基于變壓器油中微量水分檢測裝置的設計

該檢測過程采用物理檢測方法，能實現(xiàn)自動定量取樣、油水分離、水分汽化、水分檢測、微水含量計算。提出對變壓器油中微量水分的總體檢測方案，分析檢測原理，設計硬件實現(xiàn)電路。樣機測試結(jié)果證明該檢測裝置的有效性。

0 引言

變壓器油中的氣體雜質(zhì)和微量水分會降低變壓器油的絕緣性能，加速絕緣系統(tǒng)老化，還可導致變壓器局部放電擊穿及產(chǎn)生氣泡，這不僅僅縮短變壓器的正常使用壽命，嚴重時會導致安全事故發(fā)生，造成巨大的損失和危害，因此變壓器在投入運行以前都需要進行微水檢測。

變壓器油中微水檢測是近些年國內(nèi)外研究的熱點，目前研究的檢測方法主要有蒸餾法，卡爾費休法，重量法，介電常數(shù)法，各種方法各有優(yōu)缺點。蒸餾法原理簡單，但檢測時間長，受環(huán)境影響大，分析效率及準確度低，檢測誤差大?？栙M休法分析速度快，靈敏度高，準確度高，但檢測時滴定池的清潔度、滴定參數(shù)以及滴定中偶爾出現(xiàn)的假滴定終點現(xiàn)象以及空氣的相對濕度都會影響檢測結(jié)果，而且檢測中使用的化學試劑含有一定毒性，操作不當會影響實驗人員的健康，廢棄的試劑還會對環(huán)境造成一定污染。重量法原理較簡單，但油中常混有雜質(zhì)氣體，導致精度不高。介電常數(shù)法可應用于油中微水的在線檢測，準確度較高，可以直接獲得水分含量，但是檢測結(jié)果易受電容敏感性和環(huán)境溫度影響。

為克服以上方法的缺點，本文采用物理方法對變壓器油中微量水分進行檢測。該檢測方法不需要化學試劑，無任何化學反應，對操作人員無毒害，對環(huán)境無污染，運行成本低，整個檢測過程綠色環(huán)保。檢測過程操作簡單，檢測速度快，不需要配制和保存化學試劑，能自動實現(xiàn)定量取樣、油水分離、水分汽化、水分檢測、微水含量計算。檢測裝置樣機采用臺式結(jié)構(gòu)，小型、美觀、大方，整機布局緊湊合理，可操作性強。

1 工作原理

變壓器油中微水檢測裝置的工作原理如圖1所示，主要包括自動定量取樣部分，油水分離部分，水分含量檢測部分，人機接口部分。

自動定量取樣部分的核心部件是高精度定量管，配件有注油口、密封件、溢油口、溢油排出管等。待測油樣從注油口進入定量管，定量管中充滿待測油樣，多余的油從溢油排出管路排出。定量管的容積是標準值，以保證每次取樣量的一致。

快速高效油水分離部分的核心部件是油水分離柱，包括中空的外套管、進口和出口。外套管中設有連通的分離管和蒸發(fā)管，分離管與進口連接，蒸發(fā)管與出口連接，分離管中設有油水分離顆粒。油水分離柱中以99.99%高純氮氣作為載氣，攜帶定量被測油樣的載氣進入分離管，經(jīng)過油水分離顆粒的分離作用，將油和水分離開來，油分粘附在油水分離顆粒上，攜帶水分的載氣從蒸發(fā)管中排出，進入水分檢測部分。

經(jīng)過油水分離和蒸發(fā)后，標準油樣中的水分隨載氣進入檢測腔，腔體中裝設一只氣體濕度傳感器和一只氣體流量傳感器，實時高速檢測載氣的濕度和流量。本裝置采用電容型聚合物薄膜濕度傳感器檢測載氣濕度，該傳感器不受溫度影響，響應速度快，在積分運算中應用不會出現(xiàn)流經(jīng)傳感器的水分未被累計的情況，且體積小易于安裝。整個檢測腔放置在恒溫控制箱內(nèi)，保證油水分離、水分汽化、水分檢測不受環(huán)境溫度的影響。

