1、引言
作為變電站的核心設備，變壓器能夠正常運作對變電站來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，而變壓器中絕緣系統的壽命決定了變壓器的壽命，絕緣系統又主要由變壓器油和絕緣紙板組成，纖維質(zhì)的絕緣紙對系統壽命最為重要，影響變壓器絕緣紙壽命的三大要素是水分、氧氣和溫度，其中水分的作用最明顯。
變壓器油中如果產(chǎn)生氣體雜質(zhì)和微量水分，不僅會(huì )導致變壓器油的絕緣性能降低，致使絕緣系統老化速度加快，從而導致變壓器的正常使用壽命縮短，還可能引起變壓器局部放電擊穿及產(chǎn)生氣泡，情況嚴重時(shí)，容易發(fā)生安全事故，造成巨大的危害和損失，因此，必須在變壓器投入運行之前進(jìn)行微水檢測。傳統的變壓器干燥技術(shù)采用真空干燥等方法需要對變壓器進(jìn)行停電及吊芯處理，投入成本較大同時(shí)會(huì )帶來(lái)停電損失。變壓器在線(xiàn)除水裝置能夠對變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線(xiàn)除水，變壓器無(wú)須停電。變壓器在線(xiàn)除水裝置通過(guò)高精度微水傳感器對變壓器油中微水含量進(jìn)行監測，一旦微水含量超標能夠自動(dòng)啟動(dòng)除水流程，對變壓器進(jìn)行自動(dòng)在線(xiàn)除水。
2、變壓器油中微水含量檢測方法
近年來(lái)，國內外都非常關(guān)注對變壓器油中微水含量的檢測方法的研究，現已研究出的檢測方法包括射頻法、卡爾費休法、紅外光譜法、電容法等。
2.1 射頻法
利用雷達檢測技術(shù)獲取被測介質(zhì)對特定制式電磁波的透射或反射(或稱(chēng)為二次散射)傳播信息來(lái)確定有關(guān)介質(zhì)中水分含量大小。
這種方法適用于變壓器油中含水量較多的情況，但在油中含微量水分的情況下，其測量準確度較低。
2.2 卡爾費休法
選用I2、吡啶、SO2、無(wú)水CH3OH（含水量在0.05%以下）配制成試劑，首先，測定出試劑的水當量；然后，將試劑與樣品中的水進(jìn)行反應。通過(guò)計算反應后，試劑的消耗量從而計算出樣品中水含量。
卡爾費休法的測量精度很高，檢測下限可達百萬(wàn)分之一，但是，缺點(diǎn)也很明顯—檢測設備比較昂貴難以普及，而且化學(xué)試劑（吡啶）氣味難聞，易造成嚴重的污染。
2.3 紅外光譜法
利用水對一些特定波長(cháng)的紅外光具有強烈的吸收特性，選用這些特定波長(cháng)的紅外光照射物料，此時(shí)，物料中所含的水就會(huì )吸收部分紅外光的能量。物料中含水量越大，吸收的紅外光的能量越多，反射光的能量就越少，通過(guò)測量反射光的減少量，可以計算出物料的水份。
采用這種方法，隨著(zhù)測試儀的工作時(shí)間增長(cháng)，特性曲線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生較大偏移，導致測量精確度降低，因此，需要不斷校準。
2.4 電容法
采用聚合物薄膜電容對變壓器絕緣油中微水含量進(jìn)行測量。
通過(guò)對各種絕緣油中微水含量檢測的方法比較，發(fā)現電容法監測絕緣油中微水含量適用于變壓器在線(xiàn)除水的場(chǎng)景。
3、電容法測量微水含量的原理
聚合物薄膜吸附的水分含量受相對濕度的影響，環(huán)境相對濕度變化時(shí)，聚合物薄膜的含水量就會(huì )發(fā)生相應的變化。由于聚合物薄膜與水的介電常數差異巨大，當聚合物薄膜中含水量變化時(shí)，聚合物薄膜的介電常數也會(huì )相應的變化，從而使得電容值發(fā)生變化，實(shí)現非電量到電量的轉變。
