基于超聲波時差法的變電站變壓器冷卻油流速測量

摘" 要： 針對變電站變壓器冷卻油流速的高精度測量問題，設(shè)計(jì)一種基于超聲波時差法的非接觸式油體流速無線監(jiān)測系統(tǒng)。產(chǎn)生中心頻率為1 MHz的高功率脈沖信號，驅(qū)動壓電式陶瓷超聲波換能器向冷卻油發(fā)射連續(xù)超聲波；對超聲波回波信號進(jìn)行放大、濾波和整形后，采用高精度時間測量芯片F(xiàn)S1022測量初始脈沖信號和調(diào)理后的回波脈沖信號的時差，通過計(jì)算順流和逆流時差得到流速，并將數(shù)據(jù)通過低功耗藍(lán)牙發(fā)送至云端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)的通信范圍在15 m內(nèi)時數(shù)據(jù)包投遞率高于90%；在直徑為50～150 mm的鑄鐵管道中，超聲波傳播時間的測量誤差小于1%。所設(shè)計(jì)的冷卻油流速測量系統(tǒng)測量精度高、速度快，且具有安裝方便、不受流體電導(dǎo)率影響的特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 變電站變壓器； 冷卻油； 流速測量； 超聲波時差法； 高精度時間測量； 藍(lán)牙通信

中圖分類號： TN707?34； TU992.23" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）20?0051?06

Ultrasonic time?of?flight method based measurement of cooling oil flow velocity in substation transformer

LI Ruyan1， XIE Guihui2， BAI Di3

（1. School of Information Science and Engineering， Wuchang Shouyi University， Wuhan 430064， China;

2. School of Automation， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China;

3. College of Electronics and Information Engineering， South?Central Minzu University， Wuhan 430074， China）

Abstract： In allusion to the problem of high precision measurement of cooling oil velocity in substation transformer， a non?contact wireless oil velocity monitoring system based on ultrasonic time?of?flight method is designed. A high?power pulse signal with a center frequency of 1 MHz is generated to drive a piezoelectric ceramic ultrasonic transducer to emit continuous ultrasonic waves into the cooling oil. After amplifying， filtering， and shaping the ultrasonic echo signal， a high?precision time measurement chip FS1022 is used to measure the time?of?flight between the initial pulse signal and the conditioned echo pulse signal. The flow velocity is calculated by means of the time?of?flight between the downstream and upstream， and the data is transmitted to the cloud via low power consumption Bluetooth. The experimental results demonstrate that when the communication range of the system is within 15 m， the packet delivery rate is higher than 90%. The measurement error of ultrasonic propagation time is less than 1% in cast iron pipes with diameters ranging from 50 mm to 150 mm. The designed cooling oil flow rate measurement system offers high accuracy and speed， while also being easy to install and unaffected by fluid conductivity， making it highly applicable in practical settings.

Keywords： substation transformer; cooling oil; flow velocity measurement; ultrasonic time?of?flight method; high precision time measurement; Bluetooth communication

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，變壓器作為大功率電力變換和輸送設(shè)備，扮演著至關(guān)重要的角色[1]。由于長時間工作在高溫高壓環(huán)境下，變壓器經(jīng)常出現(xiàn)繞阻故障[2]、冷卻系統(tǒng)故障[3]、外部短路[4]及接地故障[5]等問題，進(jìn)而引發(fā)變壓器的能效下降、溫度過高以及漏電問題，甚至發(fā)生火災(zāi)，對電力系統(tǒng)的安全供應(yīng)和人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅[6]。

冷卻油流速作為變壓器工作狀態(tài)判斷的重要指標(biāo)，可以直接反映油流回路堵塞、油泵故障、散熱等一系列冷卻系統(tǒng)異常[7]。然而在實(shí)際運(yùn)行中，變壓器冷卻油體流速缺乏相應(yīng)監(jiān)測手段，測量相對困難。這是由變壓器特殊的運(yùn)行環(huán)境所決定的，一方面，變壓器冷卻油管道對密封性具有非常高的要求，管道流體測量最常用的接觸式渦輪流量計(jì)[8]在安裝時需要破壞管道結(jié)構(gòu)，且要求被測流體處于紊流狀態(tài)，因此難以使用；另一方面，變壓器冷卻油為絕緣流體，且處于復(fù)雜強(qiáng)磁環(huán)境中，因此，測量導(dǎo)電液體的電磁感應(yīng)流量計(jì)往往失效[9]。

