基于中空纤维膜的油气渗透的试验装置以及油气渗透实验方法
【专利摘要】本发明提出了基于中空纤维膜的气体渗透实验装置，包括储油箱、油气渗透装置、温控装置和循环装置,所述储油箱通过循环装置与油气渗透装置相连，温控装置用于对油气渗透装置内部的温度进行调整。由油气渗透装置分离出的多组分气体在载气的推动下进入置于恒温箱内的色谱柱并进行混合气体的分离。本发明开展了变压器油中多组分混合气体监测特性试验，通过分析样气量、载气流速以及温度对出峰时间和峰形的影响，确定了整体试验系统的最佳工作参数，实现了变压器油中混合气体的有效分离和分别检测。
【专利说明】基于中空纤维膜的油气渗透的试验装置以及油气渗透实验 方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气设备绝缘在线监测与故障诊断领域，特别涉及一种基于中空纤维 膜的用于在变压器油中溶解气体在线分析过程中将油气进行高效率分离的实验装置。
【背景技术】
[0002] 电力变压器作为电能传输和配送过程中能量转换的核心，是设备安全运行中最重 要和最关键的设备。变压器的严重事故会导致电力供应的中断，并造成巨大的经济损失。研 究表明，变压器由内绝缘问题引发的变压器故障占主要部分。运行时变压器油中溶解气体 的类别、含量以及变化趋势能有效反映出变压器的运行状态；跟踪监测变压器油中溶解气 体的变化，监视变压器的运行状况对确保变压器安全运行具有积极作用。因此，对变压器油 中溶解气体在线监测继续进行深入研究十分必要。
[0003] 由于直接测量油中微量故障特征气体的传感器还没有出现，从油中高效渗透出溶 解气体便成为故障检测和分析的前提，对其进行研究具有重要的现实意义和实用价值。本 发明在进行油气渗透特性研究的基础上，提出了基于中空纤维膜的气体渗透实验装置，由 油气渗透装置分离出的多组分气体在载气的推动下进入置于恒温箱内的色谱柱并进行混 合气体的分离。开展了变压器油中多组分混合气体监测特性试验，通过分析样气量、载气流 速以及温度对出峰时间和峰形的影响，确定了整体试验系统的最佳工作参数，实现了变压 器油中混合气体的有效分离和分别检测。
[0004] 真空泵法在常规色谱分析中应用较广，利用真空泵抽气来抽取油中溶解气体，废 油回到变压器油箱，来实现变压器油中溶解气体的在线监测，但该方法常由于现场条件的 限制，只能做到四种特征气体的有效检测，且抽气效率会随使用时间增长而降低，不能满在 线监测的要求
[0005] 机械振荡法是20世纪70年代末由我国提出并研究成功的一种脱气方法，它是基 于顶空色谱法原理实现对油中气体的分析，实际上是一种"部分洗脱法";采用这种方法仪 器设备简单，操作与维护都很方便，重现性好，灵敏度高，这种方法的不足是测量各个组分 气体浓度时，需要引入气体分配系数，无法满足在线监测的要求。
[0006] 波纹管法是利用电机带动波纹管反复压缩，多次抽真空，将油中溶解气体抽出来， 由于每次检测后积存在波纹管孔隙里的残油很难完全排出，因而容易造成对下一个油样的 污染。载气洗脱法是由Galand等人提出来并采用的，其原理是将油样注入容器后通入载气 鼓泡使载气和油中气体进行多次交换与平衡，用载气置换油中气体，优点是脱气率高，脱气 和进样一次完成，重复性好，缺点是污染油品，不能回收。
[0007] 动态顶空脱气技术又称为吹扫-捕集法，它是对载气洗脱法的进一步发展。除采 用载气洗脱外，还增加了一个气体捕集。是指从油中脱出的气体先由捕集收集起来，要使用 时再进行气体脱附，操作简单，灵敏度高，但会对油形成一定的污染，导致油不符合回收标 准，经济性较差。
[0008] 高分子膜法是近年一直被研究的油气分离方式，一般是由聚四氟乙烯（PIFE)、聚 酰亚胺（PI)、聚偏氟乙烯、聚六氟丙烯等材料制成，具有一定的机械强度外，还具有耐油、 耐高温的特性，相比其它脱气方式成本较低，不对变压器油产生污染和消耗，但脱气效率较 低，油气平衡时间一般都在24小时以上，甚至几天。
【发明内容】
[0009] 有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种基于中空纤维膜的油气渗透出溶解故障 气体用于故障检测和分析的实验装置。
