及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜述；然后，結(jié)合現(xiàn)有研究對(duì)幾種常見的不同類型的高分子滲透膜進(jìn)行歸納、總結(jié)和對(duì)比；最后，在總結(jié)當(dāng)前研究的基礎(chǔ)上，提出并討論高分子滲透膜在變壓器油中溶解氣體分析領(lǐng)域中未來的發(fā)展方向。

油浸式變壓器是目前電力系統(tǒng)中最為常見的變壓器類型。隨著變壓器使用年限的增長(zhǎng)，變壓器內(nèi)部的故障不可避免。變壓器絕緣油通常由多種碳?xì)浠衔飿?gòu)成，在遇到放電或過熱等故障時(shí)，化合物中的碳碳鍵和碳?xì)滏I會(huì)發(fā)生裂解，產(chǎn)生H2及一系列低碳烴類氣體。

除變壓器油之外，固體絕緣物如變壓器絕緣紙中的纖維素分子所含有的碳碳鍵、碳?xì)滏I、碳氧鍵會(huì)在放電或過熱的故障下裂解，形成CO、CO2、H2O及烴類氣體。不同類型、程度的故障所產(chǎn)生的故障氣體種類、濃度、比例不同，因此可以通過對(duì)絕緣油中溶解的氣體種類及含量進(jìn)行檢測(cè)，從而反映油浸式變壓器的絕緣狀態(tài)和故障類型。所以，基于油中溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis, DGA）的檢測(cè)技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。

油氣分離裝置是變壓器在線檢測(cè)系統(tǒng)中的重要單元，承擔(dān)著將故障氣體從變壓器絕緣油中分離出來的作用，是進(jìn)行DGA的前提。油氣分離的結(jié)果會(huì)直接影響脫出的故障氣體的濃度，進(jìn)而影響脫出的故障氣體的定量檢測(cè)結(jié)果。所以油氣分離的結(jié)果會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性造成決定性的影響。

由此，有必要對(duì)油氣分離相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，明確影響油氣分離結(jié)果的因素，尋找更優(yōu)的油氣分離技術(shù)，提升油氣分離結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而幫助運(yùn)維人員更精確地把控變壓器的絕緣狀態(tài)，有助于變壓器的預(yù)防性維護(hù)，保障變壓器安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

真空脫氣法和頂空脫氣法是已經(jīng)大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用的油氣分離方法。但是，這兩類方法往往需要復(fù)雜的機(jī)械裝置和高昂的維護(hù)成本。滲透膜技術(shù)是一種頗具前途的前述油氣分離技術(shù)的替代方法。

滲透膜技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、潛在適應(yīng)性強(qiáng)、低能耗、維護(hù)成本低、不涉及相變、體積小。與傳統(tǒng)的油氣分離方法相比，滲透膜技術(shù)不需要載氣及后續(xù)處理，便于絕緣油的循環(huán)利用和系統(tǒng)維護(hù)。

常見的滲透膜材料包括有機(jī)材料、無機(jī)材料和金屬有機(jī)骨架化合物等。已經(jīng)被開發(fā)用于有機(jī)滲透膜制備的材料包括聚酰亞胺、聚砜類、含氟高分子等，用于制備無機(jī)滲透膜的材料包括TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2等，金屬有機(jī)骨架化合物包括Cu3(BTC)2、沸石咪唑酯等。

一般來說，無機(jī)材料成本較高且制膜難度較高，金屬有機(jī)骨架化合物則尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段，難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。相較之下，有機(jī)高分子材料容易獲得、成本低廉、易于加工，是當(dāng)今研究的主流方向。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、國(guó)家電網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院的研究人員對(duì)近年來氣體分離相關(guān)的滲透膜技術(shù)進(jìn)行了研究，并根據(jù)其特性對(duì)適用于油氣分離的高分子滲透膜的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納。此外，根據(jù)已有的研究成果，結(jié)合電力行業(yè)的實(shí)際需求，研究團(tuán)隊(duì)還分析了高分子滲透膜應(yīng)用于變壓器油氣分離中的未來研究方向，以期給相關(guān)研究、實(shí)驗(yàn)人員提供參考。

