劉卿

摘 要：變壓器是電力系統(tǒng)中必不可少的電氣主設(shè)備，起到連接不同電壓等級(jí)電力系統(tǒng)的作用，其運(yùn)行的可靠性對(duì)于電力系統(tǒng)是至關(guān)重要的。含水率是影響變壓器安全運(yùn)行的重要因素，然而油水兩相流體體系為非線性耗散動(dòng)力系統(tǒng)，其形成機(jī)理、運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜，致使變壓器油含水率測(cè)量難度較大，至今缺乏滿足精確含水率測(cè)量的儀器。變壓器油含水率的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量成為電力系統(tǒng)亟待解決的問題。

關(guān)鍵詞：介電常數(shù)；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(yuǎn)距離輸電與新電源的大規(guī)模應(yīng)用，變壓器在電力系統(tǒng)中的重要性日漸顯著，大型電力變壓器工作狀態(tài)的正常與否對(duì)于現(xiàn)代電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的效率和運(yùn)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(duì)各部件產(chǎn)生巨大影響的一個(gè)重要因素，例如當(dāng)水分含量超過0.005%時(shí)，變壓器油的絕緣性能就會(huì)大打折扣，發(fā)生絕緣性能的大幅度下降，與此同時(shí)，變壓器油中含水量帶來的影響會(huì)越來越嚴(yán)重。大型電力變壓器的故障除了會(huì)導(dǎo)致故障變壓器負(fù)載區(qū)域的供電中斷，引起供電中斷區(qū)域各生產(chǎn)單位的大量直接經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)發(fā)生災(zāi)難性事故，帶來嚴(yán)重的生命危險(xiǎn)，帶來的損失是無法彌補(bǔ)的。

1 常用變壓器油含水率測(cè)試方法

（1）蒸餾法。蒸餾過程是在回流過程中將待測(cè)樣品加入到不溶于水的特定溶劑中?；旌衔锍浞只旌虾螅瑯悠肪鶆蚣訜?。蒸餾完成后，冷凝開始，最后溶劑和水在接收器中連續(xù)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(dá)式計(jì)算含水率：

其中：V0的含義是空白試驗(yàn)時(shí)接受器中水體積的數(shù)值；V1是式樣的體積數(shù)值，V2是接收器中水體積的數(shù)值。

蒸餾設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作和管理。但考慮到變壓器油的數(shù)量有限，連續(xù)抽樣會(huì)造成變壓器油嚴(yán)重浪費(fèi)；精餾變壓器油中水分測(cè)量不是實(shí)時(shí)測(cè)量的，測(cè)量值與實(shí)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(cè)量耗時(shí)會(huì)非常長(zhǎng)。蒸餾方法不適合測(cè)試變壓器油的含水量。

（2）卡爾費(fèi)休法。卡爾·費(fèi)歇爾方法的原理是使用已知滴定度的卡爾費(fèi)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(jié)晶水與試劑定量反應(yīng)。主要包括電量反滴定法，目測(cè)法，直接電量滴定法，電量滴定法等。

與蒸餾方法類似，當(dāng)測(cè)試變壓器油的含水量時(shí)，通過該方法對(duì)變壓器油進(jìn)行取樣，然后對(duì)樣品進(jìn)行滴定。所以這種方法只適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。此外，由于用于滴定的化學(xué)試劑保存期限短，大量的化學(xué)試劑滴定，所以每次試驗(yàn)前都需要額外的化學(xué)試劑，造成時(shí)間的浪費(fèi)。