聚合物薄膜電容由三部分組成：
（1）上部電容極板具備選透作用，不讓絕緣油分子通過(guò)而讓水分子通過(guò)。
（2）聚合物薄膜吸收水分子，其介電常數發(fā)生改變。
（3）下部電容極板起到支撐傳感器結構的作用。如圖 1 所示。
聚合物薄膜電容等效為一個(gè)平板電容器，計算電容的表達式為：C=εrε0S/D
式中，S為聚合物薄膜有效面積；D為聚合物薄膜厚度；
εr為極板間聚合物薄膜相對介電常數；ε0為真空介電常數。極板間聚合物薄膜相對介電常數εr，可以通過(guò)聚合物薄膜的介電常數ε1和水的介電常數ε2來(lái)計算，公式如下：
式中，v2為聚合物薄膜吸收的水所占的體積比。
通常Dubinin公式用來(lái)描述聚合物薄膜吸收水分與變壓器油的相對濕度RH之間的關(guān)系：
式中，T0，T分別為吸水前與后的絕對溫度是當溫度為T(mén)0時(shí)，吸收的水所占聚合物薄膜最大體積比；R為氣體普氏常數；E為吸收自由能；α為極限吸附的熱力學(xué)系數；n為實(shí)驗確定的經(jīng)驗因子。
由上述三個(gè)公式聯(lián)立可得：
由上式可知，只要測量出聚合物薄膜電容的電容值C，便可通過(guò)計算得到此時(shí)油的相對濕度RH。
4、微水傳感器設計
微水傳感器前端設計獨特的水分感應探頭可以實(shí)時(shí)捕捉油水混合物的電學(xué)特性變化，并通過(guò)高精度的溫度探頭進(jìn)行溫度補償，通過(guò)算法優(yōu)化獲得油中水分含量。
電容式傳感器會(huì )隨著(zhù)濕度的變化而變化，因此，通過(guò)對電容式傳感器容值的變化，計算出當前油中的水分含量；溫度傳感器采用高精度的溫度傳感器，通過(guò)對溫度的測量可以對計算出的油中水分進(jìn)行溫度補償，從而準確地得到水中水分含量。硬件設計系統框圖如圖2所示。
軟件運行時(shí)，先對電容傳感器進(jìn)行采集，計算出電容值，根據電容值推算出當前的水分含量，然后，通過(guò)溫度傳感器計算出當前的溫度，通過(guò)溫度補償，計算出最后的水分含量。軟件設計系統如圖3所示。
5、微水傳感器在在線(xiàn)除水裝置中的應用
在線(xiàn)智能除水裝置包含以下主要部件：進(jìn)油閥，回油閥，節流閥，過(guò)濾罐，濾油器，排氣罐，微水傳感器，油流指示器，油泵，控制器。具體結構如圖4。
自動(dòng)運行時(shí)，除水裝置的主控單元會(huì )通過(guò)傳感器采集系統的水含量、溫度、壓力等狀態(tài)參數，并根據設定的控制策略自動(dòng)啟動(dòng)或停止除水濾油過(guò)程。具體運行操作界面如圖5。
當微水含量超過(guò)定值，啟動(dòng)除水過(guò)程時(shí)，如果在除水罐前后的兩個(gè)微水含量傳感器檢測到的微水含量值相差不大，說(shuō)明除水罐中除水材料失效，系統報警提醒更換除水材料。
6、結語(yǔ)
通過(guò)對變壓器油中微水含量檢測方法的研究，采用電容法對變壓器中油中微水含量進(jìn)行監測，研發(fā)高精度微水傳感器。將高精度微水傳感器使用在變壓器絕緣油在線(xiàn)除水裝置中。能夠對變壓器油中微水含量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，一旦檢測到微水含量超標自動(dòng)啟動(dòng)在線(xiàn)除水進(jìn)程。同時(shí)，通過(guò)除水前后兩個(gè)微水傳感器的設置可以實(shí)現更換除水材料的自動(dòng)提醒功能。
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