崔 鵬，王玄之，陸洪建

（國網(wǎng)寧夏檢修公司，寧夏 銀川 750011）

儲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油、補油，保證變壓器油體積隨溫度變化時變壓器內(nèi)部始終充滿油，同時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。目前變壓器儲油柜只具有單一原理的油位監(jiān)測功能，現(xiàn)場僅能通過油位表來判斷儲油柜運行狀態(tài)，該方法無法避免“假油位”現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而會導致變壓器儲油柜因假油位造成壓力釋放動作導致變壓器跳閘。運維人員無法及時了解變壓器是否帶隱患工作，若不能及時發(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，國內(nèi)外直流輸電系統(tǒng)已發(fā)生多起因未及時發(fā)現(xiàn)油位異常而導致的直流閉鎖事故，造成了極大的經(jīng)濟損失，如何實現(xiàn)儲油柜運行狀態(tài)在線監(jiān)測成為亟待解決的問題。由于變壓器儲油柜結(jié)構(gòu)固定、不可改變，傳統(tǒng)的傳感器安裝方法難以在儲油柜上實現(xiàn)，并且變壓器周圍電磁環(huán)境的復雜性嚴重制約著通信質(zhì)量及數(shù)據(jù)傳輸精度，加之目前儲油柜運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域處于空白階段，儲油柜在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。

1 傳統(tǒng)變壓器儲油柜油位檢測方法及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)變壓器儲油柜油位檢測方法介紹

1.1.1 浮球連桿式油位計工作原理

現(xiàn)有的變壓器油位測量多采用傳統(tǒng)的浮球連桿式油位計，浮球及插桿通過連接法蘭安裝于儲油柜內(nèi)部，當儲油柜的油位由于某種原因變化時，浮球隨之上下移動，將浮球位移量轉(zhuǎn)化為指針的偏移量顯示于現(xiàn)場的表計中，從而實現(xiàn)液位的遠距離監(jiān)測和控制。

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量裝置廣泛應(yīng)用于變壓器儲油柜油位測量中，其利用油的壓強與高度成一定比例關(guān)系，通過測量儲油柜底部油壓來測算油的高度，采用擴散硅壓力傳感器將測量到的壓力轉(zhuǎn)換成測量信號。該信號經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理運算后可得到標準的油位參數(shù)。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

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

2 新型變壓器儲油柜油位測量原理

本文所述新型變壓器儲油柜油位測量技術(shù)采用超聲波傳感器[3]，其檢測原理為當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，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，當置于容器頂部的換能器向液面發(fā)射短促的聲脈沖時，經(jīng)過時間t，換能器便可以接收到從液面反射回來的回波聲脈沖。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，表達式為

由于聲波在空氣中的傳播速度vt已知，因此可用測時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，則被測油位表達式為

3 新型變壓器儲油柜油位在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計方案

該新型變壓器儲油柜油位在線監(jiān)測系統(tǒng)見圖1。根據(jù)圖1所示，其主要包括儲油柜頂部法蘭盤、超聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集分析裝置、通信裝置和監(jiān)控報警裝置。儲油柜頂部法蘭盤安裝于儲油柜頂部正中間，超聲波傳感器安裝于儲油柜頂部法蘭盤中心處，輸出4~20 mA電流至就地數(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)控報警裝置接至運行人員工作站，便于及時發(fā)現(xiàn)儲油柜油位異常情況[4]。

圖1 新型變壓器儲油柜油位在線監(jiān)測系統(tǒng)圖

3.2 超聲波傳感器安裝設(shè)計

傳感器安裝在儲油柜上方，基于變壓器既有結(jié)構(gòu)“無改動”設(shè)計思路，在不改動變壓器既定結(jié)構(gòu)、不影響原有系統(tǒng)運行的情況下，僅僅是在儲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)測方法難以觸達的儲油柜空腔內(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油柜頂部法蘭盤中心處，根據(jù)圖1中的序號2所示，其采用自鎖固定裝置，超聲裝置擰緊不受外載荷時的固定裝置由套筒螺栓、鎖緊環(huán)以及螺帽構(gòu)成[6]。當受到振動、松動等外部工況影響時，套筒螺栓會相對于螺帽向上有一個位移，這樣會將鎖緊環(huán)水平方向拉緊以限制套筒螺栓和螺帽的相對運動，達到固定及密封套筒螺栓內(nèi)超聲探頭的目的，進一步強化了傳感器安裝的密封性[7]。

