新型變壓器儲油柜油位在線監測系統的研制與應用

崔 鵬，王玄之，陸洪建

（國網寧夏檢修公司，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測功能，現場僅能通過油位表來判斷儲油柜運行狀態，該方法無法避免“假油位”現象的出現，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，若不能及時發現異常，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，國內外直流輸電系統已發生多起因未及時發現油位異常而導致的直流閉鎖事故，造成了極大的經濟損失，如何實現儲油柜運行狀態在線監測成為亟待解決的問題。由于變壓器儲油柜結構固定、不可改變，傳統的傳感器安裝方法難以在儲油柜上實現，并且變壓器周圍電磁環境的復雜性嚴重制約著通信質量及數據傳輸精度，加之目前儲油柜運行狀態監測數據處理相關技術領域處于空白階段，儲油柜在線監測系統的研究面臨巨大挑戰[1]。

1 傳統變壓器儲油柜油位檢測方法及發展現狀

1.1 傳統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

現有的變壓器油位測量多采用傳統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，將浮球位移量轉化為指針的偏移量顯示于現場的表計中，從而實現液位的遠距離監測和控制。

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換成測量信號。該信號經過放大、模數轉換、處理運算后可得到標準的油位參數。

1.2 國內外研究現狀

目前，國內外相關變電站及換流站油浸式變壓器大多數采用膠囊式儲油柜。傳統的儲油柜監測方法只是進行單一原理的油位監測，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，其不足之處在于：油位測量裝置檢測精度不高，發生故障時檢修困難，檢測中穩定性不高，易受環境因素影響，在運行過程中常出現假油位現象，容易引起錯誤判斷。

目前，隨著電力設備對產品性能和穩定性要求的不斷提高，非接觸式油位測量技術已經被廣泛接受，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測，可以及時發現油位異常的情況[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射短促的聲脈沖時，經過時間t，換能器便可以接收到從液面反射回來的回波聲脈沖。設換能器發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。設換能器發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測系統設計

3.1 總體設計方案

該新型變壓器儲油柜油位在線監測系統見圖1。根據圖1所示，其主要包括儲油柜頂部法蘭盤、超聲波傳感器、數據采集分析裝置、通信裝置和監控報警裝置。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電流至就地數據采集分析裝置。數據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、光電轉換模塊、TCP/IP網絡電口接入模塊，監控報警裝置接至運行人員工作站，便于及時發現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測系統圖

3.2 超聲波傳感器安裝設計

傳感器安裝在儲油柜上方，基于變壓器既有結構“無改動”設計思路，在不改動變壓器既定結構、不影響原有系統運行的情況下，僅僅是在儲油柜檢修口封堵法蘭上加裝專用傳感器，即可在常規監測方法難以觸達的儲油柜空腔內傳遞出較為全面的監視信息[5]。

根據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、鎖緊環以及螺帽構成[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 數據信息自動分析方案

為了充分利用油溫、油位等多參量的數據價值進行融合分析，數據信息自動分析采用深度神經網絡的橫縱向數據分析方法和卷積神經網絡訓練域信息[8]，然后遷移至經濕度、溫度、油位信息訓練的多層感知機網絡，形成新的多參量融合網絡，通過橫縱向數據對同一儲油柜現象相互印證與制約，使訓練效果比普通單一數據訓練有了明顯提升，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了對儲油柜油位的實時在線監測，監測數據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評價信息。相較于傳統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測系統可以實現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評價信息。

3.4 超聲波傳感器抗干擾能力設計

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部損壞，提高數據傳輸準確性，采用多場域屏蔽的抗強電磁干擾監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，電源線會因現場高壓設備的操控而產生高強度浪涌。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測系統應用

本文設計的新型變壓器儲油柜油位在線監測系統安裝應用于銀川東換流站12臺換流變壓器，實現對運行中的換流變壓器儲油柜油位持續在線監測。截至目前，通過該在線監測系統及時發現油管路破損漏油故障3次，有效避免了故障進一步發展導致直流閉鎖事故。本設計在實現對換流變壓器儲油柜油位監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，極大地節省了時間成本及人工成本[10]。本設計方案油位信息采集系統及分析告警系統見圖4。

圖4 儲油柜油位分析告警系統

5 結束語

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