變壓器儲油柜狀況在線監測新技術研究與應用

李璐　蘭琦　趙玉才　趙玉富　胡潤閣

摘要：文章通過采用光纖傳感器、穿透性超聲波傳感器、無線通信等技術，研究出一套方案有效地監測儲油柜內膠囊破裂、油面高度、補償體積等，為變壓器儲油柜增加新的有效的監測手段，為變壓器大修技改提供成熟的解決方案。

關鍵詞：變壓器；儲油柜；在線監測技術；光纖傳感器；超聲波；無線通信 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP29 文章編號：1009-2374（2016）27-0031-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.014

1 概述

變壓器是電網最重要的資產之一，儲油柜是油浸電力變壓器配套關鍵性組件，也是電力變壓器必備的保護性器件。儲油柜內膠囊破裂、波紋管被卡出現破裂、油位計出現故障等，影響變壓器的安全穩定運行，同時造成了大型變壓器的非計劃停運。

目前變壓器儲油柜的類型主要有膠囊式儲油柜、隔膜式儲油柜、波紋管式儲油柜等。但無論哪種儲油柜，目前都沒有一套成熟監測方案，實時監測儲油柜內工作狀況，如在線油液面高度、膠囊破裂狀況、補償體積等。

2 國內外研究情況

關于變壓器膠囊破裂監測技術的研究，國內外已經做過許多的基礎研究工作，但研究成果僅應用在國外的電力變壓器項目中，如國外有意大利CEDASPE公司生產的CPR型磁接觸式氣動繼電器對氣囊完整度進行監測，如新疆特變（已收購了沈變）、保變、西變的海外項目，并且這些項目都配合使用進口高質量真空膠囊，在國內尚未重視對變壓器膠囊的監測。

3 技術原理

3.1 光的全反射

全反射：又稱全內反射，指光由光密介質射到光疏介質的界面時，全部被反射回原介質內的現象。如圖1所示，公式為n=sin90。/sinc=1/sinc（sinc=1/n，c為臨界角），當光射到兩種介質界面只產生反射而不產生折射的現象，在入射角增大到某一數值時，折射角將達到90度，這時在光疏介質中將不出現折射光線，只要入射角大于或等于上述數值時，均不再存在折射現象，這就是全反射。

3.2 超聲波測距

通常把振動頻率20kHz以上的機械波稱為超聲波，它的特征是頻率高、波長短、繞射現象小、方向性好，能夠成為射線而定向傳播。超聲波穿透性較強，具有一定的方向性，傳輸過程中衰減較小，反射能力較強，用途也很廣泛。

超聲波測距的方法有多種，如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本研究采用往返時間檢測法測距，其原理是超聲波傳感器發射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關，測試傳播時間可以得出距離。

假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為t/s，超聲波傳播速度為v/m·s-1表示，則有關系式（1）：

式中：T為實際溫度，單位為℃；v為超聲波在介質中的傳播速度，單位為m/s。

3.3 不規則柱狀體體積計算

4 技術實現方案

4.1 儲油柜漏油監測

本課題采用的光纖傳感器就是利用光的全反射原理，如果沒有光線折射現象，發射出去的光全部反射回來，形成光路平衡。如果有折射現象，就打破了光路平衡，光纖傳感器就會發出報警信號，測量儲油柜膠囊破裂漏油就是利用了這一特征現象。

如果沒有變壓器油泄露，發射光纖的信號全部被反射回來并且被光纖接收器接收。如果變壓器油淹沒了傳感器，光線折射發生改變，導致光線發散，返回到光纖傳感器的光線量減少，導致回路不平衡并引發報警信號。

漏油監測采用光纖傳感器，不受安裝位置限制，確保漏油時立即報警，傳感器體積較小，可以彎曲，可以長距離傳輸探測結果，反應時間短，使用壽命長，具有良好的重復性和長期的穩定性、抗干擾性，對現場環境適應性強。

4.2 儲油柜油位監測

本課題研究的是具有穿透金屬一定厚度的超聲波傳感器，將超聲波傳感器和儲油柜底部通過耦合劑粘接為一體，形成一個新的超聲波傳感器，稱為非接觸式超聲波傳感器，因而穿透能力強，尤其是在對光不透明的固體中，超聲波可穿透幾十米的長度，碰到雜質或界面就會有顯著的反射，超聲波測量液位就是利用了它的這一特征。

