油中溶解氣體分析是變壓器狀態檢測最為常見且可靠的方法，油氣分離技術則是溶解氣體分析中重要的一環。在油氣分離技術中，滲透膜是一種較為新穎且頗具前途的分離技術。相較于傳統的油氣分離方法，滲透膜技術具有結構簡單、體積較小、免于維護等優點，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《電工技術學報》上撰文，首先對近年來應用于油氣分離的高分子滲透膜材料及其結構進行了綜述；然后，結合現有研究對幾種常見的不同類型的高分子滲透膜進行歸納、總結和對比；最后，在總結當前研究的基礎上，提出并討論高分子滲透膜在變壓器油中溶解氣體分析領域中未來的發展方向。

油浸式變(bian)壓(ya)器是(shi)目前電(dian)力系統中最為(wei)常見(jian)的變(bian)壓(ya)器類型。隨著(zhu)變(bian)壓(ya)器使用年限的增長，變(bian)壓(ya)器內部的故(gu)障(zhang)不可避免。變(bian)壓(ya)器絕緣油通常由多種碳(tan)氫(qing)(qing)化(hua)合(he)物(wu)構成，在遇到放電(dian)或過熱等故(gu)障(zhang)時，化(hua)合(he)物(wu)中的碳(tan)碳(tan)鍵和碳(tan)氫(qing)(qing)鍵會發生裂解(jie)，產(chan)生H2及(ji)一系列低碳(tan)烴(jing)類氣體。

除變壓器(qi)油(you)之(zhi)外(wai)，固體(ti)絕緣(yuan)物如變壓器(qi)絕緣(yuan)紙中(zhong)的(de)(de)(de)纖維素分(fen)子(zi)所(suo)含有的(de)(de)(de)碳碳鍵(jian)、碳氫鍵(jian)、碳氧鍵(jian)會在(zai)放電(dian)或過熱的(de)(de)(de)故障下裂解(jie)，形成CO、CO2、H2O及烴類(lei)(lei)氣體(ti)。不(bu)同類(lei)(lei)型、程度的(de)(de)(de)故障所(suo)產生的(de)(de)(de)故障氣體(ti)種(zhong)類(lei)(lei)、濃度、比例不(bu)同，因此(ci)可以通(tong)過對絕緣(yuan)油(you)中(zhong)溶解(jie)的(de)(de)(de)氣體(ti)種(zhong)類(lei)(lei)及含量進行檢(jian)(jian)測(ce)，從而反映(ying)油(you)浸式變壓器(qi)的(de)(de)(de)絕緣(yuan)狀態和故障類(lei)(lei)型。所(suo)以，基于油(you)中(zhong)溶解(jie)氣體(ti)分(fen)析（Dissolved Gas Analysis, DGA）的(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)技術受到了國內外(wai)學(xue)者的(de)(de)(de)廣泛重(zhong)視。

油氣分離裝置是變壓器在(zai)線檢測系統中(zhong)(zhong)的(de)(de)重要單元(yuan)，承擔著將故(gu)障氣(qi)(qi)體(ti)從(cong)變(bian)壓器絕緣油(you)中(zhong)(zhong)分離(li)(li)出(chu)(chu)來的(de)(de)作(zuo)用(yong)，是進行DGA的(de)(de)前提。油(you)氣(qi)(qi)分離(li)(li)的(de)(de)結果(guo)會(hui)直接影(ying)響脫(tuo)出(chu)(chu)的(de)(de)故(gu)障氣(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)濃(nong)度，進而影(ying)響脫(tuo)出(chu)(chu)的(de)(de)故(gu)障氣(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)定量檢測結果(guo)。所以(yi)油(you)氣(qi)(qi)分離(li)(li)的(de)(de)結果(guo)會(hui)對整(zheng)個系統的(de)(de)可靠性造成決定性的(de)(de)影(ying)響。

由(you)此，有必要對油(you)氣(qi)(qi)分離(li)相關技(ji)術進(jin)行研究，明確影(ying)響油(you)氣(qi)(qi)分離(li)結果的因素(su)，尋(xun)找更(geng)優的油(you)氣(qi)(qi)分離(li)技(ji)術，提(ti)升油(you)氣(qi)(qi)分離(li)結果的準確性(xing)，從(cong)而幫助(zhu)運(yun)維人員(yuan)更(geng)精(jing)確地把(ba)控(kong)變(bian)壓器(qi)的絕(jue)緣狀態(tai)，有助(zhu)于變(bian)壓器(qi)的預防性(xing)維護(hu)，保障變(bian)壓器(qi)安全、穩定運(yun)行。