[0010] 本发明的目的之二是提供一种基于中空纤维膜的油气渗透出溶解故障气体用于 故障检测和分析的方法。
[0011] 本发明的目的一是通过以下技术方案来实现的：
[0012] 一种基于中空纤维膜的油气渗透的试验装置，包括储油箱、油气渗透装置、温控装 置和循环装置；其特征在于：
[0013] 所述储油箱通过循环装置与油气渗透装置相连，温控装置用于对油气渗透装置内 部的温度进行调整。
[0014] 所述油气渗透装置包括立方体结构的油气渗透箱、安装在油气渗透箱壁上的一个 或多个加热棒、设置在油气渗透箱内部的两个圆形支架盘以及固定在所述圆形支架盘上的 一根或两根中空纤维膜毛细管；其中，油气渗透箱箱体左右两侧分别开设有进油口和出油 口，顶部开设油气渗透箱回油口，箱体壁上还设置4个取气口，所述中空纤维膜毛细管通过 取气口伸出油气渗透箱；所述循环装置包括输油管、回油管、油泵，通过输油管连接储油箱 出油口和油气渗透箱的进油口，通过输油管连接油气渗透箱出油口和油泵的入口，油泵的 出口通过输油管连接至储油箱的回油口，通过回油管连接油泵的溢流阀和油气渗透箱回油 口；所述温控装置控制加热棒的加热功率使得油气渗透箱内温度恒定。
[0015] 其中，所述中空纤维膜毛细管采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚六氟丙烯制备：
[0016] 将聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚六氟丙烯分别置于容器中，放入烘焙炉内，以 15°C /min的升温速度烘焙到150°C后，保温6小时；
[0017] 按烘焙后的聚四氟乙烯60-70Wt %，聚偏氟乙烯15-25Wt %，聚六氟丙烯 10-15Wt%进行配制；其中，Wt%为质量百分比。
[0018] 将配制后的混合原料搅拌均匀，置于容器中，放入烘焙炉内，预热到200°C时，保温 5小时，再继续加热到300°C后，保温6小时；
[0019] 将加热后的混合原料通过中空纤维喷丝头以5ml/min的速度挤出，形成初生纤 维；初生纤维移动l〇cm后，在20°C冷却定型，定型后的中空纤维透气膜外径为1. 0-1. 5mm, 壁厚为 0. 2-0. 4mm ;
[0020] 将冷却定型后的中空纤维透气膜以绕速10m/min绕于轮上，得到所述中空纤维膜 毛细管。
[0021] 本申请还公开了一种所述实验装置的油气渗透实验方法，其特征在于，所述方法 包括以下步骤：
[0022] (1)在开始试验之前，用高纯氮气吹洗中空纤维膜毛细管5?lOmin ;
[0023] (2)连接好所述试验装置，打开连接储油箱的阀门，同时开启电动机以驱动循环装 置，试验装置稳定运行5?lOmin后，观察各输油管口和阀门接口处是否存在漏油现象；
[0024] (3)调节温控装置对油气渗透装置内的绝缘油进行加热，加热时间约为3?5min， 待油温稳定后，每间隔设定的时间，用取样器对渗透装置外的毛细管进行取样；
[0025] (4)在取样时，用接有压力表的真空泵对毛细管一端进行抽真空，从而使通过毛细 管壁进入管内的混合气体集中于另一端，然后用取样器进行取样，每次取样0. 5ml?lml， 同时从储油箱中取油样约30ml，再将气样和油样均送到气相色谱仪进行检测。
[0026] 本发明的优点在于：本发明提供了基于中空纤维膜的油气渗透试验装置和相应的 试验方法。该装置同传统的平板式油气分离装置相比，结构简单，操作方便，试验结果表明 能够取得较好的试验效果，该装置的优点具体如下：
[0027] ①分离膜组件采用本发明研制的中空纤维毛细管，只需放置于渗透装置内的支架 盘上而无需其他支撑体，同传统的板框式和螺旋卷式分离膜组件相比，组件结构更加简单， 并且易于清洗和更换。
[0028] ②与一般的油气渗透装置不同，分离膜组件直接置于油箱内，在油泵循环系统的 驱动下，使分离膜的有效渗透面积大大增加，提高了油气渗透效率。
[0029] ③中空纤维毛细管具备良好的抗污染性，满足在线监测技术的要求，保证了试验 的重现性。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述，其中：
