[科普中国]-变压器油中微水含量在线监测系统

研究背景

大型电力变压器是供电系统的关键设备，它的工作状态决定着供电系统的可靠性与安全性。变压器通常依靠其内部的变压器油来冷却并起到防腐蚀与绝缘的作用。变压器的运行、检修以及油质劣化会使油中水分增加。这些微量水分的存在会加快绝缘材料的老化，降低其绝缘强度，甚至会导致线圈形成电弧并短路引发事故，造成巨大的损失和危害。因此，检测变压器油中微量水分，评估变压器绝缘状态，安排变压器检修计划，对提高设备的寿命和利用率、降低故障都具有重要意义。1

目前，检测变压器油中微水含量的方法主要有：

卡尔·费休试剂法，虽然精度高，检测下限可达百万分之一，但存在化学试剂（吡啶）气味臭、污染严重和设备较昂贵等缺点。

射频法，这种方法只适合于油中含水量较多的情况，但对于微量水分的测量准确度较低。

红外光谱法，特性曲线会随着测试仪的工作时间而产生较大偏移，无法保证测量的精确，需要不断校准。

谐振腔微扰法，对谐振腔的结构，连接与选材都有很高的要求，结构过于复杂，实用性不强。

电容法，该方法使用特制的薄膜电容直接测量油中微水含量。由于是直接测量，此方法对薄膜电容的敏感性有很高的要求，在实际测量中往往达不到满意的效果。

因此研究了水含量与相对湿度的关系后，提出了基于相对湿度油中微水含量间接测量法，并依据此原理设计了变压器油中微水含量在线监测系统。2

原理不同的相对湿度条件下，聚合物薄膜吸附的水分含量也不同。因为聚合物薄膜与水的介电常数差异巨大，所以聚合物薄膜的介电常数也会相应的变化，进而使得电容值发生变化，实现非电量到电量的转变。

聚合物薄膜电容由三部分组成

（1）上部电容极板保护主要材料不受外界影响并让水分通过。

（2）聚合物薄膜吸收水分改变其介电常数。

（3）下部电容极板支撑传感器结构。如图所示。

聚合物薄膜电容等效为一个平板电容器，计算电容的表达式为：

其中

S——为聚合物薄膜有效面积；

D——为聚合物薄膜厚度；

εr——为极板间聚合物薄膜相对介电常数；

ε0——为真空介电常数。

极板间聚合物薄膜相对介电常数εr可以通过聚合物薄膜的介电常数ε1、水的介电常数ε2来计算，公式如下:

其中，v2为聚合物薄膜吸收的水所占的体积比。

通常Dubinin公式用来描述聚合物薄膜吸收水分与变压器油的相对湿度RH之间的关系：

其中，T0 ，T分别为吸水前与后的绝对温度； 是当温度为T0时，吸收的水所占聚合物薄膜最大体积比；R为气体普氏常数；E为吸收自由能；α为极限吸附的热力学系数；n为实验确定的经验因子。

由上述三个公式联立可得：

由上式可知，只要测量出聚合物薄膜电容的电容值C，便可通过计算得到此时油的相对湿度RH。

根据相对湿度的定义，利用油中水的溶解度与相对湿度RH求解出油中的绝对水含量 。

其中，S（T）表示的是在温度T下油中水分溶解度，单位是PPm。

变压器油中水分的溶解度公式为：

其中，S是以ppm为单位的油中水分溶解度；T是绝对温度；A/B代表不同油品的水溶解度系数。

整理公式得：

所以，通过测量变压器油的相对湿度RH与温度T，再通过不同油品的系数A和B进行运算，即可计算出变压器油中微水的绝对含量。2

系统设计变压器油中微水在线监测系统由传感器、主控系统板、PC上位机组成，如图2所示。微水含量监测系统是变压器在线检测的一部分，利用之前在变压器现场搭建好的取油回路就能完成系统的现场安装，如图3所示。

由式公式可知，我们需要测量出相对湿度与温度才能计算出变压器油中微水含量。传感器能很好地满足系统的需求，它内置有基于上述原理的HUMICAP湿度传感器测量相对湿度和PTI00铂电阻温度传感器测量温度。MMT162传感器集成了信号处理与变送模块，可以将检测到的相对湿度RH与温度T，通过式公式计算传感器可以直接输出油中微水含量，而且公式中系数A、B可以通过便携式基准仪器对其进行现场校准，根据现场所使用的变压器油。

主控系统板可以分为数据采集模块、数据通信模块和主控模块。

数据采集模块由AD7710芯片与传感器信号处理电路构成。针对传感器输出的电流信号，先使用精密电阻使电流信号转变为电压信号，并采用稳压管防止输出电压信号过大，最后将通过AD8538运放隔离后的电压信号接人A D芯片。

数据通信模块由65LBC181芯片及信号调理电路构成。为了适应大多数应用场合，采用RS185串口通信方式。微处理器输出信号通过施密特触发器进行整形，并使用光藕芯片隔离信号，然后由65LBC181芯片完成从TTI信号到RS185信号的转换。为了提升抗干扰能力在芯片后端加上了稳压管。

微水含量在线监测的应用软件用VisualC++6.0编写。软件主要包括参数设置文件管理、测量数据文件管理、实时数据测量、参数曲线显示等功能模块。主要界面如图所示。

该系统具有体积小、成本低、在现场复杂的电磁环境下可靠性高的优点。系统运行模式多样，既可以人工离线收集、定时采样监控数据，也可通过RS-185总线连接上位机软件，实现远程分布式的微水在线监测系统。2

特点经过大量的稳定性与准确性实验，证明系统测量精度高，操作简单，不需要任何试剂，符合现场实际运行的要求，为变压器维护人员分析变压器的运行状态提供可靠的依据。2