滲透膜技術(shù)是通過(guò)具有選擇透過(guò)性的滲透膜，在外力推動(dòng)下對(duì)兩組或多組溶質(zhì)進(jìn)行分離的方法。在變壓器的運(yùn)行過(guò)程中，溶解于變壓器油中的故障特征氣體經(jīng)自由擴(kuò)散會(huì)到達(dá)絕緣油表面，經(jīng)由滲透膜逸出到達(dá)氣室中，直至氣室內(nèi)的故障特征氣體濃度與油中溶解的故障特征氣體濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，通過(guò)測(cè)量氣室中氣體的濃度即可推斷出油中溶解氣體的濃度。

在當(dāng)前的研究與應(yīng)用中，用于油氣分離中較多的滲透膜為非多孔膜，故在此主要對(duì)非多孔膜的油氣分離機(jī)理進(jìn)行介紹。目前，受到普遍認(rèn)可的描述非多孔膜的模型是溶解-擴(kuò)散模型。

溶解-擴(kuò)散模型的分離機(jī)理可以分為以下三步：

（1）上游吸附過(guò)程：高壓側(cè)或高化學(xué)濃度側(cè)的氣體溶解進(jìn)入上游的高分子膜中。

（2）沿分壓或濃度梯度擴(kuò)散過(guò)程：氣體在滲透膜中具有不同的溶解度及溶解速率，因此在通過(guò)高分子膜時(shí)，不同的氣體會(huì)被分離。

（3）下游解吸附過(guò)程：在低壓側(cè)或低化學(xué)濃度側(cè)的氣體從高分子膜中解吸附。

溶解-擴(kuò)散模型的分離機(jī)理如圖1所示。

圖1 溶解-擴(kuò)散模型示意圖

在進(jìn)行油氣分離單元的滲透膜材料選型時(shí)，主要需考慮變壓器故障特征氣體在滲透膜中的滲透系數(shù)，以此來(lái)選擇平衡時(shí)間較短、故障特征氣體有良好滲透率的滲透膜材料。進(jìn)一步地，在進(jìn)行油氣分離單元的設(shè)計(jì)時(shí)，也可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)滲透膜組件的結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到縮短平衡時(shí)間的目的。

應(yīng)用于油氣分離的滲透膜性能需求

根據(jù)實(shí)際的工作場(chǎng)景，對(duì)應(yīng)用于油氣分離的滲透膜性能需求通常可以分為如下三個(gè)方面：

（1）滲透膜滲透性能相關(guān)需求：考慮到油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要及時(shí)地對(duì)變壓器的潛在故障進(jìn)行反饋，因此需要變壓器油故障產(chǎn)物在滲透膜中具有良好的滲透性，能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到油氣平衡。

（2）滲透膜工作環(huán)境相關(guān)需求：油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常安裝于變壓器的周邊，因此對(duì)應(yīng)用于油氣分離的滲透膜組件而言需要具備能夠穩(wěn)定工作于該環(huán)境下的性能。

（3）實(shí)際工程相關(guān)需求：油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常需要長(zhǎng)期、連續(xù)地工作，所以滲透膜組件還應(yīng)能夠適應(yīng)長(zhǎng)期工作，在較長(zhǎng)的工作時(shí)間內(nèi)維持良好的工作性能。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，選擇應(yīng)用于油氣分離的滲透膜材料需要綜合多個(gè)方面的考慮。原始的有機(jī)高分子通常難以完全滿足實(shí)際需求，因此需要在應(yīng)用的過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行處理。這種處理的方法通常為對(duì)高分子聚合物進(jìn)行改性，也可以通過(guò)控制制備工藝或后期處理等方式達(dá)到該目的。

應(yīng)用于油氣分離的滲透膜技術(shù)現(xiàn)狀

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)選取具有良好物理化學(xué)性質(zhì)的高分子材料作為滲透膜基體，然后通過(guò)加工、改性等方法使其具備實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中所需要的性能。根據(jù)目前已有的研究，在變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域獲得廣泛重視的油氣分離滲透膜材料主要有聚酰亞胺、聚四氟乙烯、Teflon AF2400、聚全氟乙丙烯等，常見(jiàn)的滲透膜組件結(jié)構(gòu)有平板構(gòu)型與管狀構(gòu)型。

目前應(yīng)用于油氣分離的滲透膜材料中，PI、PTFE、Teflon AF2400、FEP是綜合性能較好的四種材料，已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。與前述的主流滲透膜材料相比，PES、PDMS、PVDF、PFA等材料由于其本身的缺陷，目前在實(shí)際中應(yīng)用較少。盡管如此，這類材料均具有應(yīng)用于長(zhǎng)期油氣分離的潛力，其后續(xù)的改性研究值得進(jìn)一步關(guān)注。

除了滲透膜本身的物理化學(xué)性質(zhì)以外，另一個(gè)影響滲透膜油氣分離性能的關(guān)鍵因素是滲透膜的結(jié)構(gòu)組件。一般來(lái)說(shuō)，將滲透膜、固定滲透膜的支撐材料、間隔物或外殼等組裝成為一個(gè)完整的單元稱為滲透膜組件。在實(shí)際的應(yīng)用中，滲透膜組件的主要構(gòu)型有平板構(gòu)型與管狀構(gòu)型兩種。其中平板構(gòu)型又可分為板框式和卷式兩種型式。

板框式滲透膜組件由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制備等特點(diǎn)，是早期研究中通常采用的滲透膜組件構(gòu)型。卷式滲透膜由于其固有的缺陷，難以應(yīng)用于長(zhǎng)期油氣分離。隨著電力系統(tǒng)對(duì)DGA在線監(jiān)測(cè)的需求不斷上升，結(jié)構(gòu)更為靈活、脫氣效率更高的中空纖維膜逐漸成為應(yīng)用于油氣分離單元中的主流滲透膜組件構(gòu)型，同樣也成為了高分子滲透膜在DGA領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究方向。

本文編自2022年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高分子滲透膜在變壓器油中溶解氣體分析中的應(yīng)用”，作者為陳圖南、馬鳳翔 等。