目前，對于變壓器冷卻油流速的測量，雖有相關(guān)研究人員嘗試一些理論測量方法，例如根據(jù)油溫特點(diǎn)，建立油流速與溫度的函數(shù)關(guān)系，得到變壓器油流速與溫度的關(guān)聯(lián)模型[10?12]。但這些理論方法實(shí)用經(jīng)驗(yàn)不足，難以保證測量設(shè)備在變壓器工作復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。此外，經(jīng)過對變電站車間現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)變壓器檢修及狀態(tài)監(jiān)測手段仍然較為落后，主要依賴人工手動測量，亟需自動化實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲波時差法的變壓器冷卻油流速無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用超聲波傳播速度受冷卻油流速影響的特性，將流速測量轉(zhuǎn)化為收發(fā)脈沖信號時間差的測量，實(shí)現(xiàn)了高精度、快速冷卻油流速測量，可供電力管理部門在電力維修時使用。

1" 總體設(shè)計(jì)思路

變壓器冷卻油流速無線監(jiān)測系統(tǒng)由流速測量終端、網(wǎng)關(guān)、云端服務(wù)器和應(yīng)用端程序組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

流速測量終端是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，由超聲波換能器A、超聲波換能器B和主控板組成。其中，超聲波換能器采用壓電式類型，具有結(jié)構(gòu)簡單、易驅(qū)動、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)；主控板以微控制器為核心，具有本地計(jì)算、液晶顯示和藍(lán)牙無線通信等功能。兩個超聲波換能器采用V型結(jié)構(gòu)安裝在冷卻油管道上方。主控板產(chǎn)生大功率脈沖信號，驅(qū)動超聲波換能器內(nèi)的壓電晶片振動產(chǎn)生超聲波。超聲波穿透冷卻油管壁以水平夾角[θ]在管道內(nèi)傳播并反射，被另一個超聲波換能器接收。

令超聲波在靜止冷卻油中的傳播速度為[w]，冷卻油的流速為[Vx]，管道內(nèi)徑為[D]，超聲波法線與油體流動方向夾角為[θ]，則順流傳播時間可表示為：[tup=2Dsinθ?（w+Vx?cosθ）]，超聲波逆流傳播時間[tdown=2Dsinθ?（w-Vx?cosθ）]，兩式相減得：

[Vx=D?（tup-tdown）sinθ?cosθ?tup?tdown]" " " " " "（1）

式中，[Vx]與超聲波傳播速度[w]無關(guān)，從而消除[w]隨溫度波動導(dǎo)致的測量誤差。進(jìn)一步，流量計(jì)算公式為：

[Q=π4D2D?（tup-tdown）sinθ?cosθ?tup?tdown]" " " " " （2）

得到流速和流量后，采用低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy， BLE）技術(shù)將信息傳輸至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)收到藍(lán)牙數(shù)據(jù)后，將藍(lán)牙信號轉(zhuǎn)換為4G信號，最終將數(shù)據(jù)推送至云服務(wù)器。應(yīng)用程序采用MQTT協(xié)議訂閱流速和流量信息，進(jìn)行圖形化數(shù)據(jù)顯示和存儲，為后續(xù)變壓器故障檢測和專家決策提供判決依據(jù)。

2" 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要負(fù)責(zé)超聲波信號的發(fā)射與接收，以及數(shù)據(jù)的本地顯示與上傳，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

硬件系統(tǒng)以nRF52840為主控核心，該芯片集成了Cortex?M4內(nèi)核微處理器（Micro Controller Unit， MCU）和先進(jìn)的BLE5.0通信模塊，極大地簡化了硬件電路設(shè)計(jì)。MCU通過SPI接口控制高精度時間測量芯片SL1922產(chǎn)生1 MHz初始脈沖信號。由于初始脈沖信號幅度僅3.3 V，驅(qū)動能力不足，因此采用驅(qū)動電路將初始脈沖信號進(jìn)行放大和擴(kuò)流，驅(qū)動超聲波換能器發(fā)出超聲波。

