變壓器運行過程中，受溫度、電場、氧氣和銅、鐵等材料的催化作用影響，絕緣油和固體絕緣材料會發生老化和分解反應，產生H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等氣體，分子經擴散、對流、交換、釋放等傳質過程在變壓器油中達到暫時溶解平衡，因此，利用氣相色譜儀檢測其含量及變化趨勢對判斷變壓器是否存在潛伏性故障具有重要意義。
1 試驗
對平衡時的某氣體 i 而言，它溶解在變壓器油中的濃度Co，i 與在氣相中的濃度Cg，i服從亨利定律Co，i= KiCg，i，Ki為 i 的分配系數，與油溫度、組成和溶解氣體分子結構有關，而與被測氣體的實際分壓無關。表1列出了 GB /T 17623《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》、GB /T 7252《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》公布的 50℃測定部分氣體Ki值，變壓器油對 H2和CO的溶解能力較弱，對CH4、C2H4、C2H6、C2H2的溶解能力較強。表1 1atm、50℃時各氣體組分 Ki值
譜析儀器：氣體在變壓器油中溶解特性的試驗研究及應用
1.1氣體在變壓器油中的溶解
（1）特征氣體的溶解
特征氣體通常是指 CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2、CO、CO2等 7 種對判斷變壓器潛伏性故障具有重要參考意義的氣體，為考察溶解飽和程度（含氣量）不同對氣體在變壓器油中溶解的影響，我們進行了如下試驗。選取三種不同生產廠家和型號的變壓器油，分別編號 1A、2A、3A；再取一組上述三種油樣，并分別編號 1B、2B、3B，以 100m L/min 的流速向這三份油樣中通入氮氣約 3 分鐘，每種油樣各用100mL玻璃注射器各取40m L油樣，并加入5mL。經過震蕩靜置后，用氣相色譜儀（GC-2020A型，潤揚儀器有限公司）檢測兩支油樣的溶解氣體含量，以溶解飽和程度較低的油樣A作為基準，將油樣 B 與之比較，分別計算三種變壓器油的溶解飽和程度同油樣之間溶解氣體檢測結果的偏差。通過以上3組對比試驗可以看出，溶解飽和程度高的油樣中各組分濃度和溶解飽和程度低的油樣相比，偏差在20%左右，H2濃度兩者之間相差近30%。可見含氣量對變壓器油溶解氣體具有較大的影響，其他條件相同時，含氣量較低的變壓器油溶解能力更強。
（2）平衡氣的溶解
平衡氣的選擇和分析對象有關，為了避免產生較大背景干擾，通常選擇與載氣一致的氣體。當只對CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2、CO、CO2七個組分分析時，一般選擇 N2作為平衡氣；當還需要分析 N2和 O2進行時，選擇 Ar 氣作平衡氣。對待檢測油中溶解的某一氣體 i 而言，假設油中已溶解的濃度為Ci，油體積為 Vo，達到平衡后脫出的氣樣體積為Vg，i濃度為Ci1。油的體積由于溫度升高會有一定膨脹，但由于其影響十分有限，在此我們不予考慮。
實際上，油的組成、飽和程度等因素都會對這一過程產生影響，為了獲得更多的氣樣，就需要增加平衡氣加入量。有些單位在進行變壓器油中溶解氣體和含氣量分析時選用 Ar 作載氣，我們將其與 N2相比進行了一個簡單的比對試驗。選取 3 種不同生產廠家的變壓器油，每種各取 3 份 40m L，分別編號 1D、1E、1F，2D、2E、2F，3D、3E、3F，1D、2D、3D 分別加入 10m LAr，1E、2E、3E 分別加入 5m LN2+ 5m LAr，1F、2F、3F 分別加入 10m LN2，升溫至 50℃然后震蕩、靜置后對比脫氣量。可以看出，加入等體積的Ar 和 N2兩份油樣相比，加入Ar 的油樣脫氣量遠小于加入N2的油樣，Ar 比 N2更容易溶解在變壓器油中。除進行O2、N2分析這一特殊情況需要 Ar 作載氣和平衡氣外，使用 N2作載氣和平衡氣能得到更多脫氣量，可有效減小檢測誤差，提高故障診斷可靠性。
1.2氣體從變壓器油中的逸出
