基于超聲波探測器的變壓器油位檢測裝置

昆明供電局 李政清 羅福強 張汐 耿齊朋 周瑞 梁凱 楊春孟 付奕檳 馬彥兵 李子霞

1 研究背景

目前，部分變壓器采用的是膠囊式油枕，配備指針式油位計，變壓器的油位指示以及油位異常信號均由此油位計實現(xiàn)。但油位正常和異常情況均通過同一設(shè)備進行判斷，設(shè)計冗余不足，在運行時有可能出現(xiàn)故障。變壓器可能有隱性漏油點，比如變壓器油的在線檢測系統(tǒng)，埋在底部的進出油管發(fā)生絕緣油的緩慢滲漏，這時如果油位計卡死無法指示變壓器的實際油位，運行人員在日常巡視中無法根據(jù)油位曲線判斷油位是否正常。當變壓器油下降到膠囊膨脹至最大體積時，最關(guān)鍵的油位異常信號無法發(fā)出，若任由其發(fā)展下去，由于變壓器油的熱脹冷縮效應(yīng)，大氣壓力會將空氣從漏油點處壓入變壓器內(nèi)部，細微的空氣泡將隨機地進入到套管升高座、油枕內(nèi)部，并進入瓦斯繼電器，發(fā)出輕瓦斯動作信號。而由于油位計此時顯示的油位在“正?！狈秶鷥?nèi)，漏油點比較隱蔽，短時間之內(nèi)很難判斷出輕瓦斯動作的原因。此類油枕雖然在特定環(huán)境、溫度及油溫下通過紅外成像儀可以辨識出油枕油位，但是對紅外成像儀及主變運行環(huán)境要求比較高，本文將介紹另一種原理的油位辨識工具。

2 變壓器假油位的危害

變壓器假油位就是油位計指示的油位與真實的油位不相符，難以發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的隱患。當油位計油位小于真實油位時，檢修人員對變壓器儲油柜進行補油工作，以油位計指示為準增加油量至“正?！庇臀缓?，儲油柜中的實際油量就會很多，此時如果環(huán)境溫度升高或負荷增大，油受熱膨脹，就會從變壓器的壓力釋放器噴出；當油位計油位大于真實油位時，儲油柜油位計指示油位為“正?！?，但實際油位已處于很低的位置，這種情況會導致變壓器內(nèi)部繞組和外殼的絕緣強度不足，此時最先裸露的套管將會對外殼放電，導致設(shè)備的非計劃停運。

3 油位異常原因分析

通過分析，可以發(fā)現(xiàn)造成變壓器油位出現(xiàn)異常的因素有以下幾點。

一是變壓器油長期滲漏會引起變壓器油位下降，造成油位偏低。

二是運行變壓器油溫變化對油位的影響。

三是變壓器的設(shè)計存在缺陷，不滿足變壓器油位正常變化的需求。

四是在變壓器制造過程中存在工藝質(zhì)量問題。

五是對于常見油位的檢測應(yīng)當由專業(yè)的操作人員在技術(shù)支持下開展，而維護人員在進行補油等工作時沒有按照相關(guān)標準或是沒有嚴格要求自身操作，導致油位異常[1]。

4 超聲波油位測量

4.1 超聲波油位測量原理

超聲波指的就是頻率超過20kHz的機械波，由壓電效應(yīng)以及磁致伸縮效應(yīng)的狀態(tài)下產(chǎn)生，其可以沿著直線傳播，具有穿透障礙物的功能。超聲波的特點是其所發(fā)出的頻率越高繞射能力就越弱，但在此狀態(tài)下其反射能力會越強。如果在反射或是傳播的過程中遇到障礙物，其反射波則會被障礙物吸收掉一部分，并以反射障礙物為基礎(chǔ)反射回來一部分能量。其中的障礙物一般稱之為介質(zhì)，超聲波在不同介質(zhì)中產(chǎn)生的反射強度是不一樣的。同理，不同介質(zhì)產(chǎn)生的回反射波強也是不同的。不同介質(zhì)會采用一種既有的公式進行計算，查看不同介質(zhì)對超聲波產(chǎn)生的能量損耗，如式（1）所示：

