基于雙壓強傳感器變壓器油位檢測系統的研究與應用

徐心怡 曹俊偉 吳 平 宋人杰 施家煒 李小龍

1．國網上海市電力公司奉賢供電公司；2．國網上海市電力公司電力科學研究院

0 引言

在35kV～220kV的變電站中，主變壓器以油浸式變壓器為主。油浸式變壓器上配置的傳統油位計（管式油位計和指針式油位計）在現場不停電的情況下缺少有效的計量校驗手段，一旦油位計故障失效，將引起“假油位”現象[1]。“假油位”現象會導致巡檢人員錯判油位，一方面會造成不必要的停電補放油檢修，另一方面會延誤油位異常缺陷的發現，危害變壓器的安全運行[2]。

目前有兩種方法能夠在變壓器運行情況下帶電檢測油位，從而校驗油位計的準確性。一種是塑料連通管方法，另一種是采用紅外測溫成像方法。塑料連通管方法是在氣體繼電器的放氣孔處外接連通管，從而觀察變壓器的實際油位，如圖1所示。該方法測量結果直觀，但測量過程煩瑣，存在高處墜落、觸電等安全風險。紅外測溫成像方法是使用紅外熱成像儀測量儲油柜表面溫度，通過分析熱成像圖確定儲油柜中油位高度，如圖2所示。該方法操作安全方便，但測量結果易受環境溫度和觀察視角的影響。

圖1 塑料連通管方法

圖2 紅外測溫成像方法

本文基于雙壓強傳感器檢測原理，設計開發了一套變壓器油位檢測系統，能夠定量、實時、遠程測量變壓器油位，實現帶電情況下對傳統油位計的有效比對校驗，避免“假油位”現象的發生。

1 雙壓強傳感器檢測方法的原理

雙壓強傳感器檢測方法是在儲油柜放油管下部按一定高度差取兩個測點，分別安裝壓強傳感器。通過測量兩個測點處變壓器油的壓強，來計算儲油柜內變壓器油的高度。這種方法能夠有效排除儲油柜內因溫度分布不均帶來的變壓器油密度誤差[3]。

圖3 雙壓強傳感器檢測方法的原理圖

2 油位檢測系統的設計開發

基于雙壓強傳感器檢測原理的油位檢測系統由信號采集模塊、現場控制器和數據分析平臺三個部分組成。

(1)信號采集模塊

信號采集模塊的安裝示意圖和實物圖分別如圖4、圖5所示。信號采集模塊內部封裝了兩個高精度壓強傳感器（工作溫度范圍為-20℃～160℃），為了屏蔽變壓器周圍的強電磁干擾，陶瓷式壓強傳感器的輸出選用標準電流模式4mA～20mA[4]。外殼由不銹鋼材料制成并涂環氧漆，外形尺寸為75mm×45mm×1000mm（長×寬×高）。信號采集模塊與儲油柜放油管通過不銹鋼波紋管連接，不銹鋼波紋管的一端與儲油柜放油管閥門法蘭連接，另一端采用快速接頭與信號采集模塊連接[5]。信號采集模塊底部配置防水航空插頭用于采集數據。采用U型卡將信號采集模塊垂直固定于儲油柜放油管上。

圖4 信號采集模塊的安裝示意圖

圖5 信號采集模塊的實物圖

(2)現場控制器和遠程傳輸

現場控制器與信號采集模塊之間通過帶鎧屏蔽電纜連接，對壓強采集信號進行實時處理和遠程傳輸，其結構示意圖和實物圖如圖6和圖7所示。

信號發射模塊和信號接收模塊分別用于信號的發射和接收。數模轉換模塊用于數字信號和模擬信號的轉換。數據處理模塊用于現場控制器的控制以及信號采集模塊的信息處理。遠程通信模塊用于數據分析平臺與現場控制器之間的通信。狀態顯示模塊用于顯示變壓器儲油柜內油位的狀態信息。

圖6 現場控制器的結構示意圖

圖7 現場控制器的實物圖

為了實現數據的遠程傳輸，在變電站內設置RS485無線中繼器，與現場控制器之間實現短距離的數據雙向無線傳輸。RS485無線中繼器與數據分析平臺之間采用GPRS方案實現遠距離的數據無線傳輸，如圖8所示。

圖8 遠程通信的結構示意圖

(3)數據分析平臺

數據分析平臺通過上位機的數據處理功能和人機對接工作，實現按時抄表、數據記錄和智能分析，并形成運行曲線圖。在數據分析的基礎上，加入專家診斷系統。通過對不同的變壓器和季節、氣溫等周期性數據的匯總，將“變壓器參數”、“儲油柜參數”、“氣溫”、“油溫”等由數據接口導入至專家診斷系統，用大數據積累運算儲油柜參數設計的合理性，得出設計冗余度是否符合設備運行實際工況，并給出運行建議。

(4)油位檢測系統的安裝測試

在某±500kV直流站和2Y/D備用換流變上進行油位檢測系統的安裝測試。將儲油柜直徑、信號采集模塊安裝高度、信號采集模塊測量點與儲油柜底部之間的高度差、環境溫度等參數輸入至油位檢測系統，設置油位報警條件為油位低于10%。

將透明PU管插入信號采集模塊頂部的專用氣動快速接頭，透明PU管引出至油枕頂部（并超出頂部高度）。根據連通器原理，透明PU管中變壓器油與儲油柜中變壓器油的油位保持一致，如圖9所示。測量前對換流變自帶的指針式油位計進行油位比例標定，便于與油位檢測系統的顯示油位進行比較。

圖9 利用透明PU管反映儲油柜的實際油位

表1 油位檢測系統運行記錄表

在換流變的運行過程中，對油溫、透明PU管顯示的實際油位、油位檢測系統的測量油位和指針式油位計的測量油位進行記錄，如表1所示。

從測試結果來看，經過3個月的實際運行，油位檢測系統的測量誤差在1%以內，可以滿足日常油位巡檢工作的要求，且誤差遠小于油位指示計。

9月7日，油位檢測系統發出故障狀態報警，故障報警燈亮，顯示油位低于儲油柜底部39．8cm；但此時儲油柜的指針式油位計仍顯示油位為15%左右，如圖10所示。經確認，此次油位報警的原因是站內搶修時將極2Y/D備用換流變的油抽出，注入到極1Y/Y備用換流變中，即指針式油位計出現“假油位”現象。檢查后發現，該指針式油位計浮球被卡住，導致指針指示錯誤。由此可以看出，該油位測量系統能夠對換流變自帶的油位計進行有效校驗，及時發現油位指示計故障。

圖10 油位檢測系統和指針式油位計的測量結果

3 結語

本文所介紹的基于雙壓強傳感器的變壓器油位檢測系統能夠定量、實時、遠程測量變壓器儲油柜內的油位，測量精度滿足油位判斷的需要，測量過程安全、便捷，彌補了目前對變壓器油位現場實測手段的局限性，便于巡檢人員及時發現油位指示計缺陷，避免“假油位”現象的發生。其測量原理有別于傳統油位計，可以作為油位顯示及二次告警的輔助手段，提高設備整體運行的可靠性。在安裝時不破壞變壓器原有結構，改造難度小，可在35kV及以上油浸式變壓器上推廣使用。