真空脫氣法和頂空脫氣法是已經大(da)規(gui)模投入商業應用的油氣分離(li)方(fang)法。但是，這(zhe)兩類(lei)方(fang)法往往需要復雜的機械裝置(zhi)和高昂的維護成本(ben)。滲透膜技術(shu)(shu)是一種頗具(ju)前途的前述油氣分離(li)技術(shu)(shu)的替代方(fang)法。

滲(shen)透膜(mo)技(ji)術具有(you)多(duo)項(xiang)優點，例如結構簡單(dan)、潛在適應性強、低能耗、維(wei)護成本(ben)低、不涉(she)及相(xiang)變(bian)、體積小。與(yu)傳統的油氣分離方法相(xiang)比，滲(shen)透膜(mo)技(ji)術不需要(yao)載(zai)氣及后續(xu)處理，便(bian)于絕緣油的循(xun)環利用和系(xi)統維(wei)護。

常見(jian)的滲透(tou)(tou)膜材(cai)(cai)(cai)料包(bao)括(kuo)有機材(cai)(cai)(cai)料、無(wu)機材(cai)(cai)(cai)料和金(jin)屬(shu)(shu)有機骨架化合物等(deng)。已(yi)經被開發用于有機滲透(tou)(tou)膜制備的材(cai)(cai)(cai)料包(bao)括(kuo)聚酰亞胺、聚砜(feng)類、含氟高分子等(deng)，用于制備無(wu)機滲透(tou)(tou)膜的材(cai)(cai)(cai)料包(bao)括(kuo)TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2等(deng)，金(jin)屬(shu)(shu)有機骨架化合物包(bao)括(kuo)Cu3(BTC)2、沸石(shi)咪唑酯等(deng)。

一般來說，無機材(cai)料成(cheng)本較高且制(zhi)膜難(nan)(nan)度較高，金屬有(you)機骨架化(hua)(hua)合(he)物(wu)則(ze)尚停留在實驗(yan)室階段(duan)，難(nan)(nan)以大規模工業化(hua)(hua)生產。相較之下，有(you)機高分子材(cai)料容易獲(huo)得、成(cheng)本低(di)廉、易于加工，是當今研究的主(zhu)流方向。

中國科學院電工研究所、中國科學院大學、國家電網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的滲透膜技術進行了研究，并根據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，根據已有的研究成果，結合電力行業的實際需求，研究團隊還分析了高分子滲透膜應用于變壓器油氣分離中的未來研究方向，以期給相關研究、實驗人員提供參考。

滲透膜(mo)技(ji)(ji)術為變壓(ya)器狀態檢測中(zhong)(zhong)的(de)(de)油中(zhong)(zhong)溶解氣體分(fen)析(xi)提供了一種新穎(ying)且有(you)效的(de)(de)方(fang)法。在過去的(de)(de)幾十年中(zhong)(zhong)，基于(yu)滲透膜(mo)的(de)(de)油氣分(fen)離(li)技(ji)(ji)術得到了長足(zu)的(de)(de)發展。如(ru)今，在DGA領域中(zhong)(zhong)，已(yi)有(you)多(duo)種材料(liao)、多(duo)種構型的(de)(de)高(gao)分(fen)子滲透膜(mo)得到了應(ying)用。

研究(jiu)團隊針對(dui)基于(yu)滲(shen)透(tou)(tou)膜的(de)油(you)氣(qi)分(fen)離技術研究(jiu)成果進行了綜述，從滲(shen)透(tou)(tou)膜油(you)氣(qi)分(fen)離的(de)機理、需求和(he)現狀(zhuang)幾個方(fang)面入手，介紹(shao)高分(fen)子滲(shen)透(tou)(tou)膜在油(you)氣(qi)分(fen)離技術領域(yu)的(de)應用(yong)現狀(zhuang)。其(qi)中在滲(shen)透(tou)(tou)膜的(de)現狀(zhuang)方(fang)面，研究(jiu)團隊分(fen)別從材料(liao)、結構兩個角度對(dui)現有的(de)研究(jiu)進行了闡述和(he)分(fen)析，并(bing)結合(he)已有的(de)研究(jiu)內容給出了總結與比較。 

此(ci)外，基于前述的(de)(de)前人研(yan)究成果(guo)及本(ben)研(yan)究的(de)(de)綜述內容(rong)，可以(yi)對目前應用于變(bian)壓器(qi)油氣(qi)分(fen)離的(de)(de)滲透(tou)膜技術(shu)的(de)(de)有(you)待研(yan)究的(de)(de)問題歸納(na)如下：

