新型變壓器儲(chǔ)油柜油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

崔 鵬，王玄之，陸洪建

（國(guó)網(wǎng)寧夏檢修公司，寧夏 銀川 750011）

儲(chǔ)油柜是油浸式變壓器的重要部件，其主要作用是為變壓器儲(chǔ)油、補(bǔ)油，保證變壓器油體積隨溫度變化時(shí)變壓器內(nèi)部始終充滿油，同時(shí)使變壓器油與空氣隔絕，減緩油的劣化速度，保障變壓器油的絕緣性能。目前變壓器儲(chǔ)油柜只具有單一原理的油位監(jiān)測(cè)功能，現(xiàn)場(chǎng)僅能通過(guò)油位表來(lái)判斷儲(chǔ)油柜運(yùn)行狀態(tài)，該方法無(wú)法避免“假油位”現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而會(huì)導(dǎo)致變壓器儲(chǔ)油柜因假油位造成壓力釋放動(dòng)作導(dǎo)致變壓器跳閘。運(yùn)維人員無(wú)法及時(shí)了解變壓器是否帶隱患工作，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，變壓器僅能將瓦斯繼電器出口跳閘作為最后一道防線。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外直流輸電系統(tǒng)已發(fā)生多起因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)油位異常而導(dǎo)致的直流閉鎖事故，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，如何實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油柜運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)成為亟待解決的問(wèn)題。由于變壓器儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)固定、不可改變，傳統(tǒng)的傳感器安裝方法難以在儲(chǔ)油柜上實(shí)現(xiàn)，并且變壓器周圍電磁環(huán)境的復(fù)雜性嚴(yán)重制約著通信質(zhì)量及數(shù)據(jù)傳輸精度，加之目前儲(chǔ)油柜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域處于空白階段，儲(chǔ)油柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。

1 傳統(tǒng)變壓器儲(chǔ)油柜油位檢測(cè)方法及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)變壓器儲(chǔ)油柜油位檢測(cè)方法介紹

1.1.1 浮球連桿式油位計(jì)工作原理

現(xiàn)有的變壓器油位測(cè)量多采用傳統(tǒng)的浮球連桿式油位計(jì)，浮球及插桿通過(guò)連接法蘭安裝于儲(chǔ)油柜內(nèi)部，當(dāng)儲(chǔ)油柜的油位由于某種原因變化時(shí)，浮球隨之上下移動(dòng)，將浮球位移量轉(zhuǎn)化為指針的偏移量顯示于現(xiàn)場(chǎng)的表計(jì)中，從而實(shí)現(xiàn)液位的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)和控制。

1.1.2 壓力式油位傳感器工作原理

壓力式油位傳感器作為另一種油位測(cè)量裝置廣泛應(yīng)用于變壓器儲(chǔ)油柜油位測(cè)量中，其利用油的壓強(qiáng)與高度成一定比例關(guān)系，通過(guò)測(cè)量?jī)?chǔ)油柜底部油壓來(lái)測(cè)算油的高度，采用擴(kuò)散硅壓力傳感器將測(cè)量到的壓力轉(zhuǎn)換成測(cè)量信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理運(yùn)算后可得到標(biāo)準(zhǔn)的油位參數(shù)。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)變電站及換流站油浸式變壓器大多數(shù)采用膠囊式儲(chǔ)油柜。傳統(tǒng)的儲(chǔ)油柜監(jiān)測(cè)方法只是進(jìn)行單一原理的油位監(jiān)測(cè)，油枕油位測(cè)量一般采用浮球連桿式油位計(jì)或壓力式油位傳感器等方法，油位測(cè)量都是采用接觸式測(cè)量技術(shù)，其不足之處在于：油位測(cè)量裝置檢測(cè)精度不高，發(fā)生故障時(shí)檢修困難，檢測(cè)中穩(wěn)定性不高，易受環(huán)境因素影響，在運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)假油位現(xiàn)象，容易引起錯(cuò)誤判斷。

