基于超聲測距的變壓器油位在線監(jiān)測技術

劉東陽,朱永燦,李科鋒

(西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中的關鍵設備之一,其是否安全穩(wěn)定運行將直接影響電力供應的穩(wěn)定[1-2]。油浸式變壓器因造價低、適應環(huán)境廣泛、過負荷能力強等優(yōu)點,在電力變壓器中占比很大。油浸式變壓器以油作為主要絕緣手段,并依靠油作冷卻介質(zhì),將油位作為油浸式變壓器的重要監(jiān)測參數(shù)之一,及時發(fā)現(xiàn)油位異常并采取相應措施對于確保電力變壓器安全穩(wěn)定運行具有重要意義[3-4]。

運維人員現(xiàn)場巡檢讀取油位計示數(shù)是目前常規(guī)方法,但其準確性易受檢測人員的經(jīng)驗影響,同時由于油位計進水銹蝕、視窗受污染等因素而導致假油位,無法準確判斷油位高度。特別是對于偏遠地區(qū)的新能源場站變壓器、農(nóng)村配電變壓器等,往往存在設備制造水平低,日常運維管理差,因變壓器油位引起的電力故障時有發(fā)生。針對此類問題,國內(nèi)外學者展開了大量研究:文獻[5]基于壓力傳感器的變壓器油位測量裝置,通過在儲油柜放油管加裝雙壓力傳感器,運用二點壓力差分算法實現(xiàn)對油位的精準測量;文獻[6]提出一種智能在線監(jiān)測系統(tǒng),在遺傳算法優(yōu)化的基礎上通過不同傳感器接收到的數(shù)據(jù)進行加權計算變壓器的健康指數(shù)(HI),在過載、過壓、油溫過高和油位過低等極端情況下,算法可以發(fā)出本地跳閘命令,該系統(tǒng)促進了智能變壓器在配電網(wǎng)中的發(fā)展。文獻[7]針對霧霾天氣下的視頻圖像測量,提出一種暗通道優(yōu)先和顏色空間變換的油位測量方法,測量油位誤差在±1%以內(nèi);文獻[8]基于光纖光柵溫度計與油位計的傳感特性實現(xiàn)變壓器油溫及油位監(jiān)測,為變壓器在復雜環(huán)境下的安全預警、狀態(tài)評估及維修提供依據(jù)。

由于超聲波頻率高、傳播的方向性好、穿透能力強等特性,可用于測距、無損檢測等領域。文獻[9]設計了一種超聲波測距傳感器,可實現(xiàn)在化工、油氣行業(yè)等危險環(huán)境下進行非接觸式距離測量,具有較高的安全水平,同時拓寬了超聲波傳感器在不同領域的應用;文獻[10-11]基于超聲波法設計油位帶電檢測儀,分別實現(xiàn)了充油瓷套內(nèi)部油位、油枕油位的帶電檢測;文獻[12]提出一種超聲波充油設備油位檢測技術,采用軟橡膠作為耦合劑,較好地解決了探頭與油箱壁的耦合問題,采用超聲波第二個回波信號作為油位檢測信號實現(xiàn)油箱油位的簡單、準確測量;文獻[13]基于改進的Levenberg-Marquardt反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(LMBP-ANN)架構算法,通過比較不同深度的實際水位與訓練后的神經(jīng)網(wǎng)絡輸出,驗證了所提模型的有效性,提高了超聲波測量系統(tǒng)的精度。

本文基于超聲測距原理,提出一種針對變壓器儲油柜油位非接觸式在線監(jiān)測技術。首先對超聲波傳感器應用于儲油柜油位監(jiān)測的原理進行了分析,設計開發(fā)了油位遠程在線監(jiān)測裝置,并通過搭建實驗平臺對裝置進行測試與校準,驗證了該監(jiān)測技術的可行性。

1 基于超聲測距的變壓器油位監(jiān)測技術

人耳能聽到的聲波頻率范圍在20 ～20 kHz,頻率大于20 kHz的機械波被稱為超聲波,它的方向性好,穿透能力強,易于獲得較集中的聲能,可用于測距、清洗、碎石、殺菌消毒等[14-16]。縱波可以在氣體、液體和固體中傳播,在測距方面更具優(yōu)勢,基于本文研究對象為變壓器儲油柜油位以及超聲波傳播形式的特點,采用縱波進行測試分析。

