基于多普勒超聲波流量計的重瓦斯信號在線監測方法分析

霍丹，李國強

（1.廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2.廣東電網有限責任公司機巡管理中心，廣東 廣州 510000）

瓦斯繼電器是變壓器的主要保護裝置，安裝在變壓器油箱與儲油柜的連接管上，能有效反映變壓器的內部故障。瓦斯繼電器被大量應用于變壓器保護，對電力系統的安全運行具有至關重要的作用。根據DL／T 540-2013《氣體繼電器校驗規程》規定，瓦斯繼電器的校驗周期為5年。瓦斯繼電器浸泡在變壓器油中，油流長期對瓦斯繼電器擋板產生的沖擊力會使其彈簧產生金屬疲勞，隨著時間的推移，瓦斯繼電器的動作定值會發生變化,因此，長期運行的瓦斯繼電器可能出現誤動或拒動等情況。目前瓦斯繼電器的校驗方法需變壓器停電，將瓦斯繼電器拆下，送到實驗室進行校驗。隨著對電力系統穩定運行要求的不斷提高，瓦斯繼電器的重要性日益體現，瓦斯繼電器校驗方法亟需提升。因此，探索一種檢測速度快、準確率高的在線式檢測主變油流速度的新方法，可以大大提高系統運行的安全性和可靠性，具有重要的研究價值和指導意義。

1 瓦斯繼電器重瓦斯動作原理

瓦斯繼電器的重瓦斯保護由擋板、彈簧、干簧觸點等組成，作用于跳閘。變壓器正常運行時，瓦斯繼電器充滿油，開口杯浸在油內，處于上浮位置，干簧觸點斷開。變壓器內部繞組短路故障、絕緣層毀壞、鐵芯接觸欠佳或多點接地等常見故障會造成大量汽體產生，使變壓器內部壓力大幅升高，并在油枕方位沖擊力下產生大量油流。假如油的流速超出瓦斯的標定值，瓦斯的擋板受正電荷的作用力便會在重瓦斯維護姿勢中動作，使簧片觸點跳閘，與斷路器相互配合，擺脫彈簧摩擦阻力，進而推動磁石向簧片觸點方位移動。相對于制造商對瓦斯的設定值，重汽體調整值通常設置在0.7米/秒和1.5米/秒之間。目前技術方式無法明確變壓器的油流速率，瓦斯產生常見故障和拒動的狀況也無法獲得預警信息。

2 超聲波流量計的基本原理

多普勒式超聲波流量計是利用多普勒效應法工作的一種超聲波流量計。多普勒效應是指一個發送聲波的物件接受并反射另一個物件的聲波。假如發送聲波的物件相對于接受物件來說是移動的，那么接受物件將以它所發送的頻率接受聲波。假如兩個物件之間的相對間距在降低，接受的頻率將比原先強化。假如兩個物件之間的相對間距在強化，接受的頻率便會比原先降低。在超聲多普勒流體測量方式中，超聲發送器是一個固定的聲源，隨流體運動的固體顆粒物做為相對于聲源運動的"觀察者"，但只將射到固體顆粒物上的超聲波反射到信號接收器。發送和接受的聲波之間的頻率差是由于流體中固體顆粒物的運動而造成的聲波的多普勒頻移。這個頻率差與流體的流速成正比，因而可以通過測量頻率差來明確流速[1]。

如圖1所示為多普勒效應原理圖，設超聲波聲速為c,流體中懸浮顆粒物或氣泡的速率與流體運動的速率相同，v和θ為超聲波速和流體運動的速率角。換能器1發射的超聲波信號頻率為f1,經過管道內液體中的懸浮顆粒或氣泡后,頻率發生偏移,此時接收器接收到的信號頻率f2也會發生變化，其表達式如下：

式中，c為流體中的聲速，由于c2?（vcosθ）2，上式可轉變為：

將發射信號頻率和接收信號頻率之差作為多普勒頻率fr，則有：

根據上式可得流速v:

假如管路條件、換能器安裝部位、發送頻率和聲速早已明確，且c、f1和θ為常數，則流體流速和多普勒頻移成正比，其可通過測量流體流速的頻移來明確[6]。

3 超聲波流量計在線使用的可行性

為了驗證在主變壓器中線上應用超聲波流量計的可行性，需開展此類測試。首先，用超聲波流量計和渦街流量計對水流標準設備開展校準，其校準結果為兩表均處在1.0水準。為進一步驗證可行性，我們隨機抽取一塊經鑒定合格的旋進式旋渦流量計，安裝到瓦斯繼電器油流校驗臺的管路中,將超聲波流量計安裝在管道外,以0m/s的速度開始，以0.02m/s的流速上升至2m/s，選取10個測試點將兩者的測量結果進行對比，測試結果如表1所示。

表1 超聲波流量計與旋渦流量計測量數據表

根據《JJG1033-92計量標準考核規范》中關于測量標準的認證要求，假如挑選同樣精度的測量標準，當兩者的測量值分別為m和n、標準性為A時，則應務必達到以下公式要求：

4 超聲波流量計在主變壓器上的應用

超聲波流量計現場安裝在變壓器油箱與儲油柜的連接管上，超聲波流量計在線監測安裝示意圖如圖2所示，其可實現連接管上的油流速度的監測。該類超聲波流量計的安裝方法為外貼式，這種超聲波流量計安裝換能器無需管道斷流,即貼即用,對主變壓器的油流系統無任何影響，也不影響主變壓器及瓦斯繼電器運行的穩定性。超聲波流量計可定量測量連接管內的油流速度，通過數據分析，監測主變的運行情況，實時識別主變運行的異常，在主變壓器重瓦斯動作前就可對主變壓器運行的異常情況提前預警。流量計可設定油流報警值，可在瓦斯繼電器重瓦斯拒動時及時預警，防止因瓦斯繼電器拒動而造成更大的事故。另外，當瓦斯繼電器重瓦斯動作時，該流量計可監測重瓦斯的動作值，能夠有效識別出瓦斯繼電器誤動和拒動等情況，從而實現了瓦斯繼電器流速定值的在線校驗。

圖2 超聲波流量計在線監測安裝示意圖

5 結論

針對目前瓦斯繼電器運行動作不可靠、校驗設備耗資昂貴、需停電拆裝校驗等問題，本文所提出的基于多普勒超聲流量計重瓦斯信號在線監測方法具有以下特點：

（1）通過多普勒超聲流量計安裝在主變壓器油流管道上，可實現對主變油流的在線監測，可實時定量測量油流速度，為運行人員監測主變運行狀態提供了可視、可靠的數據支撐，提高了變壓器運行的可靠性。

（2）多普勒超聲流量計測量的油流速度與瓦斯繼電器重瓦斯跳閘信號對應流速為同一物理量，可在線校驗瓦斯繼電器，并能有效識別瓦斯繼電器的誤動及拒動。此方法簡化了校驗流程，大大提升了工作效率，有益于系統的安全平穩運行。

（3）該方法安裝簡便，為外貼式，無需管道斷流,即貼即用,對主變壓器的油流系統無任何影響，也不會影響主變壓器及瓦斯繼電器運行的穩定性，適合在電力系統中應用，具有一定的推廣應用價值。