變壓器油中微量水分檢測(cè)裝置的電路設(shè)計(jì)與工作原理分析

該檢測(cè)過程采用物理檢測(cè)方法，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量取樣、油水分離、水分汽化、水分檢測(cè)、微水含量計(jì)算。提出對(duì)變壓器油中微量水分的總體檢測(cè)方案，分析檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)電路。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果證明該檢測(cè)裝置的有效性。

引言

變壓器油中的氣體雜質(zhì)和微量水分會(huì)降低變壓器油的絕緣性能，加速絕緣系統(tǒng)老化，還可導(dǎo)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(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)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(yùn)行以前都需要進(jìn)行微水檢測(cè)。

變壓器油中微水檢測(cè)是近些年國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，目前研究的檢測(cè)方法主要有蒸餾法，卡爾費(fèi)休法，重量法，介電常數(shù)法，各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。蒸餾法原理簡(jiǎn)單，但檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，受環(huán)境影響大，分析效率及準(zhǔn)確度低，檢測(cè)誤差大。卡爾費(fèi)休法分析速度快，靈敏度高，準(zhǔn)確度高，但檢測(cè)時(shí)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(diǎn)現(xiàn)象以及空氣的相對(duì)濕度都會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，而且檢測(cè)中使用的化學(xué)試劑含有一定毒性，操作不當(dāng)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)人員的健康，廢棄的試劑還會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染。重量法原理較簡(jiǎn)單，但油中?；煊须s質(zhì)氣體，導(dǎo)致精度不高。介電常數(shù)法可應(yīng)用于油中微水的在線檢測(cè)，準(zhǔn)確度較高，可以直接獲得水分含量，但是檢測(cè)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(diǎn)，本文采用物理方法對(duì)變壓器油中微量水分進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)方法不需要化學(xué)試劑，無任何化學(xué)反應(yīng)，對(duì)操作人員無毒害，對(duì)環(huán)境無污染，運(yùn)行成本低，整個(gè)檢測(cè)過程綠色環(huán)保。檢測(cè)過程操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快，不需要配制和保存化學(xué)試劑，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)定量取樣、油水分離、水分汽化、水分檢測(cè)、微水含量計(jì)算。檢測(cè)裝置樣機(jī)采用臺(tái)式結(jié)構(gòu)，小型、美觀、大方，整機(jī)布局緊湊合理，可操作性強(qiáng)。

1 工作原理

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

自動(dòng)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(cè)油樣從注油口進(jìn)入定量管，定量管中充滿待測(cè)油樣，多余的油從溢油排出管路排出。定量管的容積是標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)口和出口。外套管中設(shè)有連通的分離管和蒸發(fā)管，分離管與進(jìn)口連接，蒸發(fā)管與出口連接，分離管中設(shè)有油水分離顆粒。油水分離柱中以99.99%高純氮?dú)庾鳛檩d氣，攜帶定量被測(cè)油樣的載氣進(jìn)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(jìn)入水分檢測(cè)部分。

經(jīng)過油水分離和蒸發(fā)后，標(biāo)準(zhǔn)油樣中的水分隨載氣進(jìn)入檢測(cè)腔，腔體中裝設(shè)一只氣體濕度傳感器和一只氣體流量傳感器，實(shí)時(shí)高速檢測(cè)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(cè)載氣濕度，該傳感器不受溫度影響，響應(yīng)速度快，在積分運(yùn)算中應(yīng)用不會(huì)出現(xiàn)流經(jīng)傳感器的水分未被累計(jì)的情況，且體積小易于安裝。整個(gè)檢測(cè)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(cè)不受環(huán)境溫度的影響。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

變壓器油中微水檢測(cè)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(duì)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(hào)，溫度信號(hào)用于判斷是否到達(dá)恒溫，溫度到達(dá)檢測(cè)要求后，可開始注油檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)只記錄濕度和流量信號(hào)，利用積分算法計(jì)算通過傳感器的水分含量。同時(shí)判斷檢測(cè)結(jié)束條件，到達(dá)條件后檢測(cè)結(jié)束。水分含量除以注油量就可計(jì)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(shè)接口，其外設(shè)IO、UART、LCD控制器、SPI以及JTAG、ASP等可以滿足本設(shè)計(jì)需要。

顯示部分選用韓國(guó)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(fù)位與電源部分、程序調(diào)試部分。采樣模塊制作為信號(hào)處理板。

采樣部分共有3 個(gè)傳感器，用于檢測(cè)氣體濕度、氣體流量、恒溫箱的溫度。微處理器LPC2119FBD64負(fù)責(zé)對(duì)這3個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理，其中溫度信號(hào)用于對(duì)恒溫箱的溫度進(jìn)行控制，信號(hào)處理板還將濕度、流量、溫度信號(hào)送給主板。

氣體濕度傳感器選用公司自主設(shè)計(jì)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(hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器AD7738BRU轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(duì)氣體流量的檢測(cè)范圍為0~1 000 sccm,可以滿足檢測(cè)需要。

3 軟件設(shè)計(jì)

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(cè)的工作流程如圖5所示，檢測(cè)界面如圖6所示。

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的樣機(jī)除了可以進(jìn)行精確檢測(cè)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(chǔ)1 000條數(shù)據(jù)。每條數(shù)據(jù)包括檢測(cè)時(shí)間（年月日時(shí)分）和微水含量。存儲(chǔ)器滿后自動(dòng)循環(huán)覆蓋。查詢數(shù)據(jù)時(shí)可逐條順序查詢，也可輸入檢測(cè)日期查詢?？蓜h除某條數(shù)據(jù)，也可清空全部檢測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可上傳計(jì)算機(jī)，打印報(bào)表。數(shù)據(jù)處理界面如圖7所示。

該裝置還具有裝置標(biāo)定和參數(shù)設(shè)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(cè)裝置能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)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(cè)速度慢、對(duì)環(huán)境和人體有危害的諸多弊端，它的應(yīng)用對(duì)于變壓器油的檢測(cè)具有重要意義，即保證了及時(shí)高效的檢測(cè)又實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保，在行業(yè)中極具推廣價(jià)值。