氣體從變壓器油中逸散是一直伴隨著溶解的動態過程，當變壓器油儲存在敞開體系時，外部空氣中的氮氣和氧氣會不斷溶解于油樣，溶解在油中的氣體也會不斷向外逸散，逸散速度跟外界氣壓、環境溫度等因素有關，氣壓越大、溫度越高，分子逸散速度越快；氣壓越低、溫度越低，分子逸散速度越慢。芬蘭科學家 Ｒ.Anderson 曾對油溫造成的油中溶解氣體逸散損失進行過研究，結果表明如果溫度變化幅度為ΔT= 10℃，則在1天內氫氣的逸散損失率約為2.5%/天，甲烷約為0.7%/天，其他烴類氣體約為0.2% /天。
2 應用分析
現場取變壓器油樣品時，應嚴格執行 GB /T 7597《電力用油（變壓器油、汽輪機油）取樣方法》，注意隔絕空氣和密封以保證取樣的代表性，并盡量避免產生小氣泡。在開展變壓器油中溶解氣體分析時，還會遇到因某些原因導致未能得出可靠結果的情況。此時若無法復測，不能及時診斷出變壓器存在的潛伏性故障，將嚴重危害設備安全運行；或因專業人員檢測過程中操作失誤導致正常運行的變壓器被誤診有異常，同樣也會影響變壓器正常運行。針對這一問題，結合氣體溶解平衡原理和氣體在變壓器油中的溶解特性，可利用一次振蕩平衡后剩余的油樣，再次加入平衡氣進行振蕩、靜置，取二次平衡后的氣樣分析，由二次平衡后的氣樣分析結果，推導計算原始待測油樣中各組分濃度，并與第一次實測結果比較，最終得出可靠結果。通過測定平衡氣體中各組分濃度，并根據分配定律和物料平衡原理，導出待測油樣中溶解氣體各組分濃度的計算公式：
潤揚儀器：氣體在變壓器油中溶解特性的試驗研究及應用
式中：Xi為標準狀態下油中溶解氣體i組分的濃度，Vl’為50℃時，氣、液平衡后油樣體積，Vg’為50℃、試驗時大氣壓力下，氣、液平衡后平衡氣體體積，P為試驗時大氣壓力（kPa），0.929為油中溶解氣體組分的濃度從50℃校正到20℃時的溫度校正系數。經過第一次振蕩平衡脫氣后，剩余油樣再次注入平衡氣進行振蕩平衡，轉移二次平衡氣樣做氣相色譜儀分析，可以測出二次平衡氣樣各組分濃度Cig’，并計算出第一次平衡脫氣后剩余的油樣中各組分的濃度Yi（標準狀態），根據物料平衡原理，該油樣濃度與第一次振蕩平衡時液相中組分i的濃度Cil（50℃、常壓狀態）換算成標準狀態下濃度相等，Cil與第一次振蕩平衡時氣相中組分i的濃度Cig符合公式（1）的分配平衡關系，由此可以導出
譜析儀器：氣體在變壓器油中溶解特性的試驗研究及應用
當第一次測試結果反映充油電氣設備存在異常時，可以通過第二次振蕩平衡法測試計算出推導值，及時驗證數據準確性，與第一次測試結果比較，判斷充油電氣設備是否確有故障，有效提高分析結果可靠性，及時發現設備存在的潛伏性故障，確保設備安全穩定運行。
總之，通過相關試驗，可以得出如下結論：（1）氣體在變壓器油中的溶解會受到溫度、壓力等多種因素影響，含氣飽和程度對后續氣體的溶解也有較大影響，含氣量越低，再溶解效率越高。（2）平衡氣的種類和加入量會影響脫氣量，但不會影響溶解氣體最終檢測結果；檢測含氣量較低的變壓器油時，可通過改變平衡氣類型或增加平衡氣加入量得到更多脫氣量，便于完成氣相色譜儀分析和減小誤差。（3）將溶解特性試驗與氣體溶解平衡原理相結合，可通過“二次平衡法”對缺少平行樣的油樣進行分析能準確返算溶解氣體初始濃度，提高故障診斷可靠性。
關于譜析變壓器油溶解氣分析氣相色譜儀
GC-17A氣相色譜儀是根據實際需要開發的一款多用途專用型氣相色譜儀。在GC-17A型基礎上經過長期研究實驗，采用大量進口原件生產制造的全新高性能氣相色譜儀。適應于變壓器油中溶解氣的氣相色譜分析，并配置專用色譜工作站分析數據，提前預判變壓器潛伏性故障發生等。
該儀器采用雙柱并聯、串聯熱導檢測器、甲烷轉化爐、雙氫焰檢測器的氣路流程，采用三信號同時輸出技術，一次進樣完成對絕緣油中溶解H2、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等九種氣體組分的全分析，具有功能大、性能好、分離效果優、靈敏度高、重現性好、操作簡單、穩定可靠等特點，可完全滿足絕緣油多任務檢測分析的需要，各項性能指標均符合GB/T7252 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則國家標準。
參考譜圖
