昆明供電局 李政清 羅福強(qiáng) 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(jì)，變壓器的油位指示以及油位異常信號均由此油位計(jì)實(shí)現(xiàn)。但油位正常和異常情況均通過同一設(shè)備進(jìn)行判斷，設(shè)計(jì)冗余不足，在運(yùn)行時(shí)有可能出現(xiàn)故障。變壓器可能有隱性漏油點(diǎn)，比如變壓器油的在線檢測系統(tǒng)，埋在底部的進(jìn)出油管發(fā)生絕緣油的緩慢滲漏，這時(shí)如果油位計(jì)卡死無法指示變壓器的實(shí)際油位，運(yùn)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(dāng)變壓器油下降到膠囊膨脹至最大體積時(shí)，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(diǎn)處壓入變壓器內(nèi)部，細(xì)微的空氣泡將隨機(jī)地進(jìn)入到套管升高座、油枕內(nèi)部，并進(jìn)入瓦斯繼電器，發(fā)出輕瓦斯動作信號。而由于油位計(jì)此時(shí)顯示的油位在“正?！狈秶鷥?nèi)，漏油點(diǎn)比較隱蔽，短時(shí)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(yùn)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(jì)指示的油位與真實(shí)的油位不相符，難以發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的隱患。當(dāng)油位計(jì)油位小于真實(shí)油位時(shí)，檢修人員對變壓器儲油柜進(jìn)行補(bǔ)油工作，以油位計(jì)指示為準(zhǔn)增加油量至“正?！庇臀缓螅瑑τ凸裰械膶?shí)際油量就會很多，此時(shí)如果環(huán)境溫度升高或負(fù)荷增大，油受熱膨脹，就會從變壓器的壓力釋放器噴出；當(dāng)油位計(jì)油位大于真實(shí)油位時(shí)，儲油柜油位計(jì)指示油位為“正?！?，但實(shí)際油位已處于很低的位置，這種情況會導(dǎo)致變壓器內(nèi)部繞組和外殼的絕緣強(qiáng)度不足，此時(shí)最先裸露的套管將會對外殼放電，導(dǎo)致設(shè)備的非計(jì)劃停運(yùn)。

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(diǎn)。

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(yùn)行變壓器油溫變化對油位的影響。

三是變壓器的設(shè)計(jì)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(dāng)由專業(yè)的操作人員在技術(shù)支持下開展，而維護(hù)人員在進(jìn)行補(bǔ)油等工作時(shí)沒有按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或是沒有嚴(yán)格要求自身操作，導(dǎo)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(jī)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(diǎn)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(qiáng)。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(qiáng)度是不一樣的。同理，不同介質(zhì)產(chǎn)生的回反射波強(qiáng)也是不同的。不同介質(zhì)會采用一種既有的公式進(jìn)行計(jì)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(shí)，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(shí)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(jì)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(jìn)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(shí)候會產(chǎn)生反射能量，反射回波在回彈的時(shí)候會接觸到第二個(gè)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(shí)間與產(chǎn)生第二次反射能量的時(shí)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(diǎn)是測量時(shí)無須對被測油枕進(jìn)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(shí)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(shí)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(bǔ)償

采用超聲波技術(shù)進(jìn)行油位測量的過程中，會因?yàn)楦鞣N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(zhǔn)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(zhǔn)度十分關(guān)鍵。為了保證測量過程中不會因各項(xiàng)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(jìn)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(kuò)散的速度應(yīng)當(dāng)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(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)被測量物體的溫度及狀態(tài)對速度計(jì)算公式進(jìn)行調(diào)整。變壓器油在20℃時(shí)，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(dāng)溫度誤差超過3℃時(shí)，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(shí)，這樣測量500mm 的距離時(shí)，以基準(zhǔn)聲速計(jì)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(bǔ)償?shù)姆椒?，可以提高測量的準(zhǔn)確度。采用基于溫度測量補(bǔ)償?shù)姆椒?，借助溫度傳感器對溫度加以測量，對聲速進(jìn)行間接補(bǔ)償。單片機(jī)在數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)，要結(jié)合溫度因素，對最終計(jì)算結(jié)果加以修正，達(dá)到提高測量準(zhǔn)確度的目的。

4.2.2 直達(dá)波干擾

在實(shí)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行超聲波測量的時(shí)候，為了更好地滿足測量的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，可能發(fā)生接收傳感器會直接接收到超聲波，即存在直達(dá)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(jī)干擾

由于變壓器運(yùn)行中一直存在震動，震動所產(chǎn)生的干擾信號具有隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、不確定性等特點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生的干擾信號往往時(shí)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?yàn)楦蓴_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(shí)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(jìn)行求平均值的操作保證整體的數(shù)據(jù)更加接近真實(shí)的狀態(tài)。而為了保證測量結(jié)果以及其平均值的精準(zhǔn)度，會采用連續(xù)測兩次的方式，并將五次測量的結(jié)果進(jìn)行求平均值，平均值代表的數(shù)據(jù)則會更加接近真實(shí)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(gè)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(dāng)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(jì)的變壓器油位測量儀采用回波測距原理設(shè)計(jì)，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(jìn)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(jì)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(jì)

主變油枕普遍在3m 以上，運(yùn)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(jìn)行測量時(shí)，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(jìn)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(jì)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(shí)油位，有效避免未及時(shí)發(fā)現(xiàn)油位異常而導(dǎo)致缺陷進(jìn)一步發(fā)展，造成設(shè)備的非計(jì)劃停運(yùn)，甚至造成嚴(yán)重的電網(wǎng)事故。工作中在主變檢修時(shí)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(shí)現(xiàn)油位的實(shí)時(shí)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。