由于超聲波在傳播過程中會遭受路徑損耗和反射損耗，導(dǎo)致回波信號的幅度[13]低至幾十毫伏，且摻雜一些雜波，因此采用放大、帶通濾波和整形電路對回波信號進(jìn)行調(diào)理，使其滿足SL1922對信號質(zhì)量的要求。SL1922通過粗測與精測計(jì)算發(fā)射與接收信號的時差，并通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳輸給nRF52840。為了消除因超聲波傳播速度波動引起的誤差，采用雙通道單刀雙擲開關(guān)ADG1408切換超聲波換能器A、B的收發(fā)模式，獲得超聲波的順流和逆流傳播時間，進(jìn)而根據(jù)公式（1）和公式（2）得到冷卻油流速和流量。

2.1" 信號隔離與驅(qū)動電路

信號隔離與驅(qū)動電路如圖3所示。首先，采用高速光耦合器6N137芯片進(jìn)行信號隔離，防止冷卻油流動噪聲對高精度時間測量芯片的干擾。該芯片轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10 Mb/s，擺率為10 kV/μs，可保證1 MHz脈沖信號無失真。6N137芯片第6腳輸出為集電極開路電路，因此接330 Ω上拉電阻。在第2腳上拉1 kΩ電阻，限制芯片內(nèi)部第2和第3腳間LED的電流。然后，采用高速軌到軌運(yùn)算放大器SN10501將初始脈沖信號放大3倍。該芯片在放大增益為3時帶寬可達(dá)70 MHz，擺率為900 V/μs，允許輸出信號峰峰值為26 V（考慮11次諧波），滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。最后，采用推挽電路與MOS管進(jìn)行信號擴(kuò)流，在電路輸出級利用變壓器避免設(shè)備浮空，使換能器能夠接地正常工作。其中，R2與R9為Q3的保護(hù)電阻，前者限制支路電流，后者下拉確保MOS管柵極控制電壓處于確定的狀態(tài)。當(dāng)Q1導(dǎo)通時，R7、R9與Q1構(gòu)成回路，此時，R9分壓11 V，Q3完全導(dǎo)通；當(dāng)Q2導(dǎo)通時，Q3柵極通過R7接地，此時Q3關(guān)斷。當(dāng)1 MHz脈沖信號通過時，Q3在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)中交替進(jìn)行，為高頻變壓器提供足夠大的電流。

2.2" 回波信號調(diào)理電路

回波信號調(diào)理電路包括固定增益放大、帶通濾波和滯回整形電路，如圖4所示。由于回波信號幅度一般比較穩(wěn)定，幅度為幾十毫伏，因此設(shè)計(jì)100倍增益放大，采用兩級級聯(lián)方式，每級放大10倍。采用低噪聲放大器OPA657。該芯片帶寬增益積為1.6 GHz，可最大限度保留脈沖信號的諧波分量，且其輸入電壓噪聲僅為4.8 [nV/Hz]。放大后的信號經(jīng)過中心頻率為1 MHz的帶通濾波器。帶通濾波器采用兩級四階巴特沃斯濾波器，通頻增益為0 dB，10倍頻衰減可達(dá)-40 dB，能有效濾除雜波。最后，采用開漏輸出型比較器LM311搭建滯回比較電路。滯回電壓的引入可有效防止比較器輸出信號的邊沿出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。滯回電壓值由R4與R10的比值決定，本文設(shè)計(jì)R4為4 kΩ，R10為200 Ω，此時滯回電壓為157 mV，該值介于噪聲和信號之間，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3" 高精度時差測量電路

時差測量芯片采用Slkor公司的SL1922芯片，其外圍電路如圖5所示。

圖中，外接32.768 kHz晶振作為基準(zhǔn)時鐘來控制高速時鐘和起振進(jìn)行時鐘校準(zhǔn)；4 MHz晶振經(jīng)校準(zhǔn)后可作為芯片脈沖輸出時鐘源；FIRE_UP為脈沖發(fā)生端口，產(chǎn)生1 MHz脈沖信號，接入隔離驅(qū)動電路用以驅(qū)動超聲波換能器；FIRE_DOWN懸空；STOP引腳接回波調(diào)理電路的輸出控制芯片停止計(jì)數(shù)；INTN為中斷引腳連入MCU，用于指示測量結(jié)束；SSN為SPI片選芯片用以控制芯片數(shù)據(jù)傳輸。

此外，為降低芯片供電引腳的電壓紋波，電源VIO由C6、C7對3.3 V電源進(jìn)行旁路濾波，保證芯片穩(wěn)定工作。

3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)以nRF52840為控制核心，進(jìn)行油體流速測量，并通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。主程序流程如圖6所示。

