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[摘 要]绝缘油中溶解气体分析对发现充油电气设备内部潜伏性故障有着极其重要的作用，因此越来越引起人们的重视。目前国家及行业标准规定的检测绝缘油中溶解气体的方法为气相色谱法，此方法具有高效、高灵敏度、稳定、适用范围广等优点。随着技术的发展，使用光声光谱法测量绝缘油中溶解气体的仪器开始出现，其是对我们现有试验方法的一个有益的补充，但是，通过大量试验数据比对，发现该方法目前应处在经验积累阶段，要达到常规色谱仪的分析水平还需要做很多工作。
[关键词]绝缘油中溶解气体 光声光谱 气相色谱 对比分析
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0003-02
引言
绝缘油中溶解气体分析是监视充油电气设备运行状态的最有效的手段之一，对及早发现充油电气设备内部存在的潜伏性故障，保障设备稳定运行有着重要的意义。气相色谱法具有分离效能高、分析速度快、灵敏度高、适用范围广等优点，被广泛的应用于电力系统中，该方法也是国家标准和行业标准中所指定的试验方法。近年来，随着光声光谱技术的发展，一些利用光声光谱法分析油中溶解气体的仪器开始出现。2011年，我公司引进国外某型光声光谱测试仪用于对绝缘油中溶解气体进行检测，使我们对该方法有了初步的了解。本文就传统的气相色谱法和光声光谱法对绝缘油中溶解气体的检测进行了分析比较，并给出了相应的结论。
1 脱气原理比较
气相色谱法与光声光谱法的脱气方法都是基于溶解平衡的原理，通过相应的手段将绝缘油中特征气体置换出来，其过程遵守分配定律和亨利定律。
1.1 气相色谱法
气相色谱法的脱气方式是采用机械振荡的方法，对绝缘油进行脱气。脱气时，首先将5mL氮气（或氩气）注入到装有40mL绝缘油样品的注射器中，保持50℃，接着连续振荡20min，再静止10min，最后将注射器中的平衡气体取出，进行试验。
1.2 光声光谱法
光声光谱法的脱气方式是采用顶空脱气法，首先在连有管路的密封玻璃瓶中装入50mL绝缘油样品，进行搅拌，经过预定时间后，顶空室中油气两相达到平衡，直接对顶空室中的气体进行分析。
从上述的脱气方法中可以看出，两者所使用样品的体积、平衡气种类等均不相同，其脱气率也不能进行平行比较。
2 工作原理的比较
2.1 气相色谱法的分析原理
来自高压气瓶（或气体发生器）的载气首先进入气路控制系统，将载气调节、稳定到所需流量与压力后，流入到进样装置，并把样品带入到色谱柱，分离后的各个组分依次进入检测器，经检测后放空。检测器所检测到的电信号，送至记录仪，记录仪描绘出各组分的色谱峰。在一定的试验条件下，色谱峰是色谱分析的主要依据。其中，色谱峰的保留时间或保留体积决定物质组分的性质，是色谱定性的依据；色谱峰的高度或面积是组分浓度或含量的量度，通过对色谱峰的计算，对样品组分进行定量分析。
2.2 光声光谱法的分析原理
在预选各气体的特征频率时可以排除各气体的交叉干扰，通过对安装滤光片的圆盘进行步进控制，就可以依次测量不同的气体。经过调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反复激发样品池中的气体分子，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态。对于非辐射驰豫过程，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从而在气池中产生压力波（声波）。使用微音器可以检测这种压力变化。声光技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声音信号的探测从而了解吸收过程。由于光吸收激发的声波的频率由调制频率决定；而其强度则只与可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关。因此，建立气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数。
3 试验效率对比
3.1 气相色谱法与光声光谱法单个样品分析所需时间对比
气相色谱法与光声光谱法单个样品分析所需时间对比如表1所示。
从表1可以看出，试验单个样品所需时间两者基本相同。
3.2 两个样品分析所需时间对比
气相色谱试验中，在振荡器中的振荡及静置可以同时进行。2个样品试验时间为58min。光声光谱法设备开机系统吹扫时间20min不再需要，但试验前吹扫5min必须进行，2个样品试验时间为72min，可以看出光声光谱法设备所需时间大大多于气相色谱。
