用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置技术领域
本发明属于电力设备检测领域，尤指一种用于变压器在线监测的中空纤维油
气分离装置。
背景技术
大型电力变压器目前实行计划检修制度，而计划检修不可避免会存在检修过
剩或检修不足的问题。检修过剩造成人力、财力、物力的巨大浪费，导致设备利
用率降低，而且对正常设备可能造成损伤；检修不足可能导致设备的事故隐患。
采用在线监测技术可以有效避免这些问题，并最终实现变压器的状态检修。
存在着故障隐患或故障的电力变压器，其绝缘油中会产生H2(氢气)、CO
(一氧化碳)、CO2(二氧化碳)、CH4(甲烷)、C2H6(乙烷)、C2H2(乙
炔)、C2H4(乙烯)几种故障特征气体，根据油中溶解气体判别变压器内部是否
存在潜伏性故障，亦称油色谱分析法，从五十年代就开始在电力系统应用，其有
效性已被普遍证明。但是常规色谱法往往不能及时捕捉到故障信号。所以变压器
油中气体在线监测是国内积极推广的技术。
变压器油中气体在线监测系统一般由油气分离单元、气体检测单元、微机数
据处理单元及通讯单元组成。其中油气分离单元负责将油中溶解的气体分离出
来，是系统检测和分析的前提。
目前在线油气分离采用较多的是板框结构的高分子膜，油气分离的机理是溶
解-扩散过程，其优点是结构简单。而膜的材料多选用有“塑料王”之称的聚四
氟乙烯，因为它化学性能稳定，耐油、耐高温、机械性能好、透气性能也不错。
相关文献是：
[1]贾瑞君，高分子薄膜在变压器油中溶解气体在线监测中的应用，变压器，
2001，38(10)：37-40。[2]贾瑞君，变压器油中溶解氢气在线监测仪的研制，电
网技术，1998，22(1)：4-7
这两篇文章介绍的方案采用板框膜，氢气通过膜的渗透速度很快，平衡时间
只有15个小时。
为提高故障检测的实时性，油气平衡时间力求越短越好。根据使用这类产品
的电力用户的反映，氢气的渗透速度明显高于其它几种气体，在一天以内就可实
现平衡，但全部故障特征气体的平衡时间一般在一周以上，这么长的平衡时间对
气室的密封性提出了非常高的要求，如果气室的长期密封性不够好，气室内浓度
就会改变，最终对整个系统的测量结果造成很大的影响。而且由于分离膜的平衡
时间长，对各种不同的故障特征气体的平衡时间差别很大，例如C2H6的平衡时
间要比H2和CH4大好几天，这样后端的测量结果很难按照亨利系数得到油中气
体浓度准确的实时值，当油中气体浓度变化时其测量值不能跟踪实际的变化。
加拿大morganschaffer公司的变压器油中气体搜集器GP100。它直接装在变
压器放油阀，内部有多根弯成U形的高分子毛细管，末端连接到一个集气室，
用注射器取气，气路和油路都不循环。GP100的功能是只针对氢气的采集，在国
内已有多家使用，氢气的平衡时间约为一天。
除高分子膜外，有人将鼓泡、动态顶空等方法应用于在线监测油气分离，它
的主要问题是：①结构复杂，易出故障。②在脱气过程中，油与气直接接触，变
压器油会受到空气的污染危及绝缘；如果将脱气后的油遗弃，既消耗变压器油，
又增加监测系统的维护工作量，而且仍难以保证变压器油在监测系统中与空气完
全隔绝，最终给系统安全运行带来隐患；③重复性不好。本创作人积极努力研
究，经潜心研发，终于发明出确具实用功效与产业利用价值之本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种能在短时间内实现几种故障特征气体油气平衡的、
适合现场应用的、不污染油的用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种用于变压器在线监测的中
空纤维油气分离装置，其特征在于：它包括：
一中空纤维组件，包括：外壳；中空纤维束，中空纤维束的两端用环氧树脂
封头密封，中间加不锈钢支撑柱，环氧树脂封头与外壳之间用耐油硅橡胶O形圈
密封；外壳侧壁设有一个进油口和一个出油口，外壳两端设有一个进气口、一个