目前，隨著電力設(shè)備對(duì)產(chǎn)品性能和穩(wěn)定性要求的不斷提高，非接觸式油位測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被廣泛接受，利用超聲波外貼非接觸的方式對(duì)油浸式變壓器油枕油位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)油位異常的情況[2]。

2 新型變壓器儲(chǔ)油柜油位測(cè)量原理

本文所述新型變壓器儲(chǔ)油柜油位測(cè)量技術(shù)采用超聲波傳感器[3]，其檢測(cè)原理為當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或從氣體傳播到固體或液體時(shí)，由于兩種介質(zhì)的密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。因此，當(dāng)置于容器頂部的換能器向液面發(fā)射短促的聲脈沖時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間t，換能器便可以接收到從液面反射回來(lái)的回波聲脈沖。設(shè)換能器發(fā)射面到液面的距離為h1，聲波在空氣中的傳播速度為vt，表達(dá)式為

由于聲波在空氣中的傳播速度vt已知，因此可用測(cè)時(shí)間的方法確定出距離h1。設(shè)換能器發(fā)射面容器底部的距離為h2，則被測(cè)油位表達(dá)式為

3 新型變壓器儲(chǔ)油柜油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

該新型變壓器儲(chǔ)油柜油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖1。根據(jù)圖1所示，其主要包括儲(chǔ)油柜頂部法蘭盤、超聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集分析裝置、通信裝置和監(jiān)控報(bào)警裝置。儲(chǔ)油柜頂部法蘭盤安裝于儲(chǔ)油柜頂部正中間，超聲波傳感器安裝于儲(chǔ)油柜頂部法蘭盤中心處，輸出4~20 mA電流至就地?cái)?shù)據(jù)采集分析裝置。數(shù)據(jù)采集分析裝置包括供電電路、信號(hào)處理電路、控制器、液晶顯示屏，所述通信裝置包含RS485接口、光電轉(zhuǎn)換模塊、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)電口接入模塊，監(jiān)控報(bào)警裝置接至運(yùn)行人員工作站，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)油柜油位異常情況[4]。

圖1 新型變壓器儲(chǔ)油柜油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

3.2 超聲波傳感器安裝設(shè)計(jì)

傳感器安裝在儲(chǔ)油柜上方，基于變壓器既有結(jié)構(gòu)“無(wú)改動(dòng)”設(shè)計(jì)思路，在不改動(dòng)變壓器既定結(jié)構(gòu)、不影響原有系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，僅僅是在儲(chǔ)油柜檢修口封堵法蘭上加裝專用傳感器，即可在常規(guī)監(jiān)測(cè)方法難以觸達(dá)的儲(chǔ)油柜空腔內(nèi)傳遞出較為全面的監(jiān)視信息[5]。

根據(jù)上述思路將超聲波傳感器安裝于儲(chǔ)油柜頂部法蘭盤中心處，根據(jù)圖1中的序號(hào)2所示，其采用自鎖固定裝置，超聲裝置擰緊不受外載荷時(shí)的固定裝置由套筒螺栓、鎖緊環(huán)以及螺帽構(gòu)成[6]。當(dāng)受到振動(dòng)、松動(dòng)等外部工況影響時(shí)，套筒螺栓會(huì)相對(duì)于螺帽向上有一個(gè)位移，這樣會(huì)將鎖緊環(huán)水平方向拉緊以限制套筒螺栓和螺帽的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到固定及密封套筒螺栓內(nèi)超聲探頭的目的，進(jìn)一步強(qiáng)化了傳感器安裝的密封性[7]。

