車　煥　郜世磊

（1.營(yíng)口理工學(xué)院，遼寧營(yíng)口　115000；2.石鋼京誠(chéng)裝備技術(shù)有限公司，遼寧營(yíng)口　115000）

用于測(cè)量油浸式變壓器故障氣體量的電容傳感器的設(shè)計(jì)

車煥1郜世磊2

（1.營(yíng)口理工學(xué)院，遼寧營(yíng)口115000；2.石鋼京誠(chéng)裝備技術(shù)有限公司，遼寧營(yíng)口115000）

氣體繼電器廣泛用于油浸式變壓器的故障保護(hù)中，其采用機(jī)械結(jié)構(gòu)形式來(lái)對(duì)輕瓦斯和重瓦斯時(shí)的故障進(jìn)行保護(hù)，它要設(shè)定一個(gè)保護(hù)閾值，這個(gè)值一旦設(shè)定是不可以更改的，因此應(yīng)用時(shí)有很大限制。又由于機(jī)械結(jié)構(gòu)受油的粘滯作用和油的流速影響保護(hù)動(dòng)作有分散性，不容易對(duì)氣體量進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量及處理，不滿足電器在線檢測(cè)和自動(dòng)控制的要求。為此，本文提出了采用電容模型作為測(cè)量敏感元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障氣體量和流速的在線監(jiān)測(cè)。

油浸式變壓器電容傳感器設(shè)計(jì)

1　采用電容模型測(cè)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(dāng)發(fā)生電弧放電故障時(shí)，高溫電弧將故障點(diǎn)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(dāng)離解產(chǎn)生氣體的速率大于溶解速率時(shí)，故障區(qū)域會(huì)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(shí)，將有同等體積的油被擠入儲(chǔ)油柜。

油枕內(nèi)的膠囊是可以伸縮的，因此通過(guò)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(jìn)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(huì)逐漸增大，這就會(huì)使油枕內(nèi)得油面開始下降。由此可知，油枕內(nèi)有一個(gè)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(huì)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(shè)計(jì)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(dāng)油氣接觸面的高度發(fā)生變化時(shí)，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(huì)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(duì)應(yīng)輸出電容值的變化，然后用后續(xù)處理電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)故障氣體的在線監(jiān)測(cè)和變壓器的故障保護(hù)。

2　電容傳感器的設(shè)計(jì)

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(gè)同心圓形電極板1和2放入被測(cè)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(méi)電極1和2的高度hgas—故障氣體高度

h—電極總長(zhǎng)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(jiàn)只要測(cè)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(cè)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(huì)對(duì)傳感器的工作造成一定的影響，因此必須給電容傳感器設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，使其既具有足夠的靈敏度，又不能夠達(dá)到擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。

本文利用ANSYS軟件對(duì)電容傳感器進(jìn)行場(chǎng)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(cè)電容的特性。

ANSYS進(jìn)行建模時(shí)，考慮它的軸對(duì)稱性，只建立以過(guò)軸線的平面切開三維模型的半個(gè)區(qū)域，這樣可以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源和減少計(jì)算量，只對(duì)模型的半個(gè)區(qū)域進(jìn)行了計(jì)算和分析。

對(duì)于靜電場(chǎng)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(jìn)行電場(chǎng)和輸出電容計(jì)算。計(jì)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(guò)測(cè)量電容值來(lái)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(guò)電容值得變化得到氣體量的變化，證明所設(shè)計(jì)的電容傳感器可用。

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于測(cè)量油侵變壓器內(nèi)故障氣體兩的電容傳感器，通過(guò)ansys仿真分析可知設(shè)計(jì)的傳感器符合實(shí)際要求，可用于測(cè)量變壓器內(nèi)的氣體量，從而對(duì)故障氣體進(jìn)行在線檢測(cè)。

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