出气口；中空纤维束中每一中空纤维的外部与出油口和进油口相通，中空纤维束
中每一中空纤维的内部通过其两端的开口与进气口和出气口相连通；
一油泵，其进口通过管道与变压器出口相连接，其出口通过管道与中空纤维
组件的进油口相连接；
中空纤维组件外壳上的出油口通过管道与变压器进口相连接，管道上设有放
气阀；
通过管道依次串联连接的油井、电磁阀、真空泵、去油管和取样定量管，油
井呈桶状，油井侧壁设有控制电磁阀的液位开关，外壳上的进气口与取样定量管
相连接，外壳上的出气口与油井的进口相连接。
中空纤维束由50-1000根中空纤维组成，中空纤维由无定型聚四氟乙烯或聚
偏氟乙烯制成。
真空泵为微型隔膜泵。
油泵为微型齿轮泵。
液位开关为光电式液位开关。
本发明的优点是：1、本发明用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，
由于其采用如下手段，大幅度缩短了油气分离的平衡时间：1)油气分离膜使用
了中空纤维，提高了油与膜接触面积。2)中空纤维采用高透气材料无定型聚四
氟乙烯或聚偏氟乙烯制成，提高膜的渗透率H。3)在工作状态，中空纤维束内
气体与取样定量管的气体不断进行循环，减少了气室中气体起始浓度C0。4)在
工作状态，中空纤维组件外壳内的油与变压器本体的油不断进行循环，增加了油
中气体浓度C′。
2、本发明用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，在工作中，变压
器油始终处于封闭状态，不与空气直接接触，可以保证在油气分离过程中油不受
到污染。
3、本发明用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，结构比较简单，
装置的机械部件少，可以实现计算机自动控制，能够用于在线监测。该方法经现
场应用，可在一小时内实现所有故障特征气体的平衡，相对于板框式膜的油气分
离方法，速度得到大幅度提高。这样对重要的且有潜伏性缺陷的变压器，可以实
现“紧急看护”，即可以每隔一小时进行一次检测，实时地侦测故障的发展趋势。
附图说明
图1表示本发明整体原理图
图2表示本发明中的中空纤维组件结构图
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明一种用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装
置，其特征在于：它包括：
一中空纤维组件4，包括：外壳15；中空纤维束16，中空纤维束16的两端
用环氧树脂封头13密封，中间加不锈钢支撑柱14，环氧树脂封头13与外壳15
之间用耐油硅橡胶O形圈12密封；外壳15侧壁设有一个进油口20和一个出油
口17，外壳15两端设有一个进气口18、一个出气口11；中空纤维束16中每一
中空纤维的外部与出油口17和进油口20相通，中空纤维束16中每一中空纤维
的内部通过其两端的开口与进气口18和出气口11相连通；
一油泵3，其进口通过管道与变压器1出口相连接，其出口通过管道与中空
纤维组件4的进油口20相连接；
中空纤维组件4外壳15上的出油口17通过管道21与变压器1进口相连接，
管道21上设有放气阀2；在装置初次运行时，放气阀2打开，油泵3运转，使
油路充满油，气体通过放气阀2放掉。
通过管道依次串联连接的油井5、电磁阀6、真空泵7、去油管8和取样定
量管9，油井5呈桶状，油井5侧壁设有控制电磁阀6的液位开关10(控制电路
采用常规电路)，外壳15上的进气口18与取样定量管9相连接，外壳15上的
出气口11与油井5的进口相连接。取样定量管9内的气体可以通过检测装置进
行检测。去油管8内填充玻璃棉以滤去可能渗入气路的油蒸气。其中油井5和电
磁阀6，在中空纤维意外损坏时，油首先渗入到油井5内，当油井5内液位开关
10检测到渗油时，电磁阀6关闭，后面的检测系统不会因为进油而受到损坏。
