摘 要：针对传统真空取气方法脱气率不稳的难题，提出了“恒定真空度”取气方法并研制了新型真空取气装置，设计气缸与直线电机联用取代传统真空泵，为取气过程提供恒定真空源；在恒定真空度下及时转移气体，提高了气体解析和平衡速度，完全避免了气体的回溶。该新型取气装置对绝缘油中溶解气体脱气率稳定，年变化率小于2%，且实现了清洗、真空、取气、进样全过程自动化，最大限度减小样品前处理过程中的人为误差和随机误差，保障了绝缘油中溶解气体组分含量色谱分析的准确性。
关键词：绝缘油；色谱分析；取气装置；脱气效率；恒定真空
0 引言
DGA（油中溶解气体分析）是评估运行中变压器健康状态的重要手段[1-3]，对维护电力持续可靠供应至关重要。作为变压器等充油电气设备内部缺陷诊断的重要手段，DGA主要包括样品前处理和色谱仪分析2个过程。所谓样品前处理，就是将溶解在油中的气体取出收集，提供给色谱仪分析，这一过程是DGA分析中最大的误差来源，直接影响油中气体含量分析的准确性，给变压器运行状态的准确评估带来困难。
目前，GB/T 17623提供的样品前处理方法有2种[4]：一种是基于顶空原理的机械振荡法，该方法具有设备简单、易操作等优点，但存在人工工序多，无法实现自动化的问题；另一种变径活塞脱气法属真空方法，自动化程度较高，但脱气率随机变化，分析数据的平行性差。为了提高DGA分析的准确性，在样品前处理环节必须解决人为误差和随机误差的问题，因此研究全自动的、具有稳定脱气率的真空取气方法是较好的解决途径。
1 真空取气方法脱气率影响因素
对于传统真空取气方法，脱气率理论计算公式[5，6]如式（1）所示：
式中：Ei为气体的理论脱气率；Ki为气体i在油中的溶解系数；Vo为被取气的油样体积；Vv为取气的真空空间体积；i代表H2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，CO，CO2中的某一组分。
理论上影响脱气率的主要因素如表1所示。除表1中所述，影响真空取气装置脱气率的客观因素还包括：现今真空技术无法达到全真空；受分析时间限制，取气次数不可无限次；气体析出后收集转移过程存在回溶或残留现象，气体收集不完全，等等。
表1 真空取气方法脱气率主要影响因素
2 传统真空取气方法缺点
传统真空取气方法往往一味追求高脱气率，而忽略了脱气率不稳定的问题，特征气体脱气率波动大，样品前处理过程的误差造成DGA分析误差较大。
真空取气装置定型后，取气次数、体积比、平衡状态等参数全部固定下来，唯一不可控的是取气过程的负压条件（真空度），在温度一定时，压力条件决定Ki值的大小，因此该条件是影响真空取气装置脱气率的关键因素。
长期的试验研究证明，真空法的脱气率与真空泵的真空度有直接关系。传统真空泵主要采用旋片式，在每次启动后达到的真空度都不是定值，若连续使用，真空度的稳定性较差，将造成真空取气装置的脱气率随机变化。
3 新型真空取气装置的研制
针对传统真空泵存在的问题，以实现真空取气方法稳定脱气为目标，研制了新型真空取气装置。该装置采用气缸和直线电机组成类似于柱塞泵的结构，替代传统真空泵为取气空间提供真空源；气缸内安装有位置传感器，实现油样体积的准确定量；在取气室设计有绝压传感器、油雾化器，绝压传感器可准确测量体系压力，而油雾化器对油样进行雾化，可大大增加油在真空环境内的表面积，提高气体解析和平衡速度；此外，该装置首次采用定量补气技术，在油样脱气过程中，可对取气室定量补入氮气，洗脱油中残存气体，加快油中气体的解析。
基于上述原理的全自动真空脱气装置典型结构如图1所示。取气开始时，保证取气室恒温，温度通常设定为50℃；对系统抽真空，当取气室的真空度调整到设定值后，注入定量油样；油经过取气室的雾化器转移至取气室内；使用另一气缸和直线电机组对解析出的气体进行转移，并收集保存；开启定量补气管补充氮气，油中气体再次解析，重复气体的转移、保存操作，直至取气完成。在整个取气过程中，取气室的压力是逐渐下降的，完全避免了气体的回溶，同时增加了取气室的空间；取出的气体压缩至六通阀的定量环保存，六通阀自动将定量环中的气体注入气相色谱仪开始分析，实现DGA分析全过程的自动化。
图1 全自动真空脱气装置结构原理
4 新型真空取气装置脱气率测量
恒温恒压条件下，对于装有油样的密闭系统，保证气体在液、气两相达到分配平衡。先制备空白油（不含溶解故障气体组分，浓度为0），在密闭系统内加入一定量的空白油和一定量的标准气体，气体在液、气两相达到分配平衡后，计算气体在油相中溶解气体组分的浓度。
式（2），（3），（4）中：
为平衡条件下，溶解气体i组分在油中的理论浓度为平衡条件下，溶解气体i组分在气体中的浓度；Cig为标准气i组分的浓度；Vg为气体体积；Vl为油样体积。
表2 新型真空取气装置脱气率 %
对标准油样进行真空取气，应用色谱分析，获得实测值Cil，即真空取气装置与色谱仪联用测得的气体i组分在油中的浓度。该真空取气装置的脱气率Ri如式（5）所示。
按照上述步骤，配制已知溶解气体浓度的标准油，利用新型真空取气装置取气，将取出的气体用气相色谱仪分析，根据公式（5）计算出7种特征气体的脱气率。该试验每隔2个月进行1次，1年测试7次，测试数据如表2所示，可以看出，新型真空取气装置实际脱气率的年变化率小于2%。而传统真空取气装置对标准油样脱气率波动较大，远没有新型真空脱气装置测量结果稳定，图2为2种装置脱气率标准差对比。由于该新型取气装置脱气率稳定、自动化程度高，目前已在江苏13地市油气实验室推广应用。
图2 新型真空取气装置与传统装置脱气率标准差比较
5 结语
围绕一种DGA中真空取气方法对脱气率的影响因素进行详细讨论，分析了传统真空取气方法脱气率不稳定的关键原因，研究了“恒定真空度”取气方法及新型真空取气装置。
该装置优选气缸与直线电机联用，取代传统真空泵，装置使用过程中可提供稳定的真空源，解决了传统真空取气方法脱气率不稳的难题，脱气率年变化率小于2%；脱气装置创新设计了自动进样模块，可与色谱分析装置无缝连接，实现了色谱分析全过程自动化，最大限度减小了人为误差和随机误差，提高了色谱分析的准确性，为充油电力设备的状态评估提供可靠依据，推广应用前景广阔。
