基于电容法的变压器油含水率实时检测方法研究

刘卿

摘 要：变压器是电力系统中必不可少的电气主设备，起到连接不同电压等级电力系统的作用，其运行的可靠性对于电力系统是至关重要的。含水率是影响变压器安全运行的重要因素，然而油水两相流体体系为非线性耗散动力系统，其形成机理、运动规律非常复杂，致使变压器油含水率测量难度较大，至今缺乏满足精确含水率测量的仪器。变压器油含水率的实时准确测量成为电力系统亟待解决的问题。

关键词：介电常数；变压器油含水率；电容传感器

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

0 引言

随着高压远距离输电与新电源的大规模应用，变压器在电力系统中的重要性日渐显著，大型电力变压器工作状态的正常与否对于现代电力系统正常运行时的效率和运行安全起着非常重要的作用。大型变压器油中水分的含量的多少直接影响着浸泡在变压器油中的绝缘等很多部件的衰老速度和绝缘性能的，其含水量的多少是对各部件产生巨大影响的一个重要因素，例如当水分含量超过0.005%时，变压器油的绝缘性能就会大打折扣，发生绝缘性能的大幅度下降，与此同时，变压器油中含水量带来的影响会越来越严重。大型电力变压器的故障除了会导致故障变压器负载区域的供电中断，引起供电中断区域各生产单位的大量直接经济损失，而且还会发生灾难性事故，带来严重的生命危险，带来的损失是无法弥补的。

1 常用变压器油含水率测试方法

（1）蒸馏法。蒸馏过程是在回流过程中将待测样品加入到不溶于水的特定溶剂中。混合物充分混合后，样品均匀加热。蒸馏完成后，冷凝开始，最后溶剂和水在接收器中连续分离，水沉积在接收器的刻度管中，溶剂返回到蒸馏瓶中，通过以下表达式计算含水率：

其中：V0的含义是空白试验时接受器中水体积的数值；V1是式样的体积数值，V2是接收器中水体积的数值。

蒸馏设备简单，易于操作和管理。但考虑到变压器油的数量有限，连续抽样会造成变压器油严重浪费；精馏变压器油中水分测量不是实时测量的，测量值与实际值的误差；此外，如果附着在冷凝器壁上的水另一方面，利用蒸馏法测量耗时会非常长。蒸馏方法不适合测试变压器油的含水量。

（2）卡尔费休法。卡尔·费歇尔方法的原理是使用已知滴定度的卡尔费休试剂（通常是碘，二氧化硫，锡的酊剂和甲醇的溶液）使样品中存在的水以游离水或结晶水与试剂定量反应。主要包括电量反滴定法，目测法，直接电量滴定法，电量滴定法等。

与蒸馏方法类似，当测试变压器油的含水量时，通过该方法对变压器油进行取样，然后对样品进行滴定。所以这种方法只适用于实验室环境，不能实现实时测量。此外，由于用于滴定的化学试剂保存期限短，大量的化学试剂滴定，所以每次试验前都需要额外的化学试剂，造成时间的浪费。

（3）混合物声学特征测量法。由于流体的速度随着流体的密度而变化，所以使用混合物的水分含量的测量来测量水分含量，顾名思义，通过测量声速的物理量来确定不同的相的流体混合物的组成。

与上述使用电磁波测量变压器油含水量的限制方法相同，对测试装置也有较高的要求。用这种方法测试变压器油会使成本太高。而且，目前混合料的声学特性测量仍处于理论探索阶段。实验室结果和现场测量数据存在很大的误差，所以没有真正的应用先例。但不能忽视关键技术的突破，此项技术所能带来的市场潜能。

（4）电容法。变压器油是油和水的两相混合物。其综合等效介电性能与油水两相流体中介电常数，电导率和这两相的质量分数密切相关。变压器油的相对介电常数从2变化到4。水是一种极性分子，极性物质的介电常数远远高于普通物质的介电常数，约为80。因此，当变压器油的水分含量低时，即使变压器油含水量的微小变化也会引起油水混合物的总介电常数的大的数值变化。

由于在多数情况下，变压器油和水两种液体的介电常数和电导率都有准确的参考值，且其介电常数等参数可精确测量，这样根据数学关系式就可以通过测量油水混合物的等效介电常数推导计算出变压器油的含水率。

2 变压器油测试方法比较与确定

比较上述各种变压器油含水率的测试方法，分析其优缺点，最终确定采用电容法进行测量，理由如下：

（1）采用电容法测量变压器油含水率可以实现实时测量，较蒸馏法、卡尔费休法等方便简单，测量周期短，不用采样，可实现在变压器上直接测量。

（2）考虑到变压器油中含水率不会很高，故一般采用对变压器油中含水率低测量精准的办法进行变压器油含水率测量，电容法正好符合这一要求。

（3）电容法测量变压器油含水率在研发及应用过程中安全简单且方便，比如射线法、混合物声学定位法等，不需要昂贵且危险的试验装备（如放射源）。

3 基于电容法的变压器油测试

基于电容法的变压器油试验电容式传感器探头为同轴内外电容器，同轴电容器内部的导体，导体外包裹一层绝缘套，绝缘套和环形空间的外导体填充油和充满变压器油的水混合物。同轴电容式电力变压器油中电容式水分仪是仪器的电气物理特性，它是油水介电常数值的差值，实现被测信号的变化被转换成电容的变化是通过输入到介电常数电容式传感器的值。变压器油当测量系统的电路部分的振荡频率被调谐到作为电容式传感器的敏感传感器的同轴电容器的设定电容值时，同轴电容器的电容的变化量根據放大谐振电路的原理。一定比例的电压变化输出。可以看出，测量系统的电路部分可以谐振的振荡电压值随湿度而变化。一种处理方法是根据输出电压测量系统可以通过计算变压器油水混合物的相对介电常数，另一种是用数据处理器处理输出的直流电压直接转换成相对介电常数数值，显示在数字显示器上。电容式水分仪是仪器的电气物理特性，它是油水介电常数值，输入值与介电常数电容式传感器之间的差值，可以实现被测信号的变化，变成电容变化。电容式传感器的电容由电容式湿度计测量，该电容式湿度计不仅随传感器的大小而变化，而且随着电池中混合介质的整体介电常数而变化。

4 结论

本文介绍了变压器油含水率的基本理论，以及变压器油含水率的基本测量方法，简单描述了变压器油含水率测量的几种主要方法，并进行了归纳总结比较，确定了采用电容法对变压器油含水率进行测量的方案；随后系统分析电容法测量变压器油含水率的各种模型，分析了其基本原理、测量范围和优缺点，根据系统的要求，确定采用电容法中的串并联公式来计算混合介电常数，进而进行变压器油含水率的测量。

参考文献：

[1]陈铿，雷猛.油品含水率的测量技术展望[J].上海计量测试，2007.