超聲波在傳播過程中遇到由不同介質(zhì)組成的界面時會發(fā)生反射、透射現(xiàn)象。聲強作為聲音流動的度量方式,具有幅值和方向,其反射率、透射率表達式如下:

(1)

(2)

式中:IR為聲強發(fā)射率;IT為聲強透射率;Z為介質(zhì)的聲阻抗[17-18],g/(cm2·s);Q235的聲阻抗為4.5×106g/(cm2·s),變壓器油的聲阻抗為1.2×105g/(cm2·s)。

由式(1)、式(2)可得,超聲波在兩種不同介質(zhì)中傳播,聲強反射率IR和聲強透射率IT的大小與從何種介質(zhì)入射無關,可很好地滿足利用超聲波對多介質(zhì)儲油柜進行非接觸式油位測量的需求?；诔暬夭y距技術的變壓器儲油柜油位測量如圖1所示。

圖1 變壓器儲油柜油位測量示意圖

超聲波傳感器安裝于油箱底部,發(fā)射特定頻率的超聲波激勵信號,因不同介質(zhì)聲阻抗存在差異,如鋼-油界面聲強反射率和聲強透射率分別為0.893和0.107,該界面透射系數(shù)較小,聲波大部分能量被反射。本文即利用傳感器接收到的回波信號以及信號傳輸所經(jīng)歷的時間進行油位計算。

2 油位監(jiān)測裝置設計

2.1 總體結構

基于超聲波的變壓器儲油柜油位非接觸式在線監(jiān)測裝置的總體結構如圖2所示,主要包括超聲波傳感器、在線監(jiān)測裝置及輔助管理系統(tǒng)。超聲波傳感器進行儲油柜油位的采集,在線監(jiān)測裝置對油位等數(shù)據(jù)進行信號處理,實時顯示油位,當油位異常時發(fā)出警報;輔助管理系統(tǒng)通過遠距離無線傳輸模塊與在線監(jiān)測裝置進行數(shù)據(jù)傳輸,可以快速判斷油位的異常狀態(tài),當油位上升或泄漏超過預警值時,會發(fā)出報警,同時存儲溫度、濕度、氣壓等環(huán)境數(shù)據(jù),利于后期運行提前預測油位異常故障,保證系統(tǒng)運行的可靠性。

圖2 在線監(jiān)測裝置總體結構

超聲波傳感器為收發(fā)一體式,采用壓電陶瓷晶片,在超聲波的發(fā)射與接收時實現(xiàn)電能與聲能的相互轉換。同一箱體應用兩個相同參數(shù)的超聲波傳感器,分別用作測量探頭和校準探頭,測量探頭安裝于油箱底部;校準探頭安裝于油箱腰部及油位以下位置,用于輔助測量探頭,提高測量精度:需提前設定一個初值,即油箱的長度,隨后啟動自動校準,通過選擇最優(yōu)參數(shù)如聲速、頻率等使其測量值愈接近設定初值,并將最優(yōu)參數(shù)應用于測量探頭實現(xiàn)液位精準測量。

2.2 在線監(jiān)測裝置設計

在線監(jiān)測裝置設計如圖3所示,主要包括超聲波傳感器、發(fā)射與接收電路[19]、MCU、溫度補償電路、串口通信電路、按鍵與顯示電路以及報警電路。

圖3 在線監(jiān)測裝置設計

微控制器MCU提供驅動脈沖,驅動脈沖經(jīng)發(fā)射電路放大等處理后驅動超聲波傳感器,驅動脈沖頻率通過軟件程序調(diào)整,要求能與超聲波傳感器的中心頻率形成良好的共振。由MCU控制定時器發(fā)出4～8個頻率為80～200 kHz、占空比為50%的方波,經(jīng)超聲波發(fā)射電路轉換為激勵脈沖。

