图1　装置流程
1.变压器　2.油气分离装置　3.进样器
4.色谱柱　5.热导池　6.阻尼管
7.转化炉　8.氢火焰
A、B——控制卡　C、D——数据采集卡　E——通讯卡

　　 该装置由油气分离部分、组分分离部分、数据采集部分、数据分析及智能专家管理系统等组成。在分析过程中，变压器油经循环泵送到油气分离装置进行油气分离后，试验用油排掉。被分离出的混合气体在载气的作用下进入组分分离器后排空，经计算机的控制卡、数据采集卡、通讯卡后完成了控制、采集、分析、处理、通讯等过程。

    2　油气分离

     2.1　油中气体及特征
　　 气体能在绝缘油中溶解，溶解量由气体种类、气体压力、油温度来决定。当油浸变压器内部发生异常时，绝缘油乃至固体绝缘物进行热分解，此时若出现气体，便溶解在绝缘油中。
　　  溶解于油中的气体量与气体的压力成比例(Henry法则)，同时也和本生系数(Bunsen系数)成比例。所谓本生系数是当油面上的气体压力为10⁵Pa时，对1mL油中的气体饱和溶解量换算为标准状态(0℃,10⁵Pa)下所用的系数。
　　  本生系数与温度成函数关系，见图2。表1为50℃时的本生系数。

图2　本生系数与温度的关系

表1　50℃本生系数

  式中　P─油面上的气体压力分压
　　　P₀─大气压
　　　X─1mL油中的溶解气体量
　　　K─本生系数
　　  当时，气体在油中溶解到平衡为止；当时，气体从油中向空气中扩散。
   2.2　油中溶解气体量
　　  在一个充满油的闭合系统中(见图3)，将容积从V₁增大到V₂(V₂＞V₁)时推导油中溶解气体量如下：

　　　　　(1)

  式中　X_i─油气分离后油样中气体的含量

图3　闭合容器
(a)充油时(容积为V₁)
(b)油气分离时(容积为V₂)

　　当油和油面上的空间为一个闭合系统时，则

　　　　(2)

  式中　V₁─油气分离容器的充油容积
　　　V₂─油气分离时油气分离容器及空间
　　　X─油气分离前油样中气体的含量
　　  将式(1)、式(2)整理为P的形式时，解X_i：

　　将X_i代入式(1)得：

　　　　(3)

　　当V₂＝2V₁，P＝P₀时，将式(3)除P₀得：

　　　　　(4)

　　所以X＝1＋K
　　将表1本生系数K代入式(4)中，则
　　X＝13.9mL/mL
  2.3　分离流程
　　 当变压器内部某一点发生故障时，将产生一个高浓度的气体向外扩散，直到平衡为止。多少时间气体浓度达到溶解平衡，取决于变压器的油量和故障严重程度，因此应随时监视变压器油中溶解气体的变化，使气体在没有达到溶解平衡之前就将油样经循环油泵送到监测装置入口进行分析。
　　 根据在闭合系统中油中溶解气体的溶解扩散原理，采用波纹管和薄膜设计的油气分离装置进行油气分离，其装置流程如图4所示。该装置是将定量油送到波纹管上方，利用波纹管压缩的空间进行油气分离，用薄膜来减少油气分离过程中的死角体积和采集油中溶解的气体量，并采用六通阀定量地将气体送到组分分离装置处进行分析。

图4　油气分离流程图
A——油定量室　B——储气室　C——脱气室

  3　组分分离

   3.1　定性分析
　　  气相色谱分析(以下简称色谱分析)方法是一种物理分离分析技术。这种方法操作简单、灵敏度高、需要样品少，所以被广泛地应用在国防、医疗、化工等部门。电力部门经多年的离线分析，近年来将它推向现场进行在线分析。
　　(1)分离过程
　　 在载气的推动下，混合样品从色谱柱入口移动到出口，在吸附剂的筛孔、吸附或固定液和载气两相分配作用下，混合样品分离成单一组分。经过色谱分析柱，吸附能力弱的组分如H₂首先被载气推出，其次是CO、CH₄……
　　 将混合样品送入色谱分析柱，从进样开始应记录时间t₁到第一个组分峰顶为止，还应记录时间t₂、第二个组分时间t₃、……，以此作为保留时间(见图5)。各组分不同，其保留时间也不同。保留时间是组分分离的标志，一般经验是相邻两个组分的保留时间应大于1.2。