式（1）中：α為損耗系數(shù)；η為介質(zhì)切變黏度。由此可以知道，能量一定的超聲波在黏度越大的介質(zhì)中傳播，其能量損耗率越大[2]。

超聲波在介質(zhì)中傳播時，有較好的方向性，波速與普通聲波相同，具有傳播過程中能量損失較少、遇到不通介質(zhì)的分界面時能夠形成反射的特性。超聲波液位測量方法有多種，如超聲波脈沖回波法、共振法、頻差法、超聲衰減法等。本設(shè)計主要采用回波測距原理間接測量液位[3]。

超聲波油位探測原理與傳統(tǒng)的油位探測有所不同，主要是超聲波更像是一種對已存的油位檢測形式，其需要將測量所用的探頭安裝在油枕的底部以及外壁處，利用超聲波的可穿透性以及遇障礙物可反彈能量并進行接收的特殊性質(zhì)。由測量探頭將超聲波發(fā)射到油枕底部的內(nèi)壁，超聲波接觸到內(nèi)壁的時候會產(chǎn)生反射能量，反射回波在回彈的時候會接觸到第二個介質(zhì)，并由此產(chǎn)生第二次反射回波，由此可得油枕內(nèi)部的油位值如式（2）：

式（2）中：T為產(chǎn)生第一次反射能量的時間與產(chǎn)生第二次反射能量的時間差；V 為超聲波在被測量液體中的傳播速度。

這種油位測量方法的優(yōu)點是測量時無須對被測油枕進行開孔或者安裝法蘭，可以直接從油枕的外部獲取內(nèi)部的液位信息，真正實現(xiàn)非介入式的油位測量。但是，該測量方法的測量精度與探頭的接觸位置密切相關(guān)，超聲波的傳播方向與油面越垂直測量效果越好。在測量過程中，超聲波需要穿過鋼壁和變壓器油，容易受到油枕油漆涂層、厚度等因素的影響，在實際應(yīng)用過程對超聲波探頭發(fā)射功率及靈敏度有一定要求。

4.2 超聲波在油位測量中的誤差和補償

采用超聲波技術(shù)進行油位測量的過程中，會因為各種因素而產(chǎn)生干擾影響，如外界因素、被測量體自身因素、設(shè)備因素等。而測量的精準度則在一定程度上代表著被測量體后續(xù)挖掘及開采的成本，因此測量的精準度十分關(guān)鍵。為了保證測量過程中不會因各項干擾因素而對以最終的測量結(jié)果產(chǎn)生影響，以下提出各方面的改進措施。

4.2.1 溫度問題

在常規(guī)狀態(tài)下，超聲波在同種傳播介質(zhì)中擴散的速度應(yīng)當保持恒定。但被測量物體的溫度及狀態(tài)會不斷產(chǎn)生變化，不可能每一次測量均保持恒定狀態(tài)，因此在不同情況下進行測量時，應(yīng)當根據(jù)被測量物體的溫度及狀態(tài)對速度計算公式進行調(diào)整。變壓器油在20℃時，聲速約為1390m/s，在室溫下，變壓器油溫度變化1℃，超聲波速度變化4m/s。從而可知，對測量誤差的影響約為0.28%，當溫度誤差超過3℃時，液位的測量誤差就超過了0.74%，變壓器油中聲速隨溫度變化的規(guī)律如式（3）：

式（3）中：T為油溫。

在油枕變壓器油溫度為55℃時，這樣測量500mm 的距離時，以基準聲速計算，就會產(chǎn)生50mm 的誤差。由此可見，聲速在變壓器油中隨著溫度的變化較大，而通過溫度補償?shù)姆椒?，可以提高測量的準確度。采用基于溫度測量補償?shù)姆椒ǎ柚鷾囟葌鞲衅鲗囟燃右詼y量，對聲速進行間接補償。單片機在數(shù)據(jù)運算時，要結(jié)合溫度因素，對最終計算結(jié)果加以修正，達到提高測量準確度的目的。

4.2.2 直達波干擾

在實際測量的過程中，測量的操作及測量的過程均需要按照一定的標準進行，而這個標準則由測量的需求決定，因此滿足測量需要是測量中最需要注意的事情。一般在進行超聲波測量的時候，為了更好地滿足測量的標準與需求，超聲波的接收及發(fā)射探頭距離較近。發(fā)射傳感器在發(fā)射超聲波時，可能發(fā)生接收傳感器會直接接收到超聲波，即存在直達波的影響。間波信號會帶有這部分信號，這會對回波信號檢測產(chǎn)生干擾作用。