2 硬件電路設計

變壓器油中微水檢測裝置的電路原理框圖如圖2所示，主要由采樣模塊和主控制模塊組成。采樣模塊連接有氣體濕度傳感器、氣體流量傳感器、加熱管裝置等，主要完成溫度、氣體流量、氣體濕度的采樣，恒溫槽中加熱管的控制以及和主控制模塊數(shù)據(jù)交換等功能。主控制模塊主要完成采樣數(shù)據(jù)的處理、對外通信、數(shù)據(jù)打印、LCD彩色顯示、鍵盤掃描等功能。

2.1 主控制模塊

主控模塊原理如圖3 所示。主控制模塊制作成主板，主板接收溫度、濕度、流量信號，溫度信號用于判斷是否到達恒溫，溫度到達檢測要求后，可開始注油檢測。檢測時只記錄濕度和流量信號，利用積分算法計算通過傳感器的水分含量。同時判斷檢測結(jié)束條件，到達條件后檢測結(jié)束。水分含量除以注油量就可計算出油中微水含量。

微控制器選用NXP 公司的ARM7 系列控制器LPC2478FBD208,該控制器有豐富的外設接口，其外設IO、UART、LCD控制器、SPI以及JTAG、ASP等可以滿足本設計需要。

顯示部分選用韓國LG 公司的4.3寸TFT LCD 液晶屏LD043W01-TD05,該屏為LED背光數(shù)字屏，分辨率為320×240.

2.2 采樣模塊

采樣模塊的原理圖如圖4所示，主要包括采樣與控制部分、數(shù)據(jù)通信部分、復位與電源部分、程序調(diào)試部分。采樣模塊制作為信號處理板。

采樣部分共有3 個傳感器，用于檢測氣體濕度、氣體流量、恒溫箱的溫度。微處理器LPC2119FBD64負責對這3個傳感器信號進行處理，其中溫度信號用于對恒溫箱的溫度進行控制，信號處理板還將濕度、流量、溫度信號送給主板。

氣體濕度傳感器選用公司自主設計的電容型聚合物薄膜濕度傳感器。該濕度傳感器輸出4~20 mA的電流信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器AD7738BRU轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，再提供給采樣電路板的LPC2119處理器以處理和分析。

氣體流量傳感器采用Honeywell 公司的成熟產(chǎn)品AWM43300V,該傳感器對氣體流量的檢測范圍為0~1 000 sccm,可以滿足檢測需要。

3 軟件設計

裝置軟件在嵌入式μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)下開發(fā)，采用LCD大屏幕彩色液晶顯示屏，操作界面友好，變壓器油中水分檢測的工作流程如圖5所示，檢測界面如圖6所示。

根據(jù)上述原理設計的樣機除了可以進行精確檢測水分還有良好的可操作性，具有完善的數(shù)據(jù)處理功能。

儀器可存儲1 000條數(shù)據(jù)。每條數(shù)據(jù)包括檢測時間(年月日時分)和微水含量。存儲器滿后自動循環(huán)覆蓋。查詢數(shù)據(jù)時可逐條順序查詢，也可輸入檢測日期查詢。可刪除某條數(shù)據(jù)，也可清空全部檢測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可上傳計算機，打印報表。數(shù)據(jù)處理界面如圖7所示。

該裝置還具有裝置標定和參數(shù)設置等功能。

4 結(jié)語

本文所闡述的變壓器油中微量水分檢測裝置能夠準確的檢測出變壓器油中的微量水分值，并且穩(wěn)定性高。特別是采用了純物理方法，避免了傳統(tǒng)方法中誤差大、檢測速度慢、對環(huán)境和人體有危害的諸多弊端，它的應用對于變壓器油的檢測具有重要意義，即保證了及時高效的檢測又實現(xiàn)了綠色環(huán)保，在行業(yè)中極具推廣價值。