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。

油浸式變壓器是目前電力系統中最為常見的變壓器類型。隨著變壓器使用年限的增長，變壓器內部的故障不可避免。變壓器絕緣油通常由多種碳氫化合物構成，在遇到放電或過熱等故障時，化合物中的碳碳鍵和碳氫鍵會發生裂解，產生H2及一系列低碳烴類氣體。

除變壓器油之外，固體絕緣物如變壓器絕緣紙中的纖維素分子所含有的碳碳鍵、碳氫鍵、碳氧鍵會在放電或過熱的故障下裂解，形成CO、CO2、H2O及烴類氣體。不同類型、程度的故障所產生的故障氣體種類、濃度、比例不同，因此可以通過對絕緣油中溶解的氣體種類及含量進行檢測，從而反映油浸式變壓器的絕緣狀態和故障類型。所以，基于油中溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis, DGA）的檢測技術受到了國內外學者的廣泛重視。

油氣分離裝置是變壓器在線檢測系統中的重要單元，承擔著將故障氣體從變壓器絕緣油中分離出來的作用，是進行DGA的前提。油氣分離的結果會直接影響脫出的故障氣體的濃度，進而影響脫出的故障氣體的定量檢測結果。所以油氣分離的結果會對整個系統的可靠性造成決定性的影響。

由此，有必要對油氣分離相關技術進行研究，明確影響油氣分離結果的因素，尋找更優的油氣分離技術，提升油氣分離結果的準確性，從而幫助運維人員更精確地把控變壓器的絕緣狀態，有助于變壓器的預防性維護，保障變壓器安全、穩定運行。

真空脫氣法和頂空脫氣法是已經大規模投入商業應用的油氣分離方法。但是，這兩類方法往往需要復雜的機械裝置和高昂的維護成本。滲透膜技術是一種頗具前途的前述油氣分離技術的替代方法。

滲透膜技術具有多項優點，例如結構簡單、潛在適應性強、低能耗、維護成本低、不涉及相變、體積小。與傳統的油氣分離方法相比，滲透膜技術不需要載氣及后續處理，便于絕緣油的循環利用和系統維護。

常見的滲透膜材料包括有機材料、無機材料和金屬有機骨架化合物等。已經被開發用于有機滲透膜制備的材料包括聚酰亞胺、聚砜類、含氟高分子等，用于制備無機滲透膜的材料包括TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2等，金屬有機骨架化合物包括Cu3(BTC)2、沸石咪唑酯等。

一般來說，無機材料成本較高且制膜難度較高，金屬有機骨架化合物則尚停留在實驗室階段，難以大規模工業化生產。相較之下，有機高分子材料容易獲得、成本低廉、易于加工，是當今研究的主流方向。

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。

滲透膜技術為變壓器狀態檢測中的油中溶解氣體分析提供了一種新穎且有效的方法。在過去的幾十年中，基于滲透膜的油氣分離技術得到了長足的發展。如今，在DGA領域中，已有多種材料、多種構型的高分子滲透膜得到了應用。

研究團隊針對基于滲透膜的油氣分離技術研究成果進行了綜述，從滲透膜油氣分離的機理、需求和現狀幾個方面入手，介紹高分子滲透膜在油氣分離技術領域的應用現狀。其中在滲透膜的現狀方面，研究團隊分別從材料、結構兩個角度對現有的研究進行了闡述和分析，并結合已有的研究內容給出了總結與比較。

此外，基于前述的前人研究成果及本研究的綜述內容，可以對目前應用于變壓器油氣分離的滲透膜技術的有待研究的問題歸納如下：

（1）與變壓器的潛在整合問題。

目前，大部分滲透膜的數據是實驗室測得的，直接應用于實際場景會出現與變壓器的整合問題，即實驗室的測量條件難以適用于實際工況。尤其是滲透膜的平衡時間會受溫度影響，這導致即便經過同樣的脫氣時間，氣室中的故障氣體濃度會因溫度的不同而不同。因此，難以采用實驗室中標定的結果對實際場景中運行的變壓器進行故障診斷。

（2）響應時間長于常見在線監測裝置。

現有的研究成果顯示，采用滲透膜進行油氣分離所需要的平衡時間通常都在h級。這樣的油氣分離效率難以滿足最小檢測周期不大于2h的要求。而目前較為成熟的真空脫氣和頂空脫氣方法完成油氣分離通常只需要30min以內。因此，應用滲透膜作為油氣分離單元的裝置響應時間長仍是有待解決問題。

基于上述內容，研究團隊對應用于變壓器油氣分離的滲透膜技術發展方向進行如下展望：

（1）溫度補償。

滲透膜的氣體滲透性與溫度有著密切的關系。對于同一種滲透膜，不同溫度下的平衡常數值差異較大。因此，由于變壓器運行時油溫有所不同，在使用基于滲透膜的油氣分離單元時，應盡量在與平衡常數值標定時相同的溫度下進行檢測，或采取一定方法來補償溫度變化帶來的分離結果的誤差。

（2）平衡時間。

盡管經過長期的發展，基于滲透膜技術的油氣分離平衡時間已經從最初的上百小時縮短至如今的幾個小時，但是響應時間依然較長。因此，需要進一步對滲透膜材料進行改性研究，才能夠使其平衡時間達到一個能夠接受的即時響應水平。

綜上所述，應用于油中溶解氣體分析領域油氣分離中的高分子滲透膜技術仍在不斷發展之中。隨著電力工業的不斷進步，對油中溶解氣體在線監測的要求逐步提高，采用滲透膜技術進行油氣分離是趨勢所在，探索研究具有工業化潛力的滲透膜具有重大的實際意義。

本文編自2022年第3期《電工技術學報》，論文標題為“高分子滲透膜在變壓器油中溶解氣體分析中的應用”，作者為陳圖南、馬鳳翔 等。