3.3 數(shù)據(jù)信息自動(dòng)分析方案

為了充分利用油溫、油位等多參量的數(shù)據(jù)價(jià)值進(jìn)行融合分析，數(shù)據(jù)信息自動(dòng)分析采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橫縱向數(shù)據(jù)分析方法和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練域信息[8]，然后遷移至經(jīng)濕度、溫度、油位信息訓(xùn)練的多層感知機(jī)網(wǎng)絡(luò)，形成新的多參量融合網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)橫縱向數(shù)據(jù)對(duì)同一儲(chǔ)油柜現(xiàn)象相互印證與制約，使訓(xùn)練效果比普通單一數(shù)據(jù)訓(xùn)練有了明顯提升，錯(cuò)誤率在相同訓(xùn)練時(shí)間下有了明顯降低[9]。多域遷移學(xué)習(xí)流程見圖2。

圖2 多域遷移學(xué)習(xí)流程圖

新型變壓器儲(chǔ)油柜實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)油柜油位的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)除了進(jìn)行故障的同步判斷、預(yù)警及定位功能，也可以進(jìn)一步對(duì)變壓器的運(yùn)行提供更為全面的狀態(tài)評(píng)價(jià)信息。相較于傳統(tǒng)方式下人工每日進(jìn)行一次的抄錄儲(chǔ)油柜單一油位信息，變壓器儲(chǔ)油柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意需求頻次的儲(chǔ)油柜油位信息記錄，從而形成顆粒度更加精細(xì)的狀態(tài)評(píng)價(jià)信息。

3.4 超聲波傳感器抗干擾能力設(shè)計(jì)

由于變壓器本體存在高強(qiáng)度電磁干擾，為避免超聲波傳感器內(nèi)部損壞，提高數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，采用多場(chǎng)域屏蔽的抗強(qiáng)電磁干擾監(jiān)視單元和基于高耐受元件的抗浪涌電源，通過(guò)高導(dǎo)磁率材料屏蔽、靜電屏蔽等措施進(jìn)行電場(chǎng)和磁場(chǎng)的抗干擾，同時(shí)，電源線會(huì)因現(xiàn)場(chǎng)高壓設(shè)備的操控而產(chǎn)生高強(qiáng)度浪涌。本方案通過(guò)增加一個(gè)高耐受電子保險(xiǎn)絲F1，加強(qiáng)保護(hù)壓敏電阻的耐受能值，實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度浪涌的有效防護(hù)，浪涌保護(hù)框見圖3。

圖3 浪涌保護(hù)原理框圖

4 新型變壓器儲(chǔ)油柜油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的新型變壓器儲(chǔ)油柜油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝應(yīng)用于銀川東換流站12臺(tái)換流變壓器，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中的換流變壓器儲(chǔ)油柜油位持續(xù)在線監(jiān)測(cè)。截至目前，通過(guò)該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)油管路破損漏油故障3次，有效避免了故障進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致直流閉鎖事故。本設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)對(duì)換流變壓器儲(chǔ)油柜油位監(jiān)測(cè)的同時(shí)有效提高了運(yùn)維人員的工作效率。以銀川東換流站為例，對(duì)雙極12臺(tái)換流變壓器儲(chǔ)油柜單次巡視由4人2 h降低至1人0.1 h，切實(shí)減少了運(yùn)維人員的日常工作量，極大地節(jié)省了時(shí)間成本及人工成本[10]。本設(shè)計(jì)方案油位信息采集系統(tǒng)及分析告警系統(tǒng)見圖4。

圖4 儲(chǔ)油柜油位分析告警系統(tǒng)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳感器及其安裝設(shè)計(jì)、復(fù)雜環(huán)境電磁兼容、多參量融合分析等方面進(jìn)行研究，成功開發(fā)出一套適用于油浸式變壓器儲(chǔ)油柜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)變壓器儲(chǔ)油柜油位信息并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)告警、故障定位等功能。該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效解決了運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)油位抄錄難的問(wèn)題，消除了運(yùn)維人員進(jìn)入換流站抄錄數(shù)據(jù)時(shí)存在的安全隱患，提升了現(xiàn)場(chǎng)人員的設(shè)備運(yùn)維效率，進(jìn)一步提高了電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。