用于測量油浸式變壓器故障氣體量的電容傳感器的設計

車　煥　郜世磊

（1.營口理工學院，遼寧營口　115000；2.石鋼京誠裝備技術有限公司，遼寧營口　115000）

用于測量油浸式變壓器故障氣體量的電容傳感器的設計

車煥1郜世磊2

（1.營口理工學院，遼寧營口115000；2.石鋼京誠裝備技術有限公司，遼寧營口115000）

氣體繼電器廣泛用于油浸式變壓器的故障保護中，其采用機械結構形式來對輕瓦斯和重瓦斯時的故障進行保護，它要設定一個保護閾值，這個值一旦設定是不可以更改的，因此應用時有很大限制。又由于機械結構受油的粘滯作用和油的流速影響保護動作有分散性，不容易對氣體量進行數字化測量及處理，不滿足電器在線檢測和自動控制的要求。為此，本文提出了采用電容模型作為測量敏感元件，實現對故障氣體量和流速的在線監測。

油浸式變壓器電容傳感器設計

1　采用電容模型測量變壓器內氣體量的原理

變壓器油是變壓器內的絕緣介質和冷卻介質。當發生電弧放電故障時，高溫電弧將故障點附近的油由液態離解成氣態的烴類氣體。少量的氣體可以溶解于油，但當離解產生氣體的速率大于溶解速率時，故障區域會產生氣泡。變壓器油的空間被故障氣體產生的氣泡占據，因此發生故障時，將有同等體積的油被擠入儲油柜。

油枕內的膠囊是可以伸縮的，因此通過油箱和油枕之間的管道，變壓器油離解產生的氣體最后只能進入油枕，存放在油枕里油面的上半部空間中。隨著故障氣體的增多，油枕內部的壓力會逐漸增大，這就會使油枕內得油面開始下降。由此可知，油枕內有一個油氣接觸面：故障氣體位于接觸面的上部，變壓器油位于下部并于油箱本體連接。油氣接觸面高度會隨故障氣體量的變化而變化。

變壓器油、故障產生的各種烴類氣體以及空氣都是絕緣介質，但是他們的介電常數是不相同的。本文設計的電容傳感器就是利用變壓器油和故障氣體的絕緣特性，將變壓器油和故障氣體作為電容極間的絕緣介質。當油氣接觸面的高度發生變化時，由于變壓器油和故障氣體的介電常數不同，電容傳感器的電容值也會產生變化。

電容傳感器把極間介質量的變化轉化為對應輸出電容值的變化，然后用后續處理電路將電容信號轉換為電信號，這樣就可以實現故障氣體的在線監測和變壓器的故障保護。

2　電容傳感器的設計

本文采用圓柱電極電容模型，電極間填充變壓器油和故障氣體作為絕緣介質。

圖1　圓柱電極電容傳感器原理圖

圖2　輸出電容隨油位高度變化特性

將兩個同心圓形電極板1和2放入被測變壓器油中，原理圖如圖1所示。電容傳感器的總電容值將等于變壓器油介質間電容值和故障氣體介質間的電容值之和。

故障氣體介質間的電容值Cgas為：

變壓器油介質間電容值Coil為：

上兩式中：εoil—變壓器油的介電常數εgas—故障氣體的介電常數

hoil—變壓器油浸沒電極1和2的高度hgas—故障氣體高度

h—電極總長度，h=hoil+hgas；

R—圓電極外電極的內半徑、r—圓電極內電極的外半徑。

因此，總電容值為

式（2）表明傳感器電容量C與油位高度hoil或hgas均成線性關系。由此可見只要測量電容值得變化就可以得到氣體量的變化。

3　電容傳感器的建模分析

電容傳感器用于測量變壓器內的故障氣體量，所以要放入到變壓器油中，而變壓器油的粘滯作用必然會對傳感器的工作造成一定的影響，因此必須給電容傳感器設計合理的結構，使其既具有足夠的靈敏度，又不能夠達到擊穿電場強度。

本文利用ANSYS軟件對電容傳感器進行場域分析，以確定優化電容傳感器的結構，并分析得到被測電容的特性。

ANSYS進行建模時，考慮它的軸對稱性，只建立以過軸線的平面切開三維模型的半個區域，這樣可以節省計算機資源和減少計算量，只對模型的半個區域進行了計算和分析。

對于靜電場分析，本文選擇在模型電極邊界上施加電壓載荷。在內電極加高電位，而外電極加低電位進行電場和輸出電容計算。計算可得電容值隨油位高度的變化曲線如圖2所示。由圖可知電容值和油位高度呈線性關系，可以通過測量電容值來得到油位高度的值。而油位高度和氣體量也是線性的關系，這樣就可以通過電容值得變化得到氣體量的變化，證明所設計的電容傳感器可用。

4　結語

本文設計了一個用于測量油侵變壓器內故障氣體兩的電容傳感器，通過ansys仿真分析可知設計的傳感器符合實際要求，可用于測量變壓器內的氣體量，從而對故障氣體進行在線檢測。

［1］劉作利.基于CAN總線的油浸式變壓器保護系統［D］.沈陽工業大學，2006.