3.3 數(shù)據(jù)信息自動分析方案

為了充分利用油溫、油位等多參量的數(shù)據(jù)價值進行融合分析，數(shù)據(jù)信息自動分析采用深度神經(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)訓練域信息[8]，然后遷移至經(jīng)濕度、溫度、油位信息訓練的多層感知機網(wǎng)絡(luò)，形成新的多參量融合網(wǎng)絡(luò)，通過橫縱向數(shù)據(jù)對同一儲油柜現(xiàn)象相互印證與制約，使訓練效果比普通單一數(shù)據(jù)訓練有了明顯提升，錯誤率在相同訓練時間下有了明顯降低[9]。多域遷移學習流程見圖2。

圖2 多域遷移學習流程圖

新型變壓器儲油柜實現(xiàn)了對儲油柜油位的實時在線監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)除了進行故障的同步判斷、預警及定位功能，也可以進一步對變壓器的運行提供更為全面的狀態(tài)評價信息。相較于傳統(tǒng)方式下人工每日進行一次的抄錄儲油柜單一油位信息，變壓器儲油柜在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)任意需求頻次的儲油柜油位信息記錄，從而形成顆粒度更加精細的狀態(tài)評價信息。

3.4 超聲波傳感器抗干擾能力設(shè)計

由于變壓器本體存在高強度電磁干擾，為避免超聲波傳感器內(nèi)部損壞，提高數(shù)據(jù)傳輸準確性，采用多場域屏蔽的抗強電磁干擾監(jiān)視單元和基于高耐受元件的抗浪涌電源，通過高導磁率材料屏蔽、靜電屏蔽等措施進行電場和磁場的抗干擾，同時，電源線會因現(xiàn)場高壓設(shè)備的操控而產(chǎn)生高強度浪涌。本方案通過增加一個高耐受電子保險絲F1，加強保護壓敏電阻的耐受能值，實現(xiàn)對高強度浪涌的有效防護，浪涌保護框見圖3。

圖3 浪涌保護原理框圖

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

本文設(shè)計的新型變壓器儲油柜油位在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝應(yīng)用于銀川東換流站12臺換流變壓器，實現(xiàn)對運行中的換流變壓器儲油柜油位持續(xù)在線監(jiān)測。截至目前，通過該在線監(jiān)測系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)油管路破損漏油故障3次，有效避免了故障進一步發(fā)展導致直流閉鎖事故。本設(shè)計在實現(xiàn)對換流變壓器儲油柜油位監(jiān)測的同時有效提高了運維人員的工作效率。以銀川東換流站為例，對雙極12臺換流變壓器儲油柜單次巡視由4人2 h降低至1人0.1 h，切實減少了運維人員的日常工作量，極大地節(jié)省了時間成本及人工成本[10]。本設(shè)計方案油位信息采集系統(tǒng)及分析告警系統(tǒng)見圖4。

圖4 儲油柜油位分析告警系統(tǒng)

5 結(jié)束語

本文通過對傳感器及其安裝設(shè)計、復雜環(huán)境電磁兼容、多參量融合分析等方面進行研究，成功開發(fā)出一套適用于油浸式變壓器儲油柜的實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可全天候?qū)崟r監(jiān)測變壓器儲油柜油位信息并進行統(tǒng)計分析處理，進而實現(xiàn)告警、故障定位等功能。該在線監(jiān)測系統(tǒng)有效解決了運維人員現(xiàn)場油位抄錄難的問題，消除了運維人員進入換流站抄錄數(shù)據(jù)時存在的安全隱患，提升了現(xiàn)場人員的設(shè)備運維效率，進一步提高了電網(wǎng)的安全運行水平。