在使用光声光谱法设备进行试验时，经常遇到设备提示试样瓶被污染，要求更换或重新吹扫，而可能造成污染的原因是多方面的，例如油样瓶未清理干净、连接管被油样污染、过滤垫片需更换等，排出各方面的原因，需大量时间。
4 试验数据的对比
4.1 样品绝缘油的测量情况
我們用气相色谱法与光声光谱法分别对某台66kV消弧线圈溶解气体含量较多的油样、消弧线圈与新油按5：1、3：1、1：1、1：3、1：5的混油的油样进行了对比试验，试验结果如图1至图6所示；对油中气体含量较少的某220kV变电站#1、#2、#3、#4变压器对比试验结果如图7至图10所示。
4.2 数据分析
图1至图6为某66kV消弧线圈油样及此油样与新油按比例混合的油样的试验数据，其中图1、图2、图3这三组数据为消弧线圈油样或消弧线圈油样比例较高时，及油中溶解气体较多的数据，从上述三组数据来看，除光声光谱法所检测的氢气含量明显大于试验室设备外，其他气体组分相差不大，在可接受范围内。图4、图5、图6三组数据，此时由于消弧线圈油样的比例减少，油中溶解气体含量也在减少，光声光谱法的检测数据与气相色谱法检测的数据出现显著的差别。
针对上述问题，我们再次选取了几组油中溶解气体较少的几台变压器的油样进行了对比试验，试验结果如图7至图10所示。选择样品的特点为投运时间较短、油中溶解气体含量相对较少。从以上四组数据我们可以看出，光声光谱法设备对油中溶解气体含量较少的油样试验所得出的试验结果，与气相色谱法所得出的结果相差较大。在四种烃类气体中，总有一种或两种差别比较明显，如在图7中乙烷相差最大，图8中甲烷、乙烯相差最大，图9中乙烯相差最大，图10中乙烷、乙烯相差最大，究竟哪种烃类差别明显，目前我们还没有发现规律。
5 结论
气相色谱法测定油中溶解气体有着分离效能高、分析速度快、灵敏度高、适用范围广、试验技术成熟等特点，被电力行业所广泛应用，其方法也是目前国家标准GB/T7252《变压器油中溶解气体分析和判断导则》规定的试验方法，在油中溶解气体分析试验中占主导地位。作为新兴的油中溶解气体分析方法，光声光谱测试仪有着携带方便、辅助设备少、环境影响小、方便进行现场检测等特点，但光声光谱法现在仍处于发展的初期阶段，其提供的试验数若要用于对设备进行故障分析、判断，目前还缺乏底气，相信通过不断改进，定会获得突破，变成一种有前途的试验方法。
参考文献
[1] 操敦奎.变压器油中气体分析与故障检查[M].北京：中国电力出版社，2005.
[2] GB/T7252-2001，变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].
[3] DL/T722-2000，变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].
[关键词]绝缘油中溶解气体 光声光谱 气相色谱 对比分析
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0003-02
引言
绝缘油中溶解气体分析是监视充油电气设备运行状态的最有效的手段之一，对及早发现充油电气设备内部存在的潜伏性故障，保障设备稳定运行有着重要的意义。气相色谱法具有分离效能高、分析速度快、灵敏度高、适用范围广等优点，被广泛的应用于电力系统中，该方法也是国家标准和行业标准中所指定的试验方法。近年来，随着光声光谱技术的发展，一些利用光声光谱法分析油中溶解气体的仪器开始出现。2011年，我公司引进国外某型光声光谱测试仪用于对绝缘油中溶解气体进行检测，使我们对该方法有了初步的了解。本文就传统的气相色谱法和光声光谱法对绝缘油中溶解气体的检测进行了分析比较，并给出了相应的结论。
1 脱气原理比较
气相色谱法与光声光谱法的脱气方法都是基于溶解平衡的原理，通过相应的手段将绝缘油中特征气体置换出来，其过程遵守分配定律和亨利定律。
1.1 气相色谱法
气相色谱法的脱气方式是采用机械振荡的方法，对绝缘油进行脱气。脱气时，首先将5mL氮气（或氩气）注入到装有40mL绝缘油样品的注射器中，保持50℃，接着连续振荡20min，再静止10min，最后将注射器中的平衡气体取出，进行试验。
1.2 光声光谱法
光声光谱法的脱气方式是采用顶空脱气法，首先在连有管路的密封玻璃瓶中装入50mL绝缘油样品，进行搅拌，经过预定时间后，顶空室中油气两相达到平衡，直接对顶空室中的气体进行分析。
从上述的脱气方法中可以看出，两者所使用样品的体积、平衡气种类等均不相同，其脱气率也不能进行平行比较。
2 工作原理的比较
2.1 气相色谱法的分析原理
来自高压气瓶（或气体发生器）的载气首先进入气路控制系统，将载气调节、稳定到所需流量与压力后，流入到进样装置，并把样品带入到色谱柱，分离后的各个组分依次进入检测器，经检测后放空。检测器所检测到的电信号，送至记录仪，记录仪描绘出各组分的色谱峰。在一定的试验条件下，色谱峰是色谱分析的主要依据。其中，色谱峰的保留时间或保留体积决定物质组分的性质，是色谱定性的依据；色谱峰的高度或面积是组分浓度或含量的量度，通过对色谱峰的计算，对样品组分进行定量分析。