采用超聲波技術的優點是無需在儲油柜內安裝測量裝置，非接觸性測量，性能穩定安全可靠，響應時間短，可以方便地實現無滯后的實時測量，測量精度高等。可以用在膠囊式、波紋管式、隔膜式等變壓器儲油柜內的油面監測，安裝簡單方便。

4.3 儲油柜油位補償體積

將超聲波測量出的油位位置，結合變壓器儲油柜的具體尺寸和變壓器儲油柜油位標準，利用三重積分的計算方法，編寫相關計算程序，依據超聲波傳感器測量出的油位，如圖2低于中線以下時，圖3高于中線以上時，采用不同的計算公式可算出儲油柜內油位補償體積，現場檢修人員在得到油的補償體積后，有助于提高現場注油的工作效率。

5 具體設計方案

變壓器儲油柜監測裝置子站和主站組成，子站為安裝在變壓器儲油柜上，分別由光纖傳感器、光纖放大器、穿透性超聲波傳感器、溫濕度傳感器、GPRS無線模塊和單片機及其驅動電路組成。主站由服務器、無線接收裝置、應用軟件（變壓器儲油柜在線監測系統）及其相應的數據庫組成。

數據采集控制電路CPU采用STC系列單片機，與光纖傳感器、穿透性超聲波傳感器和溫濕度傳感器通過驅動電路相連接，電源模塊采用工業級5V和24V開關電源，無線模塊采用西門子GPRS無線模塊。傳感器采集到的信號傳至單片機，單片機經過信號處理及數據分析后，經GPRS無線模塊傳至后臺數據監控中心和相關檢修負責人手機上，后臺監控中心收到大量的數據后，建立起多個變壓器儲油柜運行的狀態數據庫，經過大量數據分析后可得到變壓器儲油柜的性能和質量，為變電檢修人員和物質采購人員提供可靠的參考依據。

該裝置通過光纖傳感器、超聲波傳感器、溫濕度傳感器采集數據，經過分析計算后，這些大量的數據記錄，能有效監測變壓器儲油柜內膠囊是否有破裂、儲油柜內油位狀態、油位補償體積、儲油柜內溫濕度狀況、現場油位計是否損壞等，為檢修人員及用戶在檢修時提供參考依據。

6 技術應用情況及改進措施

2015年10月，該監測裝置已在河南省電力公司官渡500kV變電站投入試運行，目前運行狀況正常，每隔一個小時將變壓器儲油柜運行的數據傳到數據監控中心，數據庫已積累少量的數據，可對儲油柜內的油位及溫濕度等數據進行曲線圖分析。

通過現場運行的情況的總結，提出了改進方案，一是監測裝置信號放大器部分在制作工藝上要求全密封不漏氣，特別是密封設計時，要求打壓測試；二是該裝置需要進行電磁兼容試驗，確保在復雜的電磁干擾環境下運行正常。

7 結語

通過研究變壓器儲油柜在線監測技術，可以為變壓器儲油柜膠囊破裂漏油、油位計故障及補償體積測量等提供一整套有效的解決方案；能有效防止儲油柜膠囊破裂而帶來異常情況的發生，有力保障了大型油浸式變壓器的安全運行；有助于及時發現變壓器儲油柜的內部隱患并快速修復，避免變壓器事故，對于變壓器的安全運行和管理都有重要意義。

參考文獻

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作者簡介：李璐（1980-），男，河南鄭州人，國網河南省電力公司檢修公司副主任，高級工程師，研究方向：變電檢修技術研究和管理；蘭琦（1976-），男，河南鄭州人，國網河南省電力公司檢修公司專工，工程師，研究方向：變電檢修技術研究和管理；趙玉才（1984-），男，河南鄭州人，河南恩湃電力技術有限公司專工，工程師，研究方向：電氣設備在線監測的研究、開發和應用；趙玉富（1976-），男，河南鄭州人，國網河南省電力公司電力科學研究院專工，高級工程師，工學碩士，研究方向：電能計量及變電檢修技術研究和管理；胡潤閣（1989-），男，河南開封人，國網河南省電力公司檢修公司專工，助理工程師，研究方向：變電檢修技術研究和管理。

（責任編輯：蔣建華）