变压器油中微量水分检测装置的电路设计与工作原理分析

该检测过程采用物理检测方法，能实现自动定量取样、油水分离、水分汽化、水分检测、微水含量计算。提出对变压器油中微量水分的总体检测方案，分析检测原理，设计硬件实现电路。样机测试结果证明该检测装置的有效性。

引言

变压器油中的气体杂质和微量水分会降低变压器油的绝缘性能，加速绝缘系统老化，还可导致变压器局部放电击穿及产生气泡，这不仅仅缩短变压器的正常使用寿命，严重时会导致安全事故发生，造成巨大的损失和危害，因此变压器在投入运行以前都需要进行微水检测。

变压器油中微水检测是近些年国内外研究的热点，目前研究的检测方法主要有蒸馏法，卡尔费休法，重量法，介电常数法，各种方法各有优缺点。蒸馏法原理简单，但检测时间长，受环境影响大，分析效率及准确度低，检测误差大。卡尔费休法分析速度快，灵敏度高，准确度高，但检测时滴定池的清洁度、滴定参数以及滴定中偶尔出现的假滴定终点现象以及空气的相对湿度都会影响检测结果，而且检测中使用的化学试剂含有一定毒性，操作不当会影响实验人员的健康，废弃的试剂还会对环境造成一定污染。重量法原理较简单，但油中常混有杂质气体，导致精度不高。介电常数法可应用于油中微水的在线检测，准确度较高，可以直接获得水分含量，但是检测结果易受电容敏感性和环境温度影响。

为克服以上方法的缺点，本文采用物理方法对变压器油中微量水分进行检测。该检测方法不需要化学试剂，无任何化学反应，对操作人员无毒害，对环境无污染，运行成本低，整个检测过程绿色环保。检测过程操作简单，检测速度快，不需要配制和保存化学试剂，能自动实现定量取样、油水分离、水分汽化、水分检测、微水含量计算。检测装置样机采用台式结构，小型、美观、大方，整机布局紧凑合理，可操作性强。

1 工作原理

变压器油中微水检测装置的工作原理如图1所示，主要包括自动定量取样部分，油水分离部分，水分含量检测部分，人机接口部分。

自动定量取样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。待测油样从注油口进入定量管，定量管中充满待测油样，多余的油从溢油排出管路排出。定量管的容积是标准值，以保证每次取样量的一致。

快速高效油水分离部分的核心部件是油水分离柱，包括中空的外套管、进口和出口。外套管中设有连通的分离管和蒸发管，分离管与进口连接，蒸发管与出口连接，分离管中设有油水分离颗粒。油水分离柱中以99.99%高纯氮气作为载气，携带定量被测油样的载气进入分离管，经过油水分离颗粒的分离作用，将油和水分离开来，油分粘附在油水分离颗粒上，携带水分的载气从蒸发管中排出，进入水分检测部分。

经过油水分离和蒸发后，标准油样中的水分随载气进入检测腔，腔体中装设一只气体湿度传感器和一只气体流量传感器，实时高速检测载气的湿度和流量。本装置采用电容型聚合物薄膜湿度传感器检测载气湿度，该传感器不受温度影响，响应速度快，在积分运算中应用不会出现流经传感器的水分未被累计的情况，且体积小易于安装。整个检测腔放置在恒温控制箱内，保证油水分离、水分汽化、水分检测不受环境温度的影响。

2 硬件电路设计

变压器油中微水检测装置的电路原理框图如图2所示，主要由采样模块和主控制模块组成。采样模块连接有气体湿度传感器、气体流量传感器、加热管装置等，主要完成温度、气体流量、气体湿度的采样，恒温槽中加热管的控制以及和主控制模块数据交换等功能。主控制模块主要完成采样数据的处理、对外通信、数据打印、LCD彩色显示、键盘扫描等功能。

2.1 主控制模块

主控模块原理如图3 所示。主控制模块制作成主板，主板接收温度、湿度、流量信号，温度信号用于判断是否到达恒温，温度到达检测要求后，可开始注油检测。检测时只记录湿度和流量信号，利用积分算法计算通过传感器的水分含量。同时判断检测结束条件，到达条件后检测结束。水分含量除以注油量就可计算出油中微水含量。

微控制器选用NXP 公司的ARM7 系列控制器LPC2478FBD208,该控制器有丰富的外设接口，其外设IO、UART、LCD控制器、SPI以及JTAG、ASP等可以满足本设计需要。

显示部分选用韩国LG 公司的4.3寸TFT LCD 液晶屏LD043W01-TD05,该屏为LED背光数字屏，分辨率为320×240.

2.2 采样模块

采样模块的原理图如图4所示，主要包括采样与控制部分、数据通信部分、复位与电源部分、程序调试部分。采样模块制作为信号处理板。

采样部分共有3 个传感器，用于检测气体湿度、气体流量、恒温箱的温度。微处理器LPC2119FBD64负责对这3个传感器信号进行处理，其中温度信号用于对恒温箱的温度进行控制，信号处理板还将湿度、流量、温度信号送给主板。

气体湿度传感器选用公司自主设计的电容型聚合物薄膜湿度传感器。该湿度传感器输出4~20 mA的电流信号，经AD转换器AD7738BRU转换成数字信号后，再提供给采样电路板的LPC2119处理器以处理和分析。

气体流量传感器采用Honeywell 公司的成熟产品AWM43300V,该传感器对气体流量的检测范围为0~1 000 sccm,可以满足检测需要。

3 软件设计

装置软件在嵌入式μCOS-Ⅱ操作系统下开发，采用LCD大屏幕彩色液晶显示屏，操作界面友好，变压器油中水分检测的工作流程如图5所示，检测界面如图6所示。

根据上述原理设计的样机除了可以进行精确检测水分还有良好的可操作性，具有完善的数据处理功能。

仪器可存储1 000条数据。每条数据包括检测时间（年月日时分）和微水含量。存储器满后自动循环覆盖。查询数据时可逐条顺序查询，也可输入检测日期查询。可删除某条数据，也可清空全部检测数据。数据可上传计算机，打印报表。数据处理界面如图7所示。

该装置还具有装置标定和参数设置等功能。

4 结语

本文所阐述的变压器油中微量水分检测装置能够准确的检测出变压器油中的微量水分值，并且稳定性高。特别是采用了纯物理方法，避免了传统方法中误差大、检测速度慢、对环境和人体有危害的诸多弊端，它的应用对于变压器油的检测具有重要意义，即保证了及时高效的检测又实现了绿色环保，在行业中极具推广价值。