变压器油中微水含量的在线监测研究

变压器油中微水含量的在线监测研究

邢小娜

海南电网有限责任公司海南输变电检修分公司 海南 海口 572000

摘要：文章分析了变压器水的分布和油中水的变化，并提出了一个以相对饱和和温度为特点的变压器油微水含量在线监测方案。利用电容湿度传感器和聚酰亚胺温度传感器对油中的微量水分进行在线监测，并利用计算机进行数据收集和分析。试验变压器的经验表明，传感器工作正常，反映了变压器油的微水含量，从而实现了在线监测目标。

关键词：变压器；微水含量；动态变化；在线监测研究；

前言

众所周知，大型电力变压器是电力系统的主要设备，其运行状况决定了电力系统的可靠性和安全性。变压器的运行、维护和恶化增加了油的含水量。这些微量的水分会加速绝缘材料的老化，降低绝缘强度，从而导致事故和大量损失和损坏。因此，必须检测变压器油中的微量水分，评估变压器的绝缘状态，并制定变压器维护计划，以提高设备的使用寿命和减少故障。

一、变压器油中水分的动态变化及其溶解度

1.原理

吸附聚合物薄膜的水分含量因相对湿度条件而异。由于聚合物薄膜的介电常数与水的介电常数大不相同，因此聚合物薄膜的介电常数将发生变化，从而改变容量值，并允许将非电功率转换为电能。聚合物薄膜电容器由三部分组成:上部电容器保护主材料不受外部影响，并允许水通过。聚合物薄膜吸收水并改变其电常数。底部电容器板支架传感器结构。

2.分布状况

在变压器中，因为油与水用纸绝缘之间的亲和性差异很大，大量水被保存在绝缘纸中。所以，油和纸之间的水分配并不固定。变压器中微湿度的扩散取决于其工作条件，并受水含量、温度和压力的影响。在正常作业中，温度是影响微水含量动态变化的主要因素，决定微水在油与纸之间的分布。变压器油和纸绝缘老化或可能出现故障时，油纸绝缘温度升高，纸纸中微量水扩散到油中，油中微量水含量增加，温度降低，部分水进入油中微量水但是，油纸绝缘中的水分痕平衡非常缓慢，当工作温度稳定时，要达到平衡需要很长时间。许多研究人员深入研究了油纸含水量与纸张含水量之间的关系，得出了不同温度下油纸含水量与纸张含水量之间的关系，也就是说，可以得到蛋壳油纸绝缘的含水量平衡曲线。可以得出结论，纸张含水量平衡曲线在不同温度下的油，变压器油中的微水含量在运行过程中随温度变化。

3.温度的影响

尽管油具有较强的疏水性，但油中水的溶解度随着温度的升高而迅速增加。油中水的溶解度取决于温度。变压器温度升高时，油可以从纸中吸收很多水。因此，温度也是在线测量变压器油中水分配情况的一个重要监测参数。变压器油中水的溶解度可表示如下:

LogS=A-BT（1）

其中:s是油中水的溶解度(毫克/升)；t是绝对温度。在公式中，系数a通常介于7.09和7.42之间，系数b通常介于1.567和1.670之间。油中的湿度与空气中的相对湿度之间存在线性关系:

Woil=S(T)xRh（2）

其中:油锅为含油量；S(T)是水在油中的溶解度，以mg/L为单位，可通过上述溶解度公式获得；Rn是空气的相对湿度，表示如下:

Rh=p·psx100%(3)

其中ps是饱和水汽压力；p是pa中水汽的实际压力。Rs油的相对饱和被定义为w油的绝对含水量和在给定温度下油的溶解度百分比:

