油中溶解氣體分析是變壓器狀態(tài)檢測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)簡單、體積較小、免于維護等優(yōu)點，因此該方法是油中溶解氣體分析研究的熱點之一。

中國科學院電工研究所、中國科學院大學、國家電網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學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)學報》上撰文，首先對近年來應(yīng)用于油氣分離的高分子滲透膜材料及其結(jié)構(gòu)進行了綜述；然后，結(jié)合現(xiàn)有研究對幾種常見的不同類型的高分子滲透膜進行歸納、總結(jié)和對比；最后，在總結(jié)當前研究的基礎(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，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氫化合物構(gòu)成，在遇到放電或過熱等故障時，化合物中的碳碳鍵和碳氫鍵會發(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、碳氫鍵、碳氧鍵會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，因此可以通過對絕緣油中溶解的氣體種類及含量進行檢測，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）的檢測技術(shù)受到了國內(nèi)外學者的廣泛重視。

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

由此，有必要對油氣分離相關(guān)技術(shù)進行研究，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)果的準確性，從而幫助運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，保障變壓器安全、穩(wěn)定運行。

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)雜的機械裝置和高昂的維護成本。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)具有多項優(yōu)點，例如結(jié)構(gòu)簡單、潛在適應(yīng)性強、低能耗、維護成本低、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。

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

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

中國科學院電工研究所、中國科學院大學、國家電網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學研究院的研究人員對近年來氣體分離相關(guān)的滲透膜技術(shù)進行了研究，并根據(jù)其特性對適用于油氣分離的高分子滲透膜的研究進展進行了歸納。此外，根據(jù)已有的研究成果，結(jié)合電力行業(yè)的實際需求，研究團隊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、實驗人員提供參考。

滲透膜技術(shù)為變壓器狀態(tài)檢測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。

研究團隊針對基于滲透膜的油氣分離技術(shù)研究成果進行了綜述，從滲透膜油氣分離的機理、需求和現(xiàn)狀幾個方面入手，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，研究團隊分別從材料、結(jié)構(gòu)兩個角度對現(xiàn)有的研究進行了闡述和分析，并結(jié)合已有的研究內(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)是實驗室測得的，直接應(yīng)用于實際場景會出現(xiàn)與變壓器的整合問題，即實驗室的測量條件難以適用于實際工況。尤其是滲透膜的平衡時間會受溫度影響，這導致即便經(jīng)過同樣的脫氣時間，氣室中的故障氣體濃度會因溫度的不同而不同。因此，難以采用實驗室中標定的結(jié)果對實際場景中運行的變壓器進行故障診斷。

（2）響應(yīng)時間長于常見在線監(jiān)測裝置。

現(xiàn)有的研究成果顯示，采用滲透膜進行油氣分離所需要的平衡時間通常都在h級。這樣的油氣分離效率難以滿足最小檢測周期不大于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)時間長仍是有待解決問題。

基于上述內(nèi)容，研究團隊對應(yīng)用于變壓器油氣分離的滲透膜技術(shù)發(fā)展方向進行如下展望：

（1）溫度補償。

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

（2）平衡時間。

盡管經(jīng)過長期的發(fā)展，基于滲透膜技術(shù)的油氣分離平衡時間已經(jīng)從最初的上百小時縮短至如今的幾個小時，但是響應(yīng)時間依然較長。因此，需要進一步對滲透膜材料進行改性研究，才能夠使其平衡時間達到一個能夠接受的即時響應(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)的不斷進步，對油中溶解氣體在線監(jiān)測的要求逐步提高，采用滲透膜技術(shù)進行油氣分離是趨勢所在，探索研究具有工業(yè)化潛力的滲透膜具有重大的實際意義。

本文編自2022年第3期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“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。