[0031] 图1为中空纤维膜油气渗透试验装置的油气渗透装置；
[0032] 图2为中空纤维膜油气渗透试验装置的结构示意图；
[0033] 图3为中空纤维膜制备流程图；
[0034] 图4为中空纤维膜实物图。
【具体实施方式】
[0035] 以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例 仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0036] 本发明提供的基于中空纤维膜的油气渗透的试验装置如图2所示，包括储油箱、 油气渗透组件、温控装置和循环装置；所述储油箱通过循环装置与油气渗透装置相连，温控 装置用于对油气渗透装置内部的温度进行调整。
[0037] 所述油气渗透装置如附图1所示，包括立方体结构的油气渗透箱、安装在油气渗 透箱壁上的一个或多个加热棒、设置在油气渗透箱内部的两个圆形支架盘以及固定在所述 圆形支架盘上的一根或两根中空纤维膜毛细管；其中，油气渗透箱箱体左右两侧分别开设 有进油口和出油口，顶部开设油气渗透箱回油口，箱体壁上还设置4个取气口，所述中空纤 维膜毛细管通过取气口伸出油气渗透箱。
[0038] 所述循环装置包括输油管、回油管、油泵，通过输油管连接储油箱出油口和油气渗 透箱的进油口，通过输油管连接油气渗透箱出油口和油泵的入口，油泵的出口通过输油管 连接至储油箱的回油口，通过回油管连接油泵的溢流阀和油气渗透箱回油口；所述温控装 置控制加热棒的加热功率使得油气渗透箱内温度恒定。
[0039] 气渗透特性试验的核心过程实际上就是油中气体在分离膜组件中的渗透过程。一 般来说，将分离膜、固定分离膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为分 离膜组件。油气渗透试验装置的设计和试验方法的选择主要取决于分离膜组件的结构及膜 的形状。本发明采用的中空纤维膜毛细管属于一种外压式管式分离膜组件，分离膜则被浇 铸在多孔支撑管外侧面，加压的料液流从管外侧流过，被选择渗透的气体则由管外侧通过 膜渗透入多孔支撑管内，都可以根据需要设计成串联或并联装置。
[0040] 为了使油气渗透试验与变压器真实运行状况保持更好的一致性，设计了模拟储油 箱和油气渗透装置。储油箱采用不锈钢材料制作而成，尺寸为0. 5mX0. 4mX0. 3m，外部通过 阀门连接由电动机驱动的柱塞泵以及油气渗透装置，从而保证油路系统的循环以模拟真实 变压器的运行状况，并加快油中气体达到溶解平衡。油气渗透装置是由不锈钢材料采用特 殊工艺制作而成，具备恒温功能和良好的密封性，尺寸为290mmX205mmX200mm(此处的尺 寸是外径，附图1中的尺寸为内径），如图1所示。其外部安装加热棒对装置内的绝缘油进 行加热，在外部油泵的驱动下可以保证绝缘油均匀受热从而达到试验所需温度，油气渗透 装置底部安装了两个直径为50_、厚度为1. 5mm的不锈钢圆形支架盘，用于支撑与固定中 空纤维膜（毛细管），毛细管两端管口通过装置正面的直径为1〇_的取气口（共四个）伸 出装置，以便试验结束时用取样器从外部直接取气。
[0041] 油气渗透试验结构示意图如图2所示。油气渗透装置内装满绝缘油，一端通过阀 门和储油箱相连，另一端和油泵及电动机组成的循环装置连接。
[0042] ①温控装置
[0043] 采用智能温控仪XMT-8000与热电阻、固态继电器共同组成温控装置，为了改善加 热的均匀性，采取长加热棒置于油气渗透装置侧面的线加热方式，通过设定温度值从而控 制加热器功率使油气渗透箱内温度恒定，经试验调试后，控温精度可达±0. 5°c。
[0044] ②循环装置
[0045] 为了模拟实际变压器运行时的油循环，并且使油气渗透装置中变压器绝缘油受热 均匀，加快油中溶解气体达到渗透平衡，采用柱塞泵和可控速电机组成油泵循环装置，通过 试验调节后，循环装置流速为0. 8L/min。
[0046] 本发明试验所用中空纤维膜的制备方法采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚六氟丙 烯为原料，具体制备的流程如附图3所示：
