变压器油中微水含量在线监测技术研究

变压器油中微水含量在线监测技术研究北京华电云通电技术有限公司吕镇庭曹建【摘要】：论述了基于水份活度测量的新型变压器油中微水在线监测的原理及检测方法，采用PC/104总线工业计算机和数据采集技术实现了微水信息的在线采集和处理，通过RS-485总线构成分布式系统，达到了现场运行的要求。

【关键词】：水份活度；变压器油中微水；PC/104总线；在线监测一.引言在变压器油中，水分主要以溶解水、悬浮水、沉积水三种形态存在。

溶解水是以极细微的颗粒，机械地分散在变压器油中，它们通常是由空气吸入的，在油品中分布较为均匀，所以相对称为溶解水。

悬浮水主要是由于油品精制不良，长期运行中油质劣化，或是变压器油中存在乳化剂类物质引起的。

沉积水主要是外界浸入的水，若不与油结合，则在变压器油含水量相对较多的情况下，会沉积到设备或容器的底部或以小水滴的形态游离于油中，这种水可以采取从设备底部直接排除的方法除去。

另外，油温对变压器油中水分的存在形态也有很大影响：当油温较高时，油中水分主要为溶解水；如果水在油中达到饱和溶解度后，会因油温的下降发生过饱和形成极微小的水珠悬浮于油中，成为悬浮态水分；悬浮水分过多时又会聚集成大的水珠与油分离而沉积于油的底部形成沉积水。

所以随着油温的变化，水存在于油中的三种形态也可以互相转化。

在变压器油中的溶解水虽然对介电强度无显著影响，但它能够提高油的酸度，降低油的氧化稳定性，加速油质老化。

在变压器的运行过程中，随着油温的不断提高，溶解水会在油中产生蒸气泡，降低油的击穿电压和局部放电场强，引发绝缘击穿和局部放电，严重影响变压器的正常运行。

悬浮水分对油质危害更大，在高压电场下会产生游离放电，加速油的老化和油中金属件的腐蚀，降低油的击穿电压，增加油的介质损耗；同时增加水分凝结在变压器固体绝缘表面的可能性，导致固体绝缘表面局部放电和击穿，最终使固体绝缘表面绝缘性能下降。

充入变压器产品的油，不允许存在悬浮态水分，更不允许有沉积水发生。

所以变压器油中的溶解水分有严格的限制，其界限是在零下40℃以上的时候油中不至于发生过饱和而析出悬浮态水分。

这也是目前把220kV变压器油含水量限制在25μL/L以下，330kV、500kV变压器油含水量限制在15μL/L以下的理由之一。

工程用液体电介质总是不很纯净的，在运行中不可避免地会吸收气体和水分，混入杂质，例如固体绝缘材料（纸、布）上脱落的纤维；液体本身也会变化、分解。

由于水和纤维的相对介电常数分别是81和6～7，比油的相对介电常数1.8～2.8 大得多，变压器油中的水分和杂质很容易在电场力作用下被极化并在电场方向定向排列成杂质“小桥”。

当小桥贯穿两极时，由于水分及纤维等的电导大，引起流过杂质小桥的泄漏电流增大，发热增多，可能会使水分汽化形成气泡；即使是杂质小桥未连通两极，但由于纤维的存在，同样会使纤维端部油中场强显著增高，高场强下油发生游离分解出气体形成气泡。

油中气体的介电常数最小，因而液体中的气泡承担了比液体更高的场强，其击穿场强比油低很多，所以气泡首先发生游离放电，游离出的带电质点再碰撞油分子，使油又分解出气体，气体体积膨胀，游离进一步发展，最终游离的气泡不断增大，在电场作用下容易排列成连通两极的气体小桥时，就可能在气泡通道中形成击穿。