膜的气体渗透机理是溶解-扩散过程，遵循如下关系式：
C＝(9.87KC′-C0)×[1-exp(-1.013×105×HAt/dV)]+C0 (1)
式中，C-气室中气体浓度，C′-油中气体浓度，V-气室容积，A-油
与膜接触面积，d-膜的厚度，K-气体的平衡常数，C0-气室中气体起始
浓度，t-渗透时间，H-膜的渗透率。经过足够长的时间，油相中气体和气
相中气体达到动态平衡，根据亨利定律，两边气体浓度有一个固定的比例系数，
检测气相浓度就可推出油中气体浓度。
本发明用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置的工作方式为：在非工
作状态，电磁阀6关断，油泵3和真空泵7都不运转。在工作状态，电磁阀6开
通，油泵3和真空泵7都开始运转，真空泵7驱动气路中的气体进行循环，这样
中空纤维内的高浓度气体不断被外气路的低浓度气体更新，式(1)中的气体起
始浓度C0相对较小，提高了气体渗透速度。而且由于油路中的气体不断渗透到气
路中，中空纤维组件4外壳15内的油中溶解气体会减少，所以油泵3驱动油路
中的油进行循环，变压器1内的油不断补充进来，使中空纤维组件4外壳15内
的油的气体浓度基本保持不变，相当于式(1)中油中气体浓度C′保持在最大值，
提高了气体渗透速度。运转一小时后，油气分离实现平衡，油泵3和真空泵7
都停止运转，这样取样定量管9内气压保持为恒定值，后续的检测装置立刻对取
样定量管内的气体进行检测，然后电磁阀6关断，这样完成一次油气分离工作周
期。
由上述可知，本发明用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置在工作
中，变压器油始终处于封闭状态，不与空气直接接触，可以保证在油气分离过程
中油不受到污染。
中空纤维束16由50-1000根中空纤维组成，中空纤维由无定型聚四氟乙烯
或聚偏氟乙烯制成。具体采用杜邦公司生产的Teflon AF 2400；纤维丝的外径
0.5mm、内径0.3mm，长度33cm，一个组件使用约200根纤维。由于中空纤维
组件4内有数百根中空纤维，油与膜的总接触面积可达数千平方厘米；而常用的
板框结构的高分子膜，膜的面积一般只有十多个平方厘米。这样式(1)中油膜
总接触面积A得到数百倍的增加，显著提高了气体渗透速度。
聚偏氟乙烯中空纤维膜的结构为不对称结构，由很薄(数μm)的致密层和
较厚(上百μm)的多孔支撑层组成。多孔支撑层主要维持中空纤维的自支撑能
力，膜渗透性能主要取决于致密层。油气膜分离的机理是溶解-扩散过程，所以
气体可以通过致密层。变压器油是混合物，其中小分子的分子量只有一百左右，
致密层可以防止油分子渗透进气路内。膜的总厚度需要兼顾渗透性和支撑强度，
取为100μm左右。为进一步防止油分子透过膜，将中空纤维外表面用聚乙烯醇
溶液处理以提高了憎油性能。具体方法是将纤维用浓度5g/L的聚乙烯醇溶液浸
泡10分钟，取出后用纯水冲洗。
无定型聚四氟乙烯(Teflon AF)的透气性能大大胜过聚四氟乙烯膜，特别
是对几种故障特征气体的渗透率H，是聚四氟乙烯的几百到上千倍；是迄今为止
最好的透气材料之一。采用无定型聚四氟乙烯的中空纤维为致密均质结构，不分
层，这样可以得到更好的强度，同时杜绝了成膜过程中形成的缺陷造成漏油现象
的发生。
真空泵7为微型隔膜泵。
油泵3为微型齿轮泵。
液位开关10为光电式液位开关。
本发明结构比较简单，装置的机械部件少，可以实现计算机自动控制，能够
用于在线监测。该方法经现场应用，可在一小时内实现所有故障特征气体的平衡，
相对于板框式膜的油气分离方法，速度得到大幅度提高。这样对重要的且有潜伏
性缺陷的变压器，可以实现“紧急看护”，即可以每隔一小时进行一次检测，实时
地侦测故障的发展趋势。
以上所述，仅为用来解释本发明之较佳实施例，并非企图据以对本发明做任
何形式上的限制，所以凡是在本发明之创作精神下，所作的任何修饰或变更，皆
仍应属于本发明意图保护之范围。