4.2.3 隨機干擾

由于變壓器運行中一直存在震動，震動所產(chǎn)生的干擾信號具有隨機性、不穩(wěn)定性、不確定性等特點，同時產(chǎn)生的干擾信號往往時間較短，在波狀圖上多呈現(xiàn)出矛刺狀。在此基礎(chǔ)上的第一次測量結(jié)果極有可能因為干擾信號的影響而產(chǎn)生不精確的現(xiàn)象，而如果根據(jù)第一次測量的結(jié)果對被測量物體下出最終結(jié)論，則可能造成測量與實際情況出現(xiàn)較大誤差的現(xiàn)象。為了保證干擾信號對測量產(chǎn)生的誤差及不良影響降至較低，可以通過多次測量以及對測量結(jié)果進行求平均值的操作保證整體的數(shù)據(jù)更加接近真實的狀態(tài)。而為了保證測量結(jié)果以及其平均值的精準度，會采用連續(xù)測兩次的方式，并將五次測量的結(jié)果進行求平均值，平均值代表的數(shù)據(jù)則會更加接近真實數(shù)據(jù)。在得出最終數(shù)據(jù)的過程中，要去除五次測量中的最大值和最小值，求取剩余三個數(shù)據(jù)的平均值。這樣可以有效保證干擾數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差值被消除在平均值當中，降低誤差、干擾數(shù)據(jù)及各種干擾因素對測量結(jié)果的不良影響。

4.3 系統(tǒng)原理圖

超聲波技術(shù)設(shè)計的變壓器油位測量儀采用回波測距原理設(shè)計，通過發(fā)射超聲波的方式將聲波在被測量的空間中，讓超聲波產(chǎn)生能量回彈，并由接收器接受超聲波傳回的能量回彈數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析既可以得到超聲波在被測量物體或是空間中回彈的速度，由此可以得出具體的距離。需要注意的是超聲波在相同的介質(zhì)中傳播的速度相同，因此所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以作為直接計算數(shù)據(jù)使用。該系統(tǒng)主要包括超聲波探頭、數(shù)字顯示器、顯示模塊、處理器、數(shù)據(jù)接收模塊、分析模塊，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主變油枕普遍在3m 以上，運行中的主變帶電，宜采用伸縮式絕緣桿將探頭結(jié)合至油枕底部，以保證檢測人員的人身安全。絕緣桿和探頭之間通過萬向接頭連接，探頭在與被測物接觸面的一端連接有磁性條，絕緣桿的周側(cè)設(shè)置有數(shù)字顯示器，數(shù)字顯示器一側(cè)電性連接有顯示燈。在需要對變壓器油位進行測量時，先使用絕緣桿連接超聲波探測儀貼合到主變油枕底部，超聲波探頭通過磁條能吸附在外殼上，不依靠人力保持探頭緊貼外殼，隨后探頭會對變壓器油位進行檢測，根據(jù)被測物體內(nèi)是否為“空腔”狀態(tài)，顯示燈發(fā)出不同的信號。如果被測物體內(nèi)是“空腔”狀態(tài)，探頭處的顯示燈常亮，界面顯示數(shù)值為0，如果被測物體內(nèi)不是“空腔”狀態(tài)，數(shù)字顯示器顯示出介質(zhì)分界面的距離即油位。超聲波油位監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 超聲波油位監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

通過對變壓器油位檢測現(xiàn)狀的分析以及超聲波液位測試原理的分析，設(shè)計一種超聲波油位探測裝置，可以在不停電的情況下，快速辨別出膠囊式油枕的主變的真實油位，有效避免未及時發(fā)現(xiàn)油位異常而導致缺陷進一步發(fā)展，造成設(shè)備的非計劃停運，甚至造成嚴重的電網(wǎng)事故。工作中在主變檢修時檢測主變內(nèi)或套管升高座內(nèi)是否存在“空氣腔”也可以使用此探頭。將超聲波油位探測儀安裝到主變油枕處可以實現(xiàn)油位的實時監(jiān)測，增加另一種原理的油位在線檢測裝置，增加油位表征的冗余。