图5　色谱柱内分离过程

　　(2)分离流程
　　 经过油气分离后的混合气体，由六通阀切换带入组分分离装置后，在载气的推动下经稳压阀调节进入热导池参比室再进入色谱分析柱，然后是氢气H₂组分进入热导池工作室检测，其他组分由于浓度低在热导池上不产生信号。如一氧化碳CO要经过甲烷催化剂进行反应，生成甲烷后(见反应式CO＋再由氢火焰检知器检测，因此在氢火焰检测器上可检测到CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂等组分。氢火焰检知器所需的燃烧气(H₂)从转化炉前加入，同时为转化炉提供活化与转化用，可解决氢气对热导池检测干扰。在转化炉氢气进口与热导池工作室之间加入阻尼管，保证热导池工作稳定。组分分离流程如图6所示。

图6　组分分离流程图

 3.2　定量分析
　　 定量分析步骤如下：
　　 (1)求响应因子(S_m)
　　 首先制作试样用油。取变压器油试样300mL，进行震荡法试验。试验条件是50℃时，震荡20min，试验后将气体排净(也可以用真空法作空白油)。然后制作标油试样。将上述油样分成三份，每份100mL，装入三个针管中，再分别向针管中注入标准气样进行震荡。试验条件为50℃时，震荡60min，震荡后将气体排净。将配好的100mL样品油中取出50mL进行试验室内震荡法色谱分析(或其它方法)，分析油样中气体组分H₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂浓度B₀，取三次平均值(面积法计算)。再将配好的100mL样品油中剩余的50mL注入现场分析装置标定入口进行分析，算出气体组分(H₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂)峰面积(A₀)，取三次平均值。最后求试验室分析组分浓度和现场分析组分面积之比，即响应因子

　　(2)求被测组分(H₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂)浓度B_X

B_X＝S_mA_X

 式中　A_X─被测运行设备油中气体组分峰面积(见图7)

图7　被测组分谱图

　　(3)计算烃类气体(CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂……)之和
　　(4)计算特征气体比
　　 CH₄/H₂
　　 C₂H₂/C₂H₄
　　 C₂H₄/C₂H₆
　　 t＝320log(C₂H₄/C₂H₆)＋530
　　(5)做各组分浓度趋势曲线图

  4　绝缘状态分析

　　  应用气相色谱分析方法检测变压器等充油设备的缺陷和故障是采集变压器油中溶解气体组分和浓度的变化，找出超出气体分析导则标准的特征气体，即H₂、CO、C₂H₂、总烃之和。运行中的变压器由于负荷变化使绝缘油和固体绝缘材料受热应力和电应力的作用，油中分解的气体有H₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、CO₂。超高压变压器有痕量的C₂H₂。根据这些特征气体，并结合各组分浓度趋势图和设备绝缘情况进行综合分析，判断缺陷和故障的性质。如在绕组中的热点上、在绝缘导线上、在用压板的区域上、绝缘纤维元件及衬垫上以及油浸绝缘纤维的热老化都会产生CO和CO₂。再如电弧烧伤会产生高浓度的H₂，而局部放电产生H₂和C₂H₂，绝缘油的过热也产生CH₄、C₂H₆和C₂H₄。
　　 根据IEC改良的电研法和5种气体组分(H₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂)和CO等特征气体，我们开发了一个绝缘状态分析软件^［1］(见图8)，以便对运行中的变压器进行在线分析。

图8　绝缘状态分析程序框图

　　 该软件参数是120台超高压故障变压器测试结果。今后在借鉴使用中应结合国产变压器结构和绝缘材料的特点，从统计数据中找出特征气体比的修正值。例如浑河一、二组运行主变测试数据见表2。

表2　浑河一、二组运行主变测试数据

  5　建议

　　 应用变压器油中溶解气体组分H₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、CO₂等判断变压器内部的缺陷和故障已被广泛使用，但目前分析中的系数借用的较多，希望国内科研院所应对国产45号、25号变压器油中溶解气体的本生系数进行重复试验，以便满足生产中的需要。

     关键词：变压器  变压器油色谱仪 色谱分析  色谱仪 河南仪器信息网 郑州宝晶电子科技有限公司 变压器油中溶解气体色谱分析流程简述

 参考文献 

  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.