运行中变压器油的介质损耗增大，主要原因是油的氧化和金属元素对油品氧化的催化作用，使油容易产生酸性氧化产物和油泥。

变压器油随着运行时间的增长，油中的各种烃类逐渐氧化生成酸性物质。

当油中有过量的水分后后，水与酸性物质作用，将可能导致油泥的生成。

虽然变压器油氧化生成的高分子有机酸在无水的情况下，一般不会与金属作用，也就不会造成腐蚀，但生成的油泥在有水环境下，则易腐蚀金属而生成相应的盐类，使油中的金属含量增加，而且油中水含量愈多，则设备金属部件腐蚀速度就愈快。

该盐类物质可能溶于油中，也可能生成沉淀物而析出，影响油的粘度和润滑作用。

而且此种盐类物质是油氧化的催化剂，可以起到加速油品的氧化作用，从而进一步增加沉淀物的生成。

二.微水含量的测量方法过去,变压器油微水检测通常采用对变压器油采样,在实验室使用色谱分析法、卡尔·费休试剂法或库仑法对样品进行检测。

这些方法精度高,检测下限可达百万分之一,但存在化学试剂(吡啶) 气味臭、污染严重[1],标准试剂需要现配现用等缺点；更重要的是没有实时监控的能力,只能采用“定期换油”的方式来预防事故的发生,造成了大量的人力、物力和财力的浪费。

目前，在线监测正成为变压器油中微水测量的发展趋势。

近年来出现了许多在线监测的方法，都存在着一定的缺陷。

如射频法（参考文献[2]），只适用于油中含水量较多的情况，对于含水量低的测量准确度较低；而红外光谱法（参考文献[3]），当测量仪工作一段时间后，特性曲线会产生较大偏移，无法保证测量的精确，需要不断校准；谐振腔微扰法（参考文献[1]）对谐振腔的结构、连接与选材都有很高的要求，自身结构过于复杂，不适合于现场的实际应用。

目前用得最为广泛的是如文献[5]所述的介电常数法，该方法使用特制的薄膜电容直接测量油水混合物的介电常数从而直接测量油中微水的含量。

由于是直接测量，此方法对薄膜电容的敏感性，准确性都有很高的要求，但在实际应用中往往达不到预期的效果。

针对上述测量方法的缺点，本文在深入研究了水含量与水份活度的关系后，提出了基于水份活度的油中微水间接测量法，并基于此原理设计了变压器油中微水在线测量仪。

三．水分活度的定义图1. 处于变压器中的油平衡变压器中的油（如图1），根据相平衡热力学，气相中水分的化学势等于食品中水分的化学势，我们可以得到：┄┄(1)变压器油上部空间的水蒸气和空气不能作为理想气体的混合物对待, 所以理想气体方程( PV =RT) 需要加一个修正值，得到气相中水分的化学势为：┄┄(2)γw是考虑实际气体的性质时仍能按上式计算而对压力值进行修正的校正因子, 称为逸度系数。

水是理想溶液，服从拉乌尔定律，其化学势可以表示为：┄┄(3)μ*(p,t)是纯水在一定的压力、温度条件下的化学势，X为油水混合物中水的摩尔浓度。

对于油水混合物，按此种方法可得到其化学势为:┄┄(4)其中Aw定义为水分活度，联合（3-2）、（3-4）式可得:┄┄(5)在变压器内部的低压环境中，γw约等于1，水分活度约简为:┄┄(6)式中，Aw为变压器油的水分活度，Pw*为纯水的蒸汽压力，ERH为相对平衡湿度，即变压器油既不被干燥也不被吸湿时的大气相对湿度。

