電力變壓器油中微量水分變送器的設(shè)計與實現(xiàn)

唐建東

（深圳職業(yè)技術(shù)學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

電力變壓器運行狀態(tài)決定了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]．變壓器絕緣油的微水含量影響變壓器的絕緣強度和工作穩(wěn)定性．電力變壓器在運行中需要監(jiān)測其微水含量，微水含量偏高時，要更換變壓器油以保護變壓器．電力變壓器在工作時從空氣中吸入水分，溶解到變壓器油中，形成溶解水[2]．一旦達到飽和點，多余水分會形成明顯的油水分層，以游離水狀態(tài)而被析出，形成沉積水．在長期運行的變壓器中油質(zhì)劣化，使得水分懸浮在油中，形成懸浮水．

變壓器油中水分采用絕對水分溶解度和相對水分溶解度來表示[3]．絕對水分溶解度是油中微水的體積或質(zhì)量與油的體積或質(zhì)量之比，測量單位是 10-6．相對水分含量也叫水活性，油中的水分含量與它所能容納的水分總量的比值[4]．

變壓器油的微水含量大約在 20×10-6[5]，采用傳統(tǒng)的實驗室取樣檢測測量方法不能滿足新的需要．本研究根據(jù)高分子材料聚酰亞胺薄膜的電容式濕度敏感元件原理，設(shè)計了電力變壓器油中微水含量的在線監(jiān)測．

1 聚酰亞胺電容式濕度傳感測量原理

聚酰亞胺濕度敏感元件結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]，由上電極、PI濕敏膜、下電極和襯底組成．上電極與下電極采用金屬鋁，中間采用聚酰亞胺薄膜，這樣就構(gòu)成了一個平板電容器．隨著環(huán)境相對濕度的改變，中間聚酰亞胺層的介電常數(shù)e發(fā)生改變，從而電容值改變，通過測量電容值就可以測出相對濕度值．

圖1 聚酰亞胺濕度敏感元件結(jié)構(gòu)

根據(jù)電磁學平板電容原理，電容值C計算公式如下：

其中，e是電介質(zhì)的介電常數(shù)；S電極面積；d是電極間的距離．聚酰亞胺導電性良好，介電常數(shù)在2.9左右，而純水的介電常數(shù)為80，聚酰亞胺濕度敏感元件利用水和油的介電常數(shù)差值大來實現(xiàn)．當油中含水接近為零時，敏感元件的介電常數(shù)e約為2.9，根據(jù)公式（1），計算出絕對干燥電容值；當油中含水增大時，敏感元件的介電常數(shù)也增大，電容變大；當油中含水接近飽和時，敏感元件的介電常數(shù)e約為80，根據(jù)公式（1），計算出絕對飽和電容值．因此測量出電容值的大小，就能測量出含水的多少[6]．

隨著環(huán)境的相對濕度變化，敏感元件的介電常數(shù)產(chǎn)生變化，可以建立數(shù)學模型：

其中：h表示濕度膜吸水率；1e表示聚酰亞胺薄膜介電常數(shù)；2e表示純水介電常數(shù)；RH表示環(huán)境相對濕度．

聚酰亞胺濕度敏感元件等效介電常數(shù)模型為：

由（1）、（2）、（3）式，得到電容隨相對濕度RH的函數(shù)關(guān)系式：

2 變送器的設(shè)計

2.1 變壓器油微水變送器硬件組成

變壓器油微水變送器總體框圖如圖2所示，由微控制器、濕度信號調(diào)理、溫度信號調(diào)理、RS485通信電路和數(shù)據(jù)存儲器組成．濕度傳感器將變壓器油中的微水含量轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘? 該信號經(jīng)過信號調(diào)理電路放大、濾波等處理后接入微控制器中進行數(shù)字信號處理, 從而得到微水含量，并通過 RS485通信模塊采用 MODBUS協(xié)議輸出．該變送器具有自校驗、自診斷等智能功能，適合在線測試．變壓器油中微水含量與溫度相關(guān)．當油的溫度上升時，油能從周圍的環(huán)境吸收水分．在變送器中，同時需要測量溫度值．

2.2 濕度傳感器電容值的測量電路

變壓器油微水變送器采用頻率法測量濕度電容值，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示．由NE555集成電路構(gòu)成振蕩器[8]．振動頻率為：