（3）混合物聲學(xué)特征測(cè)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(cè)量來測(cè)量水分含量，顧名思義，通過測(cè)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(cè)量變壓器油含水量的限制方法相同，對(duì)測(cè)試裝置也有較高的要求。用這種方法測(cè)試變壓器油會(huì)使成本太高。而且，目前混合料的聲學(xué)特性測(cè)量仍處于理論探索階段。實(shí)驗(yàn)室結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)存在很大的誤差，所以沒有真正的應(yīng)用先例。但不能忽視關(guān)鍵技術(shù)的突破，此項(xiàng)技術(shù)所能帶來的市場(chǎng)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(shù)，電導(dǎo)率和這兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)從2變化到4。水是一種極性分子，極性物質(zhì)的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通物質(zhì)的介電常數(shù)，約為80。因此，當(dāng)變壓器油的水分含量低時(shí)，即使變壓器油含水量的微小變化也會(huì)引起油水混合物的總介電常數(shù)的大的數(shù)值變化。

由于在多數(shù)情況下，變壓器油和水兩種液體的介電常數(shù)和電導(dǎo)率都有準(zhǔn)確的參考值，且其介電常數(shù)等參數(shù)可精確測(cè)量，這樣根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系式就可以通過測(cè)量油水混合物的等效介電常數(shù)推導(dǎo)計(jì)算出變壓器油的含水率。

2 變壓器油測(cè)試方法比較與確定

比較上述各種變壓器油含水率的測(cè)試方法，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定采用電容法進(jìn)行測(cè)量，理由如下：

（1）采用電容法測(cè)量變壓器油含水率可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，較蒸餾法、卡爾費(fèi)休法等方便簡(jiǎn)單，測(cè)量周期短，不用采樣，可實(shí)現(xiàn)在變壓器上直接測(cè)量。

（2）考慮到變壓器油中含水率不會(huì)很高，故一般采用對(duì)變壓器油中含水率低測(cè)量精準(zhǔn)的辦法進(jìn)行變壓器油含水率測(cè)量，電容法正好符合這一要求。

（3）電容法測(cè)量變壓器油含水率在研發(fā)及應(yīng)用過程中安全簡(jiǎn)單且方便，比如射線法、混合物聲學(xué)定位法等，不需要昂貴且危險(xiǎn)的試驗(yàn)裝備（如放射源）。

3 基于電容法的變壓器油測(cè)試

基于電容法的變壓器油試驗(yàn)電容式傳感器探頭為同軸內(nèi)外電容器，同軸電容器內(nèi)部的導(dǎo)體，導(dǎo)體外包裹一層絕緣套，絕緣套和環(huán)形空間的外導(dǎo)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(shù)值的差值，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的變化被轉(zhuǎn)換成電容的變化是通過輸入到介電常數(shù)電容式傳感器的值。變壓器油當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)的電路部分的振蕩頻率被調(diào)諧到作為電容式傳感器的敏感傳感器的同軸電容器的設(shè)定電容值時(shí)，同軸電容器的電容的變化量根據(jù)放大諧振電路的原理。一定比例的電壓變化輸出?？梢钥闯觯瑴y(cè)量系統(tǒng)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(jù)輸出電壓測(cè)量系統(tǒng)可以通過計(jì)算變壓器油水混合物的相對(duì)介電常數(shù)，另一種是用數(shù)據(jù)處理器處理輸出的直流電壓直接轉(zhuǎn)換成相對(duì)介電常數(shù)數(shù)值，顯示在數(shù)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(shù)值，輸入值與介電常數(shù)電容式傳感器之間的差值，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)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(jì)測(cè)量，該電容式濕度計(jì)不僅隨傳感器的大小而變化，而且隨著電池中混合介質(zhì)的整體介電常數(shù)而變化。

4 結(jié)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(cè)量方法，簡(jiǎn)單描述了變壓器油含水率測(cè)量的幾種主要方法，并進(jìn)行了歸納總結(jié)比較，確定了采用電容法對(duì)變壓器油含水率進(jìn)行測(cè)量的方案；隨后系統(tǒng)分析電容法測(cè)量變壓器油含水率的各種模型，分析了其基本原理、測(cè)量范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)的要求，確定采用電容法中的串并聯(lián)公式來計(jì)算混合介電常數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行變壓器油含水率的測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鏗，雷猛.油品含水率的測(cè)量技術(shù)展望[J].上海計(jì)量測(cè)試，2007.