可见，变压器油中水分活度与含湿量、温度有着密切的关系。

根据水分活度的定义，可推算得绝对水分含量ppm（μL/L）与水分活度及温度的关系[43]，即。

┄┄(7)其中，Aw是水份活度，T是温度，A、B代表不同油品的水溶解度系数。

通过测量变压器油的水活性与温度，再带入代表不同油品的系数进行运算，即可得到变压器油中微水的绝对含量。

任何液体都有一定的溶解水的能力，当在液体中的水的含量超过了该液体溶解水的极限的时候，水就会以游离态的形式存在于液体中，这个极限就是溶解度。

对变压器油而言，由于水的密度比变压器油高，当水含量超过了变压器的溶解度时，水就会以游离的形式在油的底部存在。

溶解度并不是固定的[44]，它会随着变压器油运行的年限、油的温度、油中绝缘纸板的分解产物等的变化而变化。

直接测量油中微水的含量不仅在技术上较难实现，而且在变压器油中水溶解度会变化的角度上看，也存在着很大的问题。

例如对于变压器油，在温度等于82℃时，溶解度为5000ppm，测得的水含量为2000ppm，距离溶解度还有3000ppm；在温度等于27℃时，溶解度变为了3000ppm，测得的水含量同样为2000ppm，而距离溶解度只有1000ppm，这意味着若水份再有少许增加，油中的水含量就会超过溶解度，水会以游离的形式在油中存在，这会给变压器造成灾难性的后果。

如果变电站维护人员只观察油中的水含量值，而无视此值离溶解度的距离，可能会导致事故的发生。

由（6）式可以知道，水分活度反映了水的含量占整个溶解度范围的比重。

在上述的两种情况下，测得的水分活度分别为0.4和0.67，明显反应出了油中水份含量占整个溶解度范围的比例。

所以基于水分活度的油中微水间接测量不仅更为简单可靠，而且水分活度本身也是个重要参量，水分活度与水含量应同时提交给变压器维护人员，作为变压器运行状况的判断依据。

水分活度的测量有双热平衡法、压力测量法、露点测量法等，而用于在线快速测量时，一般采用平衡相对湿度法。

平衡相对湿度法：将被测试样置于一个密闭的容器，被测试样与密闭空间中的环境之间将进行水分子交换，待达到表现平衡(试样恒重) 后，就可以使用高分子薄膜电容湿度传感器测定容器内的相对湿度。

如（6）式所示，水分活度Aw与它周围的环境百分平衡相对湿度ERH在数值上是相等的，只要测量出ERH，就可以得到Aw的值。

四．变压器油中微水监测仪的结构本设计采用HUMICAP水分活度传感器测量水分活度。

该传感器集成了信号处理与变送模块，将0～1范围的水分活度测量结果变送为4～20mA电流输出，由于采用了自校准技术，其线性度与准确度都很高，使用十分方便。

本设计采用Pt100铂电阻温度传感器测量油变压器油的温度。

测量得知水分活度Aw与温度T后，针对不同种类的变压器油，还需要待入不同的水溶解度系数A、B，才能计算得到油中微水含量的ppm值。

由于此系数没有标准值，所以需要在实验测量中得到。

针对45号变压器油，在不同的温度与水含量的条件下，用上述的方法测量水活性Aw与温度T的值，用卡尔－费休法测量微水含量ppm的值，得到了300组不同的数据，根据这些数据，采用递归最小二乘算法[46]，回归得到┄┄(8)针对其他不同种类的变压器油，通过类似的试验获取数据，可以得到相应的不同的水溶解度系数。

传统的变压器油中微水在线测量仪采用单片机作为控制与数据处理核心，而基于水分活度测量的油中微水监测仪，由于涉及到（3-7）式中的指数运算，单片机处理会比较困难，而且系统运行的变电站现场环境比较恶劣，所以本文采用基于PC/104总线的工业嵌入式计算机与数据采集卡作为数据采集与处理的单元。

图2是整个监测仪器的结构图。

图2. 变压器油中微水在线监测仪结构图PC/104总线系统是一种新型的计算机测控平台，作为嵌入式PC的一种，在软件与硬件上与标准台式PC(PC/AT)体系结构完全兼容。

此总线架构体积小，采用模块化结构，紧固堆叠方便安装，适合于制作高密度、小体积、便携式的测试设备，在测试设备上有着广泛的应用。

在本文的设计中，主要采用C语言完成数据采集、数据处理、数据通信以及结果显示的设计。

测量得到的数据可以在本地的显示，也可通过RS-485总线发送给上位机，实现分布式的微水在线监测系统。