軟件的具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

1） 系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)通電后，MCU通過電磁環(huán)境評估藍(lán)牙通信可用信道及其數(shù)量，同時設(shè)置內(nèi)部定時器和藍(lán)牙通信參數(shù)，配置SL1922的發(fā)射脈沖數(shù)、STOP通道預(yù)期脈沖個數(shù)、測量范圍、最大溢出時間和測量精度等寄存器。

lt;E：＼2023＼m20＼2024年20期＼Image＼67t6.tifgt;

圖6" 主程序流程

2） 流速測量階段。MCU通過SPI接口向SL1922發(fā)送開始測量命令，首先進(jìn)行順流時間測量，連續(xù)記錄50次順流傳播時間；然后進(jìn)行逆流時間測量，同樣記錄50次逆流傳播時間。

3） 數(shù)據(jù)處理階段。為了抑制噪聲和外部干擾的影響，采用Kalman濾波算法對測量的時間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。濾波完成后，進(jìn)行油體流速和流量數(shù)據(jù)的計(jì)算，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)。

4） 數(shù)據(jù)傳輸階段。將流速和流量信息封裝成符合藍(lán)牙通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，并通過事先約定好的跳頻圖案選擇通信信道將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)設(shè)備。數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器。數(shù)據(jù)傳輸完成后，系統(tǒng)重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一次定時器中斷信號，準(zhǔn)備進(jìn)行新一輪的測量。

4" 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證系統(tǒng)各項(xiàng)功能的正確性和有效性，對藍(lán)牙通信、時間測量精度和冷卻油流速進(jìn)行了測試。

4.1" 藍(lán)牙通信距離測試

設(shè)置終端的發(fā)射功率為-10 dBm，藍(lán)牙通信速率為500 Kb/s。保持終端節(jié)點(diǎn)位置不變，每隔5 m移動一次網(wǎng)關(guān)。在每個距離下，終端發(fā)送1 000包藍(lán)牙數(shù)據(jù)，每包10個字節(jié)，統(tǒng)計(jì)藍(lán)牙端的數(shù)據(jù)包到達(dá)率（Packet Receiver Rate， PRR）和平均信號接收強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication， RSSI）。測試結(jié)果如圖7所示。隨著終端和網(wǎng)關(guān)距離的增加，RSSI和PRR都呈現(xiàn)下降趨勢。在距離小于25 m時，系統(tǒng)具有較高的PRR。實(shí)際環(huán)境中，終端一般在網(wǎng)關(guān)周圍15 m范圍內(nèi)，此時，PRR能夠達(dá)到90%以上，滿足數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求。

4.2" 超聲波傳播時間精度測試

為測量不同管徑下超聲波傳播時間的測量精度，自制了一個簡易的流速測量裝置，如圖8所示。

選擇DN50、DN100、DN150三種不同直徑的鑄鐵管道，利用軟管將其與抽水機(jī)連接，將軟管的入口和出口放入塑料水池中，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。將抽水機(jī)功率設(shè)置為最大值7.5 HP或5.5 kW，此時吸程可達(dá)8 m，使得管道內(nèi)充滿水，無氣泡影響超聲波回波信號質(zhì)量。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)在不同管道內(nèi)徑下均具有很高的時間測量精度，時間測量誤差小于1%，表明系統(tǒng)軟硬件是可靠且有效的。

4.3" 冷卻油流速測量

測試環(huán)境為湖南省某市變壓器生產(chǎn)基地中的變壓器冷卻油無縫鋼管，鋼管外徑為200 mm，壁厚為10 mm，將兩個超聲波換能器以V型結(jié)構(gòu)安裝在管道上方。超聲波換能器通過磁鐵吸附在管道表面，為避免縫隙中的空氣影響超聲波信號質(zhì)量，換能器和管道之間采用聚烯亞胺固體聲耦合劑填充。超聲波換能器外殼接地，以免脈沖信號受外部電磁干擾。設(shè)置油泵壓力使得油流速約為1.22 m/s?，F(xiàn)場測量場景如圖9所示。

圖10為實(shí)地持續(xù)測試5 h的冷卻油流速和管道殼溫度。橫軸為時間軸，ID號表示不同時刻，實(shí)線為實(shí)時采集到的冷卻油流速，點(diǎn)線為管道外殼溫度。ID0是開始時刻，為某天17：30，之后每間隔2 min記錄一次流速和溫度，每個ID之間包含9個數(shù)據(jù)。從圖10可知，流速的變化趨勢與管道溫度變化趨勢基本一致。測量的變壓器冷卻油流速在1.18～1.26 m/s之間波動，與理論值1.22 m/s相符。