從公式（5）可以看出，當電阻R1、R2穩(wěn)定不變時，濕度電容Ch確定了輸出頻率f，測量出輸出頻率可以計算出檢測出電容值Ch．根據(jù)公式（4）能計算出當前的相對濕度RH．

2.3 微水含量計算

變壓器油微水變送器器測到的相對濕度，要得到實際油中水分含量，就需要根據(jù)水分溶解度公式來換算[9]．水分含量w(水)計算公式：

式中，RH是相對濕度；T是絕對溫度；A和B是聚酰亞胺濕度敏感元件的特征參數(shù)，可以通過實驗方法得到．對于 P-14濕度敏感元件，應(yīng)用最小二乘法即可計算出：A為7.3659，B為-1661.5．

圖2 變壓器油微水變送器

圖3 濕度電容測量電路

2.4 通訊模塊設(shè)計

微水含量輸出采用 RS-485接口，在兩根傳輸線上串行傳輸數(shù)據(jù)．數(shù)據(jù)格式遵循標準的MODBUS RTU協(xié)議[8]．主機發(fā)出的命令和微水變送器回的響應(yīng)都包含在數(shù)據(jù)塊中，并定義為幀．幀結(jié)構(gòu)如圖4所示．

在 RTU 模式下，幀在至少 3.5 個字符時間的停頓區(qū)間后開始，并在至少3.5個字符時間的停頓區(qū)間后結(jié)束．地址信息是變送器的通信地址，從1-247可選并通過軟件設(shè)置．功能代碼主要是“03”，實現(xiàn)濕度溫度的讀取功能，數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)個數(shù)和溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)各占兩個字節(jié)，數(shù)據(jù)個數(shù)為2．CRC碼為2個字節(jié)，16位的二進制值．由發(fā)送設(shè)備計算 CRC值，并把它附到信息中去．

2.5 變送器外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

變送器結(jié)構(gòu)如圖5所示．整體由不銹鋼構(gòu)成，前端是傳感端，使用時放入變壓器油中測量油中水分的含量，中間是固定件，采用標準的 ISO 228-1接口，可以固定在變壓器油的回路上，后端是信號處理部分，采用圖2所示的微控制器系統(tǒng)進行處理．

圖4 RTU信息幀結(jié)構(gòu)

圖5 變送器外形結(jié)構(gòu)

3 實驗結(jié)果

變壓器油中微水變送器測量的相對濕度和微水含量值與傳統(tǒng)的卡爾·費休滴定法的測量值進行比較試驗，測量數(shù)據(jù)見表1所示．從表1看出，在35℃附近相對誤差最小，低溫段變送器測量偏小，高溫段變送器測量偏大，總體上滿足國標GB/T 7600的要求．

表1 變壓器油微水變送器的試驗結(jié)果

[1] 馬宏忠，宋錦剛，宋錦明，等．基于DSP 的SF6氣體密度及微水含量在線監(jiān)測[J]．微計算機信息，2008，244-2：157-159．

[2] 謝廷貴，楊錦賜．電容式聚酰亞胺薄膜濕度敏感器的研究[J]．廈門大學學報，1995，34 (4)：557-561．

[3] 楊慕杰，李揚．高分子型濕敏傳感結(jié)構(gòu)材料及器件[J]．高分子通報，1999，3（9）：34-42．

[4] GB/T 7595—2008．運行中變壓器油質(zhì)量[S]．GB/T 7595-2008．

[5] 陳偉根，甘德剛，劉強．變壓器油中水分在線監(jiān)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型[J]．高電壓技術(shù)，2007，33（5）：73-78．

[6] 鄔家義．變壓器油的氧化析水問題[J]．變壓器，1997，34（9）：35-38．

[7] 高宗寶，吳廣寧，周利軍，等．水份含量對變壓器油紙絕緣系統(tǒng)回復電壓參數(shù)影響規(guī)律的研究[J]．高壓電器，2011，47（4）：37-41．

[8] 甘德剛，劉凡，劉平，等．基于變壓器油紙間水分平衡關(guān)系的油紙絕緣水分含量計算方法[J]．變壓器，2009，46（8）：21-24．

[9] DU Y，ZAHN M，LESIEUTM B C，et al. Moisture equilibrium in transformer paper-oil systems[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，1999，15（1）：11-20．