Rs=WabsS(T)x100%（4）

可见相对饱和也是温度的函数，也能有效地反映油中水的实际情况。

二、变压器油中微水含量在线监测的分析

1.因为温度对油中微水含量变化和传感器测量存在影响，为了准确测量油中的微水含量，需要在变压器油流电路中安装湿度传感器和温度传感器，并对油信号进行采样传感器是变压器油微水含量在线监测的关键组成部分。用于在线监测含油微水的传感器必须能够承受变压器的恶劣工作条件，包括100℃的最高温度和140 ℃的最高温度。聚酰亚胺是一种防潮材料，与酸性纤维素的防潮材料相比具有良好的耐热性，在-200 ~+ 400 ℃时具有稳定的理化性质，具有较强的抗化学腐蚀性，可以很好地适应变压器的热油环境。聚酰亚胺的分子结构含有LSD环，具有一定的吸湿性，吸湿后其相对常数也会相应变化。电容型湿度传感器可采用含水量的电常数原理制造。这种聚酰亚胺湿度传感器具有良好的长期稳定性。

2.聚酰亚胺薄膜的电容湿度传感器浸在油中，聚酰亚胺薄膜与变压器油之间存在动态湿度平衡。当含油量发生变化时，聚酰亚胺薄膜吸附的水分子数量也会相应变化，从而导致聚酰亚胺薄膜相对介电常数e发生变化。聚酰亚胺薄膜电容湿度传感器可相当于平行板电容器，其容量如下:

C=E0ErSeD（5）

其中E0是真空常数，Se是聚酰亚胺薄膜的有效区域，d是聚酰亚胺薄膜的厚度。二次测量电路随后将电容变化转化为计算机识别的信号，从而允许在线监测油中的相对湿度，因为相对饱和更好地反映了油中的实际湿度。相对于传统的直接含水量测量而言，相对饱和测量的最显着特点是，无论油的类型、油的老化或油中是否存在添加剂，饱和点测量都保持不变。要获得实际的含油量，可以根据溶解度公式进行转换。

三、变压器油中微水含量在线监测系统的验证

1.对评估监测系统的可靠性问题，需要对整个系统进行试验性核查。变压器油的微水含量可以用库仑法测量。机油样品校准后，在线监测系统可与变压器油微水含量监测系统测量的数据进行对比测试，如图所示。在实验变压器上安装在线监测系统。试验变压器在31、44、54、63和76℃等不同温度点进行在线测量和取样分析。与库仑法相比，在线监测系统最大绝对误差小于2mg/L；表明该系统能够满足测量精度要求。

2.温度从31 ℃上升到76 ℃时，微水在油中的溶解度增加4倍，但变压器温度上升时相对饱和降低3倍，相对饱和降低，主要原因是水在油和纸之间扩散缓慢，而油中的溶解度则大大提高根据油纸的含水量平衡曲线，是因为温度升高，油纸会扩散更多的水。同时，在不同的温度条件下，实际滴定值与实测值之间的误差约为3%，这是稳定的，可以满足误差要求。可见监测系统能很好地反映变压器油中微水含量的变化。变压器温度下降时，油中水的溶解度迅速下降，水将被绝缘纸吸收。但是，纸张的回水速度慢于溶解度下降的速度，因此石油中的水可能会达到超饱和。如果此时变压器重新启动，情况会变得十分危险。

3.通过测试变压器监控系统的实验验证，验证了变压器热油环境下聚酰亚胺薄膜电容传感器运行的可靠性，在线监控系统能很好地反映油微含水量的变化。从经济角度来看，定期测试和维修需要断电不仅会造成巨大的直接和间接经济损失，而且还会使工作安排复杂化；从技术角度看，定期脱机预防性测试有两个限制。首先，它们的测试条件不同于设备的运行条件，并且大多数组件都经过了低压测试。第二，尽管绝缘裂纹和缺陷的演变在统计上很重要，而且绝缘退化有时进展缓慢，但仍有一定的孵化和发育时间，预先试验往往无法准确和及时地发现缺陷。

结束语

综上所述，文章分析了基于相对湿度测量机油中微量水含量的工作原理，并根据该原理设计了变压器油中微量水含量在线监测系统。许多实验表明，该系统能够敏感、稳定和准确地测量变压器油温和微量水含量的变化。含水量和油温的结果可以及时传送给上位机，使变电站工作人员能够及时了解变压器的工作状态。

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