[0047] 具体实施时，首先将聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚六氟丙烯分别置于容器中，放 入烘焙炉内，以15°C /min的升温速度烘焙到150°C后，保温6小时；按烘焙后的聚四氟乙 烯60-70Wt%，聚偏氟乙烯15-25Wt%，聚六氟丙烯10-15Wt%进行配制，其中三者的总量为 100 % ;将配制后的原料搅拌均匀，置于容器中，放入烘焙炉内，预热到200°C时，保温5小 时,再继续加热到300°C后，保温6小时；将加热后的混合原料通过中空纤维喷丝头以5ml/ min的速度挤出，形成初生纤维；初生纤维移动10cm后，在20°C冷却定型，定型后的中空纤 维透气膜外径为1. 0-1. 5mm，壁厚为0. 2-0. 4mm。再将冷却定型后的中空纤维透气膜以绕速 10m/min绕于轮上，最终得到本申请所采用的中空纤维膜（毛细管），如图4所示。
[0048] 本申请还公开了一种所述实验装置的油气渗透实验方法，其特征在于，所述方法 包括以下步骤：
[0049] (1)在开始试验之前，用高纯氮气吹洗中空纤维膜毛细管5?lOmin ;
[0050] (2)连接好所述试验装置，打开连接储油箱的阀门，同时开启电动机以驱动循环装 置，试验装置稳定运行5?lOmin后，观察各输油管口和阀门接口处是否存在漏油现象；
[0051] (3)调节温控装置对油气渗透装置内的绝缘油进行加热，加热时间约为3?5min， 待油温稳定后，每间隔设定的时间，用取样器对渗透装置外的毛细管进行取样；
[0052] (4)在取样时，用接有压力表的真空泵对毛细管一端进行抽真空，从而使通过毛细 管壁进入管内的混合气体集中于另一端，然后用取样器进行取样，每次取样0. 5ml?lml， 同时从储油箱中取油样约30ml，再将气样和油样均送到气相色谱仪进行检测。
[0053] 为了深入研究中空纤维膜油气渗透特性，包括温度特性、时间特性等，本申请采用 的试验方法主要为以下两种：
[0054] 方法一是采用单根毛细管置于油气渗透装置中（中空纤维膜预处理方法同上）， 用密封头将渗透箱体正面的其余两个出气口封堵住，以确保装置气密性。试验开始后，对装 置内绝缘油进行加热使其温度达到30°C，并保证渗透装置内温度恒定。每隔2小时进行一 次取样，共取样12次。然后在40°C，50°C，6(TC时采用上述相同的方法进行试验。取样的结 果用于研究分析中空纤维膜（毛细管）对于7种油中故障气体的渗透效率、渗透时间特性 以及温度特性。
[0055] 方法二是采用两根壁厚和外径不同的毛细管同时置于油气渗透装置中，试验开始 后，保证试验操作条件不变的前提下，加热并使油温恒定为50°C，每隔lh分别对两种规格 的毛细管进行取样，直到试验系统稳定运行24h。取样的结果用于研究分析在试验条件相同 的状况下，毛细管壁厚和外径对于中空纤维膜渗透效率以及7种故障气体渗透平衡时间的 影响。
[0056] 根据上述试验方法及步骤，分别研究单根毛细管和双根毛细管进行试验时，中空 纤维膜（毛线管）的油气渗透特性。试验采用的毛细管规格及编号如下表所示：
[0057] 表1毛细管规格及编号
[0058]
【权利要求】
1. 基于中空纤维膜的油气渗透的试验装置，包括储油箱、油气渗透装置、温控装置和循 环装置；其特征在于： 所述储油箱通过循环装置与油气渗透装置相连，温控装置用于对油气渗透装置内部的 温度进行调整。
2. 根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于： 所述油气渗透装置包括立方体结构的油气渗透箱、安装在油气渗透箱壁上的一个或多 个加热棒、设置在油气渗透箱内部的两个圆形支架盘以及固定在所述圆形支架盘上的一根 或两根中空纤维膜毛细管；其中，油气渗透箱箱体左右两侧分别开设有进油口和出油口，顶 部开设油气渗透箱回油口，箱体壁上还设置4个取气口，所述中空纤维膜毛细管通过取气 口伸出油气渗透箱； 所述循环装置包括输油管、回油管、油泵，通过输油管连接储油箱出油口和油气渗透箱 的进油口，通过输油管连接油气渗透箱出油口和油泵的入口，油泵的出口通过输油管连接 至储油箱的回油口，通过回油管连接油泵的溢流阀和油气渗透箱回油口； 所述温控装置控制加热棒的加热功率使得油气渗透箱内温度恒定。
