滲透膜技術是通過具有選擇透過性的滲透膜，在外力推動下對兩組或多組溶質進行分離的方法。在變壓器的運行過程中，溶解于變壓器油中的故障特征氣體經自由擴散會到達絕緣油表面，經由滲透膜逸出到達氣室中，直至氣室內的故障特征氣體濃度與油中溶解的故障特征氣體濃度達到動態平衡。此時，通過測量氣室中氣體的濃度即可推斷出油中溶解氣體的濃度。

在當前的研究與應用中，用于油氣分離中較多的滲透膜為非多孔膜，故在此主要對非多孔膜的油氣分離機理進行介紹。目前，受到普遍認可的描述非多孔膜的模型是溶解-擴散模型。

溶解-擴散模型的分離機理可以分為以下三步：

（1）上游吸附過程：高壓側或高化學濃度側的氣體溶解進入上游的高分子膜中。

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

（3）下游解吸附過程：在低壓側或低化學濃度側的氣體從高分子膜中解吸附。

溶解-擴散模型的分離機理如圖1所示。

圖1 溶解-擴散模型示意圖

在進行油氣分離單元的滲透膜材料選型時，主要需考慮變壓器故障特征氣體在滲透膜中的滲透系數，以此來選擇平衡時間較短、故障特征氣體有良好滲透率的滲透膜材料。進一步地，在進行油氣分離單元的設計時，也可以通過合理設計滲透膜組件的結構來達到縮短平衡時間的目的。

應用于油氣分離的滲透膜性能需求

根據實際的工作場景，對應用于油氣分離的滲透膜性能需求通常可以分為如下三個方面：

（1）滲透膜滲透性能相關需求：考慮到油中溶解氣體在線監測系統需要及時地對變壓器的潛在故障進行反饋，因此需要變壓器油故障產物在滲透膜中具有良好的滲透性，能夠在相對較短的時間內達到油氣平衡。

（2）滲透膜工作環境相關需求：油中溶解氣體在線監測系統通常安裝于變壓器的周邊，因此對應用于油氣分離的滲透膜組件而言需要具備能夠穩定工作于該環境下的性能。

（3）實際工程相關需求：油中溶解氣體在線監測系統通常需要長期、連續地工作，所以滲透膜組件還應能夠適應長期工作，在較長的工作時間內維持良好的工作性能。

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

應用于油氣分離的滲透膜技術現狀

在實際實驗及工業生產過程中，會選取具有良好物理化學性質的高分子材料作為滲透膜基體，然后通過加工、改性等方法使其具備實際應用場合中所需要的性能。根據目前已有的研究，在變壓器油中溶解氣體在線監測領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，常見的滲透膜組件結構有平板構型與管狀構型。

目前應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，已經得到了較為廣泛的應用。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，目前在實際中應用較少。盡管如此，這類材料均具有應用于長期油氣分離的潛力，其后續的改性研究值得進一步關注。

除了滲透膜本身的物理化學性質以外，另一個影響滲透膜油氣分離性能的關鍵因素是滲透膜的結構組件。一般來說，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完整的單元稱為滲透膜組件。在實際的應用中，滲透膜組件的主要構型有平板構型與管狀構型兩種。其中平板構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構簡單、易于制備等特點，是早期研究中通常采用的滲透膜組件構型。卷式滲透膜由于其固有的缺陷，難以應用于長期油氣分離。隨著電力系統對DGA在線監測的需求不斷上升，結構更為靈活、脫氣效率更高的中空纖維膜逐漸成為應用于油氣分離單元中的主流滲透膜組件構型，同樣也成為了高分子滲透膜在DGA領域中的重點研究方向。

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。