（1）與變壓器的潛在整合問題。

目前，大部分滲透(tou)膜(mo)的(de)(de)(de)(de)數(shu)據是實驗室(shi)測(ce)得的(de)(de)(de)(de)，直接應(ying)用于實際(ji)(ji)場(chang)景會出現與變壓器的(de)(de)(de)(de)整合問(wen)題，即實驗室(shi)的(de)(de)(de)(de)測(ce)量條件難以(yi)適用于實際(ji)(ji)工況(kuang)。尤其是滲透(tou)膜(mo)的(de)(de)(de)(de)平衡(heng)時(shi)間會受溫(wen)度(du)影響，這導(dao)致(zhi)即便經過同(tong)樣的(de)(de)(de)(de)脫氣時(shi)間，氣室(shi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)故(gu)障(zhang)氣體濃度(du)會因溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)不同(tong)而不同(tong)。因此，難以(yi)采用實驗室(shi)中(zhong)標定的(de)(de)(de)(de)結果對(dui)實際(ji)(ji)場(chang)景中(zhong)運行(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)變壓器進行(xing)(xing)故(gu)障(zhang)診斷(duan)。

（2）響應時間長于常見在線監測裝置。

現(xian)有的(de)研究成(cheng)果(guo)顯示(shi)，采用滲透膜(mo)進(jin)行油(you)氣(qi)分離所需要(yao)的(de)平(ping)衡時(shi)間(jian)通(tong)常都在h級。這樣的(de)油(you)氣(qi)分離效(xiao)率難(nan)以(yi)滿足最小檢測周期不(bu)大(da)于2h的(de)要(yao)求。而目前較為成(cheng)熟的(de)真空脫氣(qi)和頂(ding)空脫氣(qi)方法完成(cheng)油(you)氣(qi)分離通(tong)常只需要(yao)30min以(yi)內。因此(ci)，應用滲透膜(mo)作為油(you)氣(qi)分離單元的(de)裝置響應時(shi)間(jian)長仍是有待解決(jue)問(wen)題。

基(ji)于上(shang)述內容，研究(jiu)團隊對(dui)應用(yong)于變壓(ya)器油氣分離的滲(shen)透膜技術發展(zhan)方向進行如下展(zhan)望：

（1）溫度補償。

滲透膜的氣體滲透性與溫(wen)度有(you)著密切的關系。對于同一種(zhong)滲透膜，不同溫(wen)度下的平衡常數(shu)值差異較大。因此，由于變(bian)壓器運行(xing)(xing)時(shi)(shi)油(you)溫(wen)有(you)所不同，在(zai)使用基于滲透膜的油(you)氣分離(li)單元(yuan)時(shi)(shi)，應(ying)盡量在(zai)與平衡常數(shu)值標(biao)定時(shi)(shi)相同的溫(wen)度下進行(xing)(xing)檢測，或采取一定方法(fa)來(lai)補償溫(wen)度變(bian)化帶來(lai)的分離(li)結果的誤差。

（2）平衡時間。

盡管經(jing)過長期(qi)的(de)(de)發展，基(ji)于滲(shen)透膜技術的(de)(de)油氣分離平(ping)衡(heng)時間已經(jing)從最初(chu)的(de)(de)上百小時縮短至如今的(de)(de)幾個小時，但是響應時間依然(ran)較(jiao)長。因(yin)此，需要進(jin)一(yi)步對滲(shen)透膜材(cai)料進(jin)行改性(xing)研究，才能(neng)夠使(shi)其平(ping)衡(heng)時間達到(dao)一(yi)個能(neng)夠接受(shou)的(de)(de)即時響應水平(ping)。

綜上所(suo)述，應用于油(you)(you)中(zhong)溶解氣體(ti)分析領域油(you)(you)氣分離(li)中(zhong)的(de)高分子(zi)滲透膜技(ji)術仍在不斷發(fa)展(zhan)之中(zhong)。隨著電力工業(ye)的(de)不斷進步，對油(you)(you)中(zhong)溶解氣體(ti)在線監(jian)測的(de)要求逐步提高，采用滲透膜技(ji)術進行油(you)(you)氣分離(li)是趨勢所(suo)在，探索研究具(ju)有工業(ye)化潛力的(de)滲透膜具(ju)有重(zhong)大的(de)實(shi)際意義。

本文編自2022年第3期《電工技術學報》，論文標題為(wei)“高分(fen)子(zi)滲透(tou)膜(mo)在變壓器油中溶(rong)解氣體分(fen)析(xi)中的(de)應用”，作(zuo)者為(wei)陳圖南、馬鳳翔 等。