电力变压器油中微量水分变送器的设计与实现

唐建东

（深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055）

电力变压器运行状态决定了电力系统的稳定性[1]．变压器绝缘油的微水含量影响变压器的绝缘强度和工作稳定性．电力变压器在运行中需要监测其微水含量，微水含量偏高时，要更换变压器油以保护变压器．电力变压器在工作时从空气中吸入水分，溶解到变压器油中，形成溶解水[2]．一旦达到饱和点，多余水分会形成明显的油水分层，以游离水状态而被析出，形成沉积水．在长期运行的变压器中油质劣化，使得水分悬浮在油中，形成悬浮水．

变压器油中水分采用绝对水分溶解度和相对水分溶解度来表示[3]．绝对水分溶解度是油中微水的体积或质量与油的体积或质量之比，测量单位是 10-6．相对水分含量也叫水活性，油中的水分含量与它所能容纳的水分总量的比值[4]．

变压器油的微水含量大约在 20×10-6[5]，采用传统的实验室取样检测测量方法不能满足新的需要．本研究根据高分子材料聚酰亚胺薄膜的电容式湿度敏感元件原理，设计了电力变压器油中微水含量的在线监测．

1 聚酰亚胺电容式湿度传感测量原理

聚酰亚胺湿度敏感元件结构如图1所示[5]，由上电极、PI湿敏膜、下电极和衬底组成．上电极与下电极采用金属铝，中间采用聚酰亚胺薄膜，这样就构成了一个平板电容器．随着环境相对湿度的改变，中间聚酰亚胺层的介电常数e发生改变，从而电容值改变，通过测量电容值就可以测出相对湿度值．

图1 聚酰亚胺湿度敏感元件结构

根据电磁学平板电容原理，电容值C计算公式如下：

其中，e是电介质的介电常数；S电极面积；d是电极间的距离．聚酰亚胺导电性良好，介电常数在2.9左右，而纯水的介电常数为80，聚酰亚胺湿度敏感元件利用水和油的介电常数差值大来实现．当油中含水接近为零时，敏感元件的介电常数e约为2.9，根据公式（1），计算出绝对干燥电容值；当油中含水增大时，敏感元件的介电常数也增大，电容变大；当油中含水接近饱和时，敏感元件的介电常数e约为80，根据公式（1），计算出绝对饱和电容值．因此测量出电容值的大小，就能测量出含水的多少[6]．

随着环境的相对湿度变化，敏感元件的介电常数产生变化，可以建立数学模型：

其中：h表示湿度膜吸水率；1e表示聚酰亚胺薄膜介电常数；2e表示纯水介电常数；RH表示环境相对湿度．

聚酰亚胺湿度敏感元件等效介电常数模型为：

由（1）、（2）、（3）式，得到电容随相对湿度RH的函数关系式：

2 变送器的设计

2.1 变压器油微水变送器硬件组成

变压器油微水变送器总体框图如图2所示，由微控制器、湿度信号调理、温度信号调理、RS485通信电路和数据存储器组成．湿度传感器将变压器油中的微水含量转变为微弱的电信号, 该信号经过信号调理电路放大、滤波等处理后接入微控制器中进行数字信号处理, 从而得到微水含量，并通过 RS485通信模块采用 MODBUS协议输出．该变送器具有自校验、自诊断等智能功能，适合在线测试．变压器油中微水含量与温度相关．当油的温度上升时，油能从周围的环境吸收水分．在变送器中，同时需要测量温度值．

2.2 湿度传感器电容值的测量电路

变压器油微水变送器采用频率法测量湿度电容值，电路结构如图3所示．由NE555集成电路构成振荡器[8]．振动频率为：

从公式（5）可以看出，当电阻R1、R2稳定不变时，湿度电容Ch确定了输出频率f，测量出输出频率可以计算出检测出电容值Ch．根据公式（4）能计算出当前的相对湿度RH．

2.3 微水含量计算

变压器油微水变送器器测到的相对湿度，要得到实际油中水分含量，就需要根据水分溶解度公式来换算[9]．水分含量w(水)计算公式：

式中，RH是相对湿度；T是绝对温度；A和B是聚酰亚胺湿度敏感元件的特征参数，可以通过实验方法得到．对于 P-14湿度敏感元件，应用最小二乘法即可计算出：A为7.3659，B为-1661.5．

图2 变压器油微水变送器

图3 湿度电容测量电路

2.4 通讯模块设计

微水含量输出采用 RS-485接口，在两根传输线上串行传输数据．数据格式遵循标准的MODBUS RTU协议[8]．主机发出的命令和微水变送器回的响应都包含在数据块中，并定义为帧．帧结构如图4所示．

在 RTU 模式下，帧在至少 3.5 个字符时间的停顿区间后开始，并在至少3.5个字符时间的停顿区间后结束．地址信息是变送器的通信地址，从1-247可选并通过软件设置．功能代码主要是“03”，实现湿度温度的读取功能，数据包括数据个数和温度数据和湿度数据，温度数据和湿度数据各占两个字节，数据个数为2．CRC码为2个字节，16位的二进制值．由发送设备计算 CRC值，并把它附到信息中去．

2.5 变送器外形结构设计

变送器结构如图5所示．整体由不锈钢构成，前端是传感端，使用时放入变压器油中测量油中水分的含量，中间是固定件，采用标准的 ISO 228-1接口，可以固定在变压器油的回路上，后端是信号处理部分，采用图2所示的微控制器系统进行处理．

图4 RTU信息帧结构

图5 变送器外形结构

3 实验结果

变压器油中微水变送器测量的相对湿度和微水含量值与传统的卡尔·费休滴定法的测量值进行比较试验，测量数据见表1所示．从表1看出，在35℃附近相对误差最小，低温段变送器测量偏小，高温段变送器测量偏大，总体上满足国标GB/T 7600的要求．

表1 变压器油微水变送器的试验结果

[1] 马宏忠，宋锦刚，宋锦明，等．基于DSP 的SF6气体密度及微水含量在线监测[J]．微计算机信息，2008，244-2：157-159．

[2] 谢廷贵，杨锦赐．电容式聚酰亚胺薄膜湿度敏感器的研究[J]．厦门大学学报，1995，34 (4)：557-561．

[3] 杨慕杰，李扬．高分子型湿敏传感结构材料及器件[J]．高分子通报，1999，3（9）：34-42．

[4] GB/T 7595—2008．运行中变压器油质量[S]．GB/T 7595-2008．

[5] 陈伟根，甘德刚，刘强．变压器油中水分在线监测的神经网络计算模型[J]．高电压技术，2007，33（5）：73-78．

[6] 邬家义．变压器油的氧化析水问题[J]．变压器，1997，34（9）：35-38．

[7] 高宗宝，吴广宁，周利军，等．水份含量对变压器油纸绝缘系统回复电压参数影响规律的研究[J]．高压电器，2011，47（4）：37-41．

[8] 甘德刚，刘凡，刘平，等．基于变压器油纸间水分平衡关系的油纸绝缘水分含量计算方法[J]．变压器，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．