滲透膜技術(shù)為變壓器狀態(tài)檢測(cè)中的油中溶解氣體分析提供了一種新穎且有效的方法。在過去的幾十年中，基于滲透膜的油氣分離技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。如今，在DGA領(lǐng)域中，已有多種材料、多種構(gòu)型的高分子滲透膜得到了應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)基于滲透膜的油氣分離技術(shù)研究成果進(jìn)行了綜述，從滲透膜油氣分離的機(jī)理、需求和現(xiàn)狀幾個(gè)方面入手，介紹高分子滲透膜在油氣分離技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。其中在滲透膜的現(xiàn)狀方面，研究團(tuán)隊(duì)分別從材料、結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度對(duì)現(xiàn)有的研究進(jìn)行了闡述和分析，并結(jié)合已有的研究?jī)?nèi)容給出了總結(jié)與比較。

此外，基于前述的前人研究成果及本研究的綜述內(nèi)容，可以對(duì)目前應(yīng)用于變壓器油氣分離的滲透膜技術(shù)的有待研究的問題歸納如下：

（1）與變壓器的潛在整合問題。

目前，大部分滲透膜的數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的，直接應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景會(huì)出現(xiàn)與變壓器的整合問題，即實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量條件難以適用于實(shí)際工況。尤其是滲透膜的平衡時(shí)間會(huì)受溫度影響，這導(dǎo)致即便經(jīng)過同樣的脫氣時(shí)間，氣室中的故障氣體濃度會(huì)因溫度的不同而不同。因此，難以采用實(shí)驗(yàn)室中標(biāo)定的結(jié)果對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中運(yùn)行的變壓器進(jìn)行故障診斷。

（2）響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于常見在線監(jiān)測(cè)裝置。

現(xiàn)有的研究成果顯示，采用滲透膜進(jìn)行油氣分離所需要的平衡時(shí)間通常都在h級(jí)。這樣的油氣分離效率難以滿足最小檢測(cè)周期不大于2h的要求。而目前較為成熟的真空脫氣和頂空脫氣方法完成油氣分離通常只需要30min以內(nèi)。因此，應(yīng)用滲透膜作為油氣分離單元的裝置響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)仍是有待解決問題。

基于上述內(nèi)容，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)應(yīng)用于變壓器油氣分離的滲透膜技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行如下展望：

（1）溫度補(bǔ)償。

滲透膜的氣體滲透性與溫度有著密切的關(guān)系。對(duì)于同一種滲透膜，不同溫度下的平衡常數(shù)值差異較大。因此，由于變壓器運(yùn)行時(shí)油溫有所不同，在使用基于滲透膜的油氣分離單元時(shí)，應(yīng)盡量在與平衡常數(shù)值標(biāo)定時(shí)相同的溫度下進(jìn)行檢測(cè)，或采取一定方法來補(bǔ)償溫度變化帶來的分離結(jié)果的誤差。

（2）平衡時(shí)間。

盡管經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，基于滲透膜技術(shù)的油氣分離平衡時(shí)間已經(jīng)從最初的上百小時(shí)縮短至如今的幾個(gè)小時(shí)，但是響應(yīng)時(shí)間依然較長(zhǎng)。因此，需要進(jìn)一步對(duì)滲透膜材料進(jìn)行改性研究，才能夠使其平衡時(shí)間達(dá)到一個(gè)能夠接受的即時(shí)響應(yīng)水平。

綜上所述，應(yīng)用于油中溶解氣體分析領(lǐng)域油氣分離中的高分子滲透膜技術(shù)仍在不斷發(fā)展之中。隨著電力工業(yè)的不斷進(jìn)步，對(duì)油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)的要求逐步提高，采用滲透膜技術(shù)進(jìn)行油氣分離是趨勢(shì)所在，探索研究具有工業(yè)化潛力的滲透膜具有重大的實(shí)際意義。

本文編自2022年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高分子滲透膜在變壓器油中溶解氣體分析中的應(yīng)用”，作者為陳圖南、馬鳳翔 等。