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(shù)，研究出一套方案有效地監(jiān)測儲油柜內(nèi)膠囊破裂、油面高度、補(bǔ)償體積等，為變壓器儲油柜增加新的有效的監(jiān)測手段，為變壓器大修技改提供成熟的解決方案。

關(guān)鍵詞：變壓器；儲油柜；在線監(jiān)測技術(shù)；光纖傳感器；超聲波；無線通信 文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)最重要的資產(chǎn)之一，儲油柜是油浸電力變壓器配套關(guān)鍵性組件，也是電力變壓器必備的保護(hù)性器件。儲油柜內(nèi)膠囊破裂、波紋管被卡出現(xiàn)破裂、油位計(jì)出現(xiàn)故障等，影響變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時造成了大型變壓器的非計(jì)劃停運(yùn)。

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(jiān)測方案，實(shí)時監(jiān)測儲油柜內(nèi)工作狀況，如在線油液面高度、膠囊破裂狀況、補(bǔ)償體積等。

2 國內(nèi)外研究情況

關(guān)于變壓器膠囊破裂監(jiān)測技術(shù)的研究，國內(nèi)外已經(jīng)做過許多的基礎(chǔ)研究工作，但研究成果僅應(yīng)用在國外的電力變壓器項(xiàng)目中，如國外有意大利CEDASPE公司生產(chǎn)的CPR型磁接觸式氣動繼電器對氣囊完整度進(jìn)行監(jiān)測，如新疆特變（已收購了沈變）、保變、西變的海外項(xiàng)目，并且這些項(xiàng)目都配合使用進(jìn)口高質(zhì)量真空膠囊，在國內(nèi)尚未重視對變壓器膠囊的監(jiān)測。

3 技術(shù)原理

3.1 光的全反射

全反射：又稱全內(nèi)反射，指光由光密介質(zhì)射到光疏介質(zhì)的界面時，全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。如圖1所示，公式為n=sin90。/sinc=1/sinc（sinc=1/n，c為臨界角），當(dāng)光射到兩種介質(zhì)界面只產(chǎn)生反射而不產(chǎn)生折射的現(xiàn)象，在入射角增大到某一數(shù)值時，折射角將達(dá)到90度，這時在光疏介質(zhì)中將不出現(xiàn)折射光線，只要入射角大于或等于上述數(shù)值時，均不再存在折射現(xiàn)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(jī)械波稱為超聲波，它的特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)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(qiáng)，具有一定的方向性，傳輸過程中衰減較小，反射能力較強(qiáng)，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(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)，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(guān)系式（1）：

式中：T為實(shí)際溫度，單位為℃；v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，單位為m/s。

3.3 不規(guī)則柱狀體體積計(jì)算

4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

4.1 儲油柜漏油監(jiān)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(xiàn)象，發(fā)射出去的光全部反射回來，形成光路平衡。如果有折射現(xiàn)象，就打破了光路平衡，光纖傳感器就會發(fā)出報(bào)警信號，測量儲油柜膠囊破裂漏油就是利用了這一特征現(xiàn)象。

如果沒有變壓器油泄露，發(fā)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(fā)生改變，導(dǎo)致光線發(fā)散，返回到光纖傳感器的光線量減少，導(dǎo)致回路不平衡并引發(fā)報(bào)警信號。

漏油監(jiān)測采用光纖傳感器，不受安裝位置限制，確保漏油時立即報(bào)警，傳感器體積較小，可以彎曲，可以長距離傳輸探測結(jié)果，反應(yīng)時間短，使用壽命長，具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性、抗干擾性，對現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

4.2 儲油柜油位監(jiān)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(qiáng)，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(zhì)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無需在儲油柜內(nèi)安裝測量裝置，非接觸性測量，性能穩(wěn)定安全可靠，響應(yīng)時間短，可以方便地實(shí)現(xiàn)無滯后的實(shí)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(nèi)的油面監(jiān)測，安裝簡單方便。