5" 結(jié)" 論

本文將超聲波時差法應(yīng)用于變電站變壓器冷卻油流速測量，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了非接觸式油體流速無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙向測量法消除了超聲波傳播速度波動引入的誤差，利用高精度時間測量芯片提高了測量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)通信距離可達(dá)50 m，在不同的管徑下時間測量誤差均小于1%，可準(zhǔn)確測量變壓器冷卻油的油速。另外，本文系統(tǒng)采用低功耗藍(lán)牙通信技術(shù)，支持跳頻通信，可有效避免工業(yè)現(xiàn)場其他設(shè)備的電磁干擾，同時還支持?jǐn)?shù)據(jù)本地顯示、手機(jī)連接和遠(yuǎn)程監(jiān)測三種模式，極大地方便了電力管理部門進(jìn)行檢修，具有很高的應(yīng)用價值。

注：本文通訊作者為謝桂輝。

參考文獻(xiàn)

[1] 張波，黃英齡，明志茂，等.基于同步壓縮小波變換和ResNet的變壓器放電故障診斷方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（10）：159?165.

[2] 楊文榮，石小暉，張雨蒙，等.基于兩軸振動和多傳感器融合的變壓器繞組機(jī)械故障診斷[J].電子測量技術(shù)，2023，46（19）：132?139.

[3] 張立靜，盛戈皞，倪子瞻，等.油浸式電力變壓器匝間故障早期的電熱特性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2023，43（15）：6124?6136.

[4] 武玉才，張龍，白雨卉，等.基于開口變壓器法的交流電機(jī)定子鐵心短路故障檢測[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2023，27（12）：21?30.

[5] 陳虓，劉紅文，黃繼盛，等.基于ZNy11?Dyn7型無源降壓消弧器件的高阻接地故障選線新方法[J].電瓷避雷器，2023（6）：45?54.

[6] 郭慧瑩，王毅.基于DGA支持向量機(jī)的變壓器故障診斷[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（19）：154?158.

[7] 張國治，閆偉陽，王堃，等.流動絕緣油中纖維雜質(zhì)顆粒運(yùn)動特性仿真研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2023，38（9）：2500?2509.

[8] 孫興偉，李宜霖，楊赫然，等.流體粘度對渦輪流量計(jì)計(jì)量特性影響研究[J].儀器儀表學(xué)報，2022，43（4）：182?190.

[9] 陳定，羅剛，趙春峰，等.電磁流量計(jì)在疏浚管道流速測量中的誤差及修正[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2022，34（4）：71?76.

[10] 江丹宇，孟源源，楊賢，等.基于多物理場耦合的變壓器內(nèi)部油流特性分析[J].變壓器，2020，57（8）：23?28.

[11] 王山，高萌，卓然，等.變壓器溫度耦合仿真模型的高效降階算法研究[J].高壓電器，2023，59（8）：115?126.

[12] 許靜，劉樹鑫.基于多物理場耦合及溫升特性研究的變壓器熱點(diǎn)溫度建模與仿真分析[J].計(jì)量學(xué)報，2022，43（2）：242?249.

[13] 賈惠芹，薛朝霞，黨瑞榮.典型參數(shù)對超聲波流量測量精度的影響與校準(zhǔn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2022，45（10）：45?52.

作者簡介：李乳演（1988—），女，河南平頂山人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用。

謝桂輝（1988—），男，湖南衡陽人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)橛布娐吩O(shè)計(jì)、無線通信。

白" 迪（1990—），男，湖北荊門人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)檐浖o線電。

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.009

引用格式：李乳演，謝桂輝，白迪.基于超聲波時差法的變電站變壓器冷卻油流速測量[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（20）：51?56.

收稿日期：2024?01?27" " " " " "修回日期：2024?03?20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：多功能綜合射頻傳感網(wǎng)絡(luò)無錨點(diǎn)協(xié)同定位（62201621）；湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：基于能量與信息同步傳輸?shù)闹悄芑嘣串悩?gòu)傳感技術(shù)研究（2023BAB082）；2023年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目：新工科背景下軟硬融合的測量技術(shù)師資培訓(xùn)（230806261091548）