3. 根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于： 所述试验装置还包括阀门，所述阀门分别设置在储油箱的出油口、回油口，以及回油管 上。
4. 根据权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于： 所述油气渗透箱由不锈钢材料制成； 油气渗透箱内部的两个圆形支架盘直径为50_、厚度为1. 5_，采用不锈钢材料制成； 所述取气口的孔径为直径l〇mm。
5. 根据权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于： 所述油泵由柱塞泵和可控速电机组成，油泵将油气渗透装置内变压器油的流速控制为 0·8L/min〇
6. 根据权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于： 所述中空纤维膜毛细管采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚六氟丙烯制备： 将聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚六氟丙烯分别置于容器中，放入烘焙炉内，以15°C / min的升温速度烘焙到150°C后，保温6小时； 按烘焙后的聚四氟乙烯60-70Wt%，聚偏氟乙烯15-25 Wt %，聚六氟丙烯10-15 Wt %进 行配制，其中三者的总量为100% ; 将配制后的混合原料搅拌均匀，置于容器中，放入烘焙炉内，预热到200°C时，保温5小 时，再继续加热到300°C后，保温6小时； 将加热后的混合原料通过中空纤维喷丝头以5ml/min的速度挤出，形成初生纤维；初 生纤维移动10cm后，在20°C冷却定型，定型后的中空纤维透气膜外径为1. 0-1. 5_，壁厚为 0. 2-0. 4mm ； 将冷却定型后的中空纤维透气膜以绕速l〇m/min绕于轮上，得到所述中空纤维膜毛细 管。
7. 根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于： 所述中空纤维膜毛细管聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚六氟丙烯的含量分别为60%、25%、 15%，外径为1. Omm，壁厚为0. 2mm。
8. 根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于： 所述中空纤维膜毛细管聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚六氟丙烯的含量分别为65%、20%、 15%，外径为1. 3mm，壁厚为0. 3mm。
9. 一种基于权利要求1-8所述实验装置的油气渗透实验方法，其特征在于，所述方法 包括以下步骤： (1) 在开始试验之前，用高纯氮气吹洗中空纤维膜毛细管5~10min ; (2) 连接好所述试验装置，打开连接储油箱的阀门，同时开启电动机以驱动循环装置， 试验装置稳定运行5?lOmin后，观察各输油管口和阀门接口处是否存在漏油现象； (3) 调节温控装置对油气渗透装置内的绝缘油进行加热，加热时间约为3?5min，待油 温稳定后，每间隔设定的时间，用取样器对渗透装置外的毛细管进行取样； (4) 在取样时，用接有压力表的真空泵对毛细管一端进行抽真空，从而使通过毛细管壁 进入管内的混合气体集中于另一端，然后用取样器进行取样，每次取样0.5ml?lml，同时 从储油箱中取油样约30ml，再将气样和油样均送到气相色谱仪进行检测。
【文档编号】G01N15/08GK104155227SQ201410362841
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】陈伟根, 熊友强, 王有元, 刘志强, 周渠, 邹经鑫, 万福 申请人:重庆大学, 武汉四方光电科技有限公司