4.3 儲油柜油位補(bǔ)償體積

將超聲波測量出的油位位置，結(jié)合變壓器儲油柜的具體尺寸和變壓器儲油柜油位標(biāo)準(zhǔn)，利用三重積分的計(jì)算方法，編寫相關(guān)計(jì)算程序，依據(jù)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(jì)算公式可算出儲油柜內(nèi)油位補(bǔ)償體積，現(xiàn)場檢修人員在得到油的補(bǔ)償體積后，有助于提高現(xiàn)場注油的工作效率。

5 具體設(shè)計(jì)方案

變壓器儲油柜監(jiān)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(jī)及其驅(qū)動電路組成。主站由服務(wù)器、無線接收裝置、應(yīng)用軟件（變壓器儲油柜在線監(jiān)測系統(tǒng)）及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫組成。

數(shù)據(jù)采集控制電路CPU采用STC系列單片機(jī)，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(qū)動電路相連接，電源模塊采用工業(yè)級5V和24V開關(guān)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(jī)，單片機(jī)經(jīng)過信號處理及數(shù)據(jù)分析后，經(jīng)GPRS無線模塊傳至后臺數(shù)據(jù)監(jiān)控中心和相關(guān)檢修負(fù)責(zé)人手機(jī)上，后臺監(jiān)控中心收到大量的數(shù)據(jù)后，建立起多個變壓器儲油柜運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析后可得到變壓器儲油柜的性能和質(zhì)量，為變電檢修人員和物質(zhì)采購人員提供可靠的參考依據(jù)。

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(shù)據(jù)，經(jīng)過分析計(jì)算后，這些大量的數(shù)據(jù)記錄，能有效監(jiān)測變壓器儲油柜內(nèi)膠囊是否有破裂、儲油柜內(nèi)油位狀態(tài)、油位補(bǔ)償體積、儲油柜內(nèi)溫濕度狀況、現(xiàn)場油位計(jì)是否損壞等，為檢修人員及用戶在檢修時提供參考依據(jù)。

6 技術(shù)應(yīng)用情況及改進(jìn)措施

2015年10月，該監(jiān)測裝置已在河南省電力公司官渡500kV變電站投入試運(yùn)行，目前運(yùn)行狀況正常，每隔一個小時將變壓器儲油柜運(yùn)行的數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)庫已積累少量的數(shù)據(jù)，可對儲油柜內(nèi)的油位及溫濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖分析。

通過現(xiàn)場運(yùn)行的情況的總結(jié)，提出了改進(jìn)方案，一是監(jiān)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(shè)計(jì)時，要求打壓測試；二是該裝置需要進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)，確保在復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境下運(yùn)行正常。

7 結(jié)語

通過研究變壓器儲油柜在線監(jiān)測技術(shù)，可以為變壓器儲油柜膠囊破裂漏油、油位計(jì)故障及補(bǔ)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(fā)生，有力保障了大型油浸式變壓器的安全運(yùn)行；有助于及時發(fā)現(xiàn)變壓器儲油柜的內(nèi)部隱患并快速修復(fù)，避免變壓器事故，對于變壓器的安全運(yùn)行和管理都有重要意義。

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作者簡介：李璐（1980-），男，河南鄭州人，國網(wǎng)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(shù)研究和管理；蘭琦（1976-），男，河南鄭州人，國網(wǎng)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(shù)研究和管理；趙玉才（1984-），男，河南鄭州人，河南恩湃電力技術(shù)有限公司專工，工程師，研究方向：電氣設(shè)備在線監(jiān)測的研究、開發(fā)和應(yīng)用；趙玉富（1976-），男，河南鄭州人，國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院專工，高級工程師，工學(xué)碩士，研究方向：電能計(jì)量及變電檢修技術(shù)研究和管理；胡潤閣（1989-），男，河南開封人，國網(wǎng)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(shù)研究和管理。

（責(zé)任編輯：蔣建華）