2.2 光声光谱法的分析原理
在预选各气体的特征频率时可以排除各气体的交叉干扰，通过对安装滤光片的圆盘进行步进控制，就可以依次测量不同的气体。经过调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反复激发样品池中的气体分子，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态。对于非辐射驰豫过程，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从而在气池中产生压力波（声波）。使用微音器可以检测这种压力变化。声光技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声音信号的探测从而了解吸收过程。由于光吸收激发的声波的频率由调制频率决定；而其强度则只与可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关。因此，建立气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数。
3 试验效率对比
3.1 气相色谱法与光声光谱法单个样品分析所需时间对比
气相色谱法与光声光谱法单个样品分析所需时间对比如表1所示。
从表1可以看出，试验单个样品所需时间两者基本相同。
3.2 两个样品分析所需时间对比
气相色谱试验中，在振荡器中的振荡及静置可以同时进行。2个样品试验时间为58min。光声光谱法设备开机系统吹扫时间20min不再需要，但试验前吹扫5min必须进行，2个样品试验时间为72min，可以看出光声光谱法设备所需时间大大多于气相色谱。
在使用光声光谱法设备进行试验时，经常遇到设备提示试样瓶被污染，要求更换或重新吹扫，而可能造成污染的原因是多方面的，例如油样瓶未清理干净、连接管被油样污染、过滤垫片需更换等，排出各方面的原因，需大量时间。
4 试验数据的对比
4.1 样品绝缘油的测量情况
我們用气相色谱法与光声光谱法分别对某台66kV消弧线圈溶解气体含量较多的油样、消弧线圈与新油按5：1、3：1、1：1、1：3、1：5的混油的油样进行了对比试验，试验结果如图1至图6所示；对油中气体含量较少的某220kV变电站#1、#2、#3、#4变压器对比试验结果如图7至图10所示。
4.2 数据分析
图1至图6为某66kV消弧线圈油样及此油样与新油按比例混合的油样的试验数据，其中图1、图2、图3这三组数据为消弧线圈油样或消弧线圈油样比例较高时，及油中溶解气体较多的数据，从上述三组数据来看，除光声光谱法所检测的氢气含量明显大于试验室设备外，其他气体组分相差不大，在可接受范围内。图4、图5、图6三组数据，此时由于消弧线圈油样的比例减少，油中溶解气体含量也在减少，光声光谱法的检测数据与气相色谱法检测的数据出现显著的差别。
针对上述问题，我们再次选取了几组油中溶解气体较少的几台变压器的油样进行了对比试验，试验结果如图7至图10所示。选择样品的特点为投运时间较短、油中溶解气体含量相对较少。从以上四组数据我们可以看出，光声光谱法设备对油中溶解气体含量较少的油样试验所得出的试验结果，与气相色谱法所得出的结果相差较大。在四种烃类气体中，总有一种或两种差别比较明显，如在图7中乙烷相差最大，图8中甲烷、乙烯相差最大，图9中乙烯相差最大，图10中乙烷、乙烯相差最大，究竟哪种烃类差别明显，目前我们还没有发现规律。
5 结论
气相色谱法测定油中溶解气体有着分离效能高、分析速度快、灵敏度高、适用范围广、试验技术成熟等特点，被电力行业所广泛应用，其方法也是目前国家标准GB/T7252《变压器油中溶解气体分析和判断导则》规定的试验方法，在油中溶解气体分析试验中占主导地位。作为新兴的油中溶解气体分析方法，光声光谱测试仪有着携带方便、辅助设备少、环境影响小、方便进行现场检测等特点，但光声光谱法现在仍处于发展的初期阶段，其提供的试验数若要用于对设备进行故障分析、判断，目前还缺乏底气，相信通过不断改进，定会获得突破，变成一种有前途的试验方法。
参考文献
[1] 操敦奎.变压器油中气体分析与故障检查[M].北京：中国电力出版社，2005.
[2] GB/T7252-2001，变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].
[3] DL/T722-2000，变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].