基于電容法的變壓器油含水率實時檢測方法研究

劉卿

摘 要：變壓器是電力系統中必不可少的電氣主設備，起到連接不同電壓等級電力系統的作用，其運行的可靠性對于電力系統是至關重要的。含水率是影響變壓器安全運行的重要因素，然而油水兩相流體體系為非線性耗散動力系統，其形成機理、運動規律非常復雜，致使變壓器油含水率測量難度較大，至今缺乏滿足精確含水率測量的儀器。變壓器油含水率的實時準確測量成為電力系統亟待解決的問題。

關鍵詞：介電常數；變壓器油含水率；電容傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.191

0 引言

隨著高壓遠距離輸電與新電源的大規模應用，變壓器在電力系統中的重要性日漸顯著，大型電力變壓器工作狀態的正常與否對于現代電力系統正常運行時的效率和運行安全起著非常重要的作用。大型變壓器油中水分的含量的多少直接影響著浸泡在變壓器油中的絕緣等很多部件的衰老速度和絕緣性能的，其含水量的多少是對各部件產生巨大影響的一個重要因素，例如當水分含量超過0.005%時，變壓器油的絕緣性能就會大打折扣，發生絕緣性能的大幅度下降，與此同時，變壓器油中含水量帶來的影響會越來越嚴重。大型電力變壓器的故障除了會導致故障變壓器負載區域的供電中斷，引起供電中斷區域各生產單位的大量直接經濟損失，而且還會發生災難性事故，帶來嚴重的生命危險，帶來的損失是無法彌補的。

1 常用變壓器油含水率測試方法

（1）蒸餾法。蒸餾過程是在回流過程中將待測樣品加入到不溶于水的特定溶劑中。混合物充分混合后，樣品均勻加熱。蒸餾完成后，冷凝開始，最后溶劑和水在接收器中連續分離，水沉積在接收器的刻度管中，溶劑返回到蒸餾瓶中，通過以下表達式計算含水率：

其中：V0的含義是空白試驗時接受器中水體積的數值；V1是式樣的體積數值，V2是接收器中水體積的數值。

蒸餾設備簡單，易于操作和管理。但考慮到變壓器油的數量有限，連續抽樣會造成變壓器油嚴重浪費；精餾變壓器油中水分測量不是實時測量的，測量值與實際值的誤差；此外，如果附著在冷凝器壁上的水另一方面，利用蒸餾法測量耗時會非常長。蒸餾方法不適合測試變壓器油的含水量。

（2）卡爾費休法。卡爾·費歇爾方法的原理是使用已知滴定度的卡爾費休試劑（通常是碘，二氧化硫，錫的酊劑和甲醇的溶液）使樣品中存在的水以游離水或結晶水與試劑定量反應。主要包括電量反滴定法，目測法，直接電量滴定法，電量滴定法等。

與蒸餾方法類似，當測試變壓器油的含水量時，通過該方法對變壓器油進行取樣，然后對樣品進行滴定。所以這種方法只適用于實驗室環境，不能實現實時測量。此外，由于用于滴定的化學試劑保存期限短，大量的化學試劑滴定，所以每次試驗前都需要額外的化學試劑，造成時間的浪費。

（3）混合物聲學特征測量法。由于流體的速度隨著流體的密度而變化，所以使用混合物的水分含量的測量來測量水分含量，顧名思義，通過測量聲速的物理量來確定不同的相的流體混合物的組成。

與上述使用電磁波測量變壓器油含水量的限制方法相同，對測試裝置也有較高的要求。用這種方法測試變壓器油會使成本太高。而且，目前混合料的聲學特性測量仍處于理論探索階段。實驗室結果和現場測量數據存在很大的誤差，所以沒有真正的應用先例。但不能忽視關鍵技術的突破，此項技術所能帶來的市場潛能。

（4）電容法。變壓器油是油和水的兩相混合物。其綜合等效介電性能與油水兩相流體中介電常數，電導率和這兩相的質量分數密切相關。變壓器油的相對介電常數從2變化到4。水是一種極性分子，極性物質的介電常數遠遠高于普通物質的介電常數，約為80。因此，當變壓器油的水分含量低時，即使變壓器油含水量的微小變化也會引起油水混合物的總介電常數的大的數值變化。

由于在多數情況下，變壓器油和水兩種液體的介電常數和電導率都有準確的參考值，且其介電常數等參數可精確測量，這樣根據數學關系式就可以通過測量油水混合物的等效介電常數推導計算出變壓器油的含水率。

2 變壓器油測試方法比較與確定

比較上述各種變壓器油含水率的測試方法，分析其優缺點，最終確定采用電容法進行測量，理由如下：

（1）采用電容法測量變壓器油含水率可以實現實時測量，較蒸餾法、卡爾費休法等方便簡單，測量周期短，不用采樣，可實現在變壓器上直接測量。

（2）考慮到變壓器油中含水率不會很高，故一般采用對變壓器油中含水率低測量精準的辦法進行變壓器油含水率測量，電容法正好符合這一要求。

（3）電容法測量變壓器油含水率在研發及應用過程中安全簡單且方便，比如射線法、混合物聲學定位法等，不需要昂貴且危險的試驗裝備（如放射源）。

3 基于電容法的變壓器油測試

基于電容法的變壓器油試驗電容式傳感器探頭為同軸內外電容器，同軸電容器內部的導體，導體外包裹一層絕緣套，絕緣套和環形空間的外導體填充油和充滿變壓器油的水混合物。同軸電容式電力變壓器油中電容式水分儀是儀器的電氣物理特性，它是油水介電常數值的差值，實現被測信號的變化被轉換成電容的變化是通過輸入到介電常數電容式傳感器的值。變壓器油當測量系統的電路部分的振蕩頻率被調諧到作為電容式傳感器的敏感傳感器的同軸電容器的設定電容值時，同軸電容器的電容的變化量根據放大諧振電路的原理。一定比例的電壓變化輸出。可以看出，測量系統的電路部分可以諧振的振蕩電壓值隨濕度而變化。一種處理方法是根據輸出電壓測量系統可以通過計算變壓器油水混合物的相對介電常數，另一種是用數據處理器處理輸出的直流電壓直接轉換成相對介電常數數值，顯示在數字顯示器上。電容式水分儀是儀器的電氣物理特性，它是油水介電常數值，輸入值與介電常數電容式傳感器之間的差值，可以實現被測信號的變化，變成電容變化。電容式傳感器的電容由電容式濕度計測量，該電容式濕度計不僅隨傳感器的大小而變化，而且隨著電池中混合介質的整體介電常數而變化。

4 結論

本文介紹了變壓器油含水率的基本理論，以及變壓器油含水率的基本測量方法，簡單描述了變壓器油含水率測量的幾種主要方法，并進行了歸納總結比較，確定了采用電容法對變壓器油含水率進行測量的方案；隨后系統分析電容法測量變壓器油含水率的各種模型，分析了其基本原理、測量范圍和優缺點，根據系統的要求，確定采用電容法中的串并聯公式來計算混合介電常數，進而進行變壓器油含水率的測量。

參考文獻：

[1]陳鏗，雷猛.油品含水率的測量技術展望[J].上海計量測試，2007.