接收電路主要是對傳感器接收到的微弱超聲波回波信號進行放大、濾波,提供給MCU進行計數(shù)定時。超聲波接收過程中,會受到外界諸多因素(如溫度、箱體壁厚、噪聲等)的影響,造成接收信號的強度衰減、波形不規(guī)則或失真、信噪比降低等現(xiàn)象[20-21],為提取出清晰的超聲波回波信號,需設計放大電路、濾波電路、增益電路等進行處理。其中放大濾波電路由二階低通濾波和二階高通濾波組成,帶通濾波器通頻帶為80～200 kHz,中心頻率設計為140 kHz,濾波同時具有放大作用。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

基于STM32單片機運行時,首先需要對外部設備如超聲波傳感器、溫度傳感器等進行初始化,與單片機通信異常時發(fā)送異常報告并進行修正,通信正常后初始化STM32、開啟中斷,下發(fā)監(jiān)測指令,LCD顯示屏進入等待界面;當測量探頭無異常時獲取監(jiān)測參數(shù),通過有線傳輸至單片機進行處理,并更新LCD顯示油位高度值;有按鍵操作時,經(jīng)授權后可以人工設置數(shù)據(jù)參數(shù),保存參數(shù)修改后繼續(xù)獲取監(jiān)測參數(shù),更新LCD顯示的油位值,完成精準、實時測量,最后非必須進行停機程序。其主要程序設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

3 試驗與分析

3.1 實驗平臺搭建

為了更準確地控制實際油位進行裝置測試與校準,首先搭建了室內(nèi)實驗平臺,如圖5所示。其中超聲波傳感器進行油位測量,收集油位數(shù)據(jù),通過有線連接方式將數(shù)據(jù)傳輸至在線監(jiān)測裝置;經(jīng)溫度補償,在線監(jiān)測裝置實時顯示油位高度,同時可根據(jù)實際工況進行校準模式選擇與啟動、自動掃頻、參數(shù)修改等操作。超聲波傳感器在安裝時需涂抹超聲波耦合劑,用以減少探頭與被測物之間空氣層影響,提高測量精度。

圖5 室內(nèi)實驗平臺

通過改變金屬桶中油位,讀取實際的液位高度,并記錄監(jiān)測裝置測量的液位高度,不同液位對應的測量數(shù)據(jù)誤差如圖6所示。

圖6 測量數(shù)據(jù)的誤差

由圖6數(shù)據(jù)可得,當實際液位為140 mm時誤差值最大為3.1 mm。為了提高測量精度,對參數(shù)k和b采用一次函數(shù)y=kx+b進行標定,k表示聲速的修正值,取值范圍為0.5～1.5;b表示液位的遷移量。根據(jù)所測量的多組數(shù)據(jù)對測量液位-實際液位進行最小二乘擬合,計算公式如下:

(3)

式中:xa為測量液位的平均值;ya為實際液位的測量值。計算得k=0.98<1,需將聲速系數(shù)修正為初始聲速的0.98倍;b=1.26 mm,因此將遷移量設置為1.3。

圖7為當金屬桶中油位為150 mm時,利用示波器對超聲波發(fā)射與接收信號捕捉到的波形,利用發(fā)射波與第一次接收回波所間隔時間Δx進行油位計算,得此時油位高度為152.6 mm,誤差為2.6 mm,與圖6中測量油位誤差值幾乎一致。

圖7 y=150mm時發(fā)射與接收回波波形

3.2 現(xiàn)場測試

對油位監(jiān)測裝置初始參數(shù)進行標定后進行現(xiàn)場測試,測試平臺如圖8所示?，F(xiàn)場測試應用校內(nèi)110 kV閑置變壓器進行:當前儲油柜實際油位為139.5 mm,油位監(jiān)測裝置讀數(shù)為139.7 mm,誤差僅為0.2 mm。因此該油位監(jiān)測裝置能夠進行儲油柜油位監(jiān)測,測量誤差很小,在0.5 mm范圍內(nèi),滿足精度要求。

圖8 裝置現(xiàn)場測試

4 結 論

本文在分析超聲波測距原理的基礎上,通過設計開發(fā)油位在線監(jiān)測裝置并開展實驗,對基于超聲波的變壓器油位非接觸式監(jiān)測技術進行了研究。試驗結果表明,該在線監(jiān)測技術對儲油柜油位監(jiān)測是可行和有效的,且安裝簡單、測量精度高,為變電站變壓器油位在線監(jiān)測提供參考。