用于測量油浸式變壓器故障氣體量的電容傳感器的設計

車　煥　郜世磊

（1.營口理工學院，遼寧營口　115000；2.石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司，遼寧營口　115000）

用于測量油浸式變壓器故障氣體量的電容傳感器的設計

車煥1郜世磊2

（1.營口理工學院，遼寧營口115000；2.石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司，遼寧營口115000）

氣體繼電器廣泛用于油浸式變壓器的故障保護中，其采用機械結(jié)構(gòu)形式來對輕瓦斯和重瓦斯時的故障進行保護，它要設定一個保護閾值，這個值一旦設定是不可以更改的，因此應用時有很大限制。又由于機械結(jié)構(gòu)受油的粘滯作用和油的流速影響保護動作有分散性，不容易對氣體量進行數(shù)字化測量及處理，不滿足電器在線檢測和自動控制的要求。為此，本文提出了采用電容模型作為測量敏感元件，實現(xiàn)對故障氣體量和流速的在線監(jiān)測。

油浸式變壓器電容傳感器設計

1　采用電容模型測量變壓器內(nèi)氣體量的原理

變壓器油是變壓器內(nèi)的絕緣介質(zhì)和冷卻介質(zhì)。當發(fā)生電弧放電故障時，高溫電弧將故障點附近的油由液態(tài)離解成氣態(tài)的烴類氣體。少量的氣體可以溶解于油，但當離解產(chǎn)生氣體的速率大于溶解速率時，故障區(qū)域會產(chǎn)生氣泡。變壓器油的空間被故障氣體產(chǎn)生的氣泡占據(jù)，因此發(fā)生故障時，將有同等體積的油被擠入儲油柜。

油枕內(nèi)的膠囊是可以伸縮的，因此通過油箱和油枕之間的管道，變壓器油離解產(chǎn)生的氣體最后只能進入油枕，存放在油枕里油面的上半部空間中。隨著故障氣體的增多，油枕內(nèi)部的壓力會逐漸增大，這就會使油枕內(nèi)得油面開始下降。由此可知，油枕內(nèi)有一個油氣接觸面：故障氣體位于接觸面的上部，變壓器油位于下部并于油箱本體連接。油氣接觸面高度會隨故障氣體量的變化而變化。

變壓器油、故障產(chǎn)生的各種烴類氣體以及空氣都是絕緣介質(zhì)，但是他們的介電常數(shù)是不相同的。本文設計的電容傳感器就是利用變壓器油和故障氣體的絕緣特性，將變壓器油和故障氣體作為電容極間的絕緣介質(zhì)。當油氣接觸面的高度發(fā)生變化時，由于變壓器油和故障氣體的介電常數(shù)不同，電容傳感器的電容值也會產(chǎn)生變化。

電容傳感器把極間介質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)化為對應輸出電容值的變化，然后用后續(xù)處理電路將電容信號轉(zhuǎn)換為電信號，這樣就可以實現(xiàn)故障氣體的在線監(jiān)測和變壓器的故障保護。

2　電容傳感器的設計

本文采用圓柱電極電容模型，電極間填充變壓器油和故障氣體作為絕緣介質(zhì)。

圖1　圓柱電極電容傳感器原理圖

圖2　輸出電容隨油位高度變化特性

將兩個同心圓形電極板1和2放入被測變壓器油中，原理圖如圖1所示。電容傳感器的總電容值將等于變壓器油介質(zhì)間電容值和故障氣體介質(zhì)間的電容值之和。

故障氣體介質(zhì)間的電容值Cgas為：

變壓器油介質(zhì)間電容值Coil為：

上兩式中：εoil—變壓器油的介電常數(shù)εgas—故障氣體的介電常數(shù)

hoil—變壓器油浸沒電極1和2的高度hgas—故障氣體高度

h—電極總長度，h=hoil+hgas；

R—圓電極外電極的內(nèi)半徑、r—圓電極內(nèi)電極的外半徑。

因此，總電容值為

式（2）表明傳感器電容量C與油位高度hoil或hgas均成線性關(guān)系。由此可見只要測量電容值得變化就可以得到氣體量的變化。

3　電容傳感器的建模分析

電容傳感器用于測量變壓器內(nèi)的故障氣體量，所以要放入到變壓器油中，而變壓器油的粘滯作用必然會對傳感器的工作造成一定的影響，因此必須給電容傳感器設計合理的結(jié)構(gòu)，使其既具有足夠的靈敏度，又不能夠達到擊穿電場強度。

本文利用ANSYS軟件對電容傳感器進行場域分析，以確定優(yōu)化電容傳感器的結(jié)構(gòu)，并分析得到被測電容的特性。

ANSYS進行建模時，考慮它的軸對稱性，只建立以過軸線的平面切開三維模型的半個區(qū)域，這樣可以節(jié)省計算機資源和減少計算量，只對模型的半個區(qū)域進行了計算和分析。

對于靜電場分析，本文選擇在模型電極邊界上施加電壓載荷。在內(nèi)電極加高電位，而外電極加低電位進行電場和輸出電容計算。計算可得電容值隨油位高度的變化曲線如圖2所示。由圖可知電容值和油位高度呈線性關(guān)系，可以通過測量電容值來得到油位高度的值。而油位高度和氣體量也是線性的關(guān)系，這樣就可以通過電容值得變化得到氣體量的變化，證明所設計的電容傳感器可用。

4　結(jié)語

本文設計了一個用于測量油侵變壓器內(nèi)故障氣體兩的電容傳感器，通過ansys仿真分析可知設計的傳感器符合實際要求，可用于測量變壓器內(nèi)的氣體量，從而對故障氣體進行在線檢測。

［1］劉作利.基于CAN總線的油浸式變壓器保護系統(tǒng)［D］.沈陽工業(yè)大學，2006.