基于双压强传感器变压器油位检测系统的研究与应用

0 引言

在35kV～220kV的变电站中，主变压器以油浸式变压器为主。油浸式变压器上配置的传统油位计（管式油位计和指针式油位计）在现场不停电的情况下缺少有效的计量校验手段，一旦油位计故障失效，将引起“假油位”现象[1]。“假油位”现象会导致巡检人员错判油位，一方面会造成不必要的停电补放油检修，另一方面会延误油位异常缺陷的发现，危害变压器的安全运行[2]。

目前有两种方法能够在变压器运行情况下带电检测油位，从而校验油位计的准确性。一种是塑料连通管方法，另一种是采用红外测温成像方法。塑料连通管方法是在气体继电器的放气孔处外接连通管，从而观察变压器的实际油位，如图1所示。该方法测量结果直观，但测量过程烦琐，存在高处坠落、触电等安全风险。红外测温成像方法是使用红外热成像仪测量储油柜表面温度，通过分析热成像图确定储油柜中油位高度，如图2所示。该方法操作安全方便，但测量结果易受环境温度和观察视角的影响。

图1 塑料连通管方法

图2 红外测温成像方法

本文基于双压强传感器检测原理，设计开发了一套变压器油位检测系统，能够定量、实时、远程测量变压器油位，实现带电情况下对传统油位计的有效比对校验，避免“假油位”现象的发生。

1 双压强传感器检测方法的原理

双压强传感器检测方法是在储油柜放油管下部按一定高度差取两个测点，分别安装压强传感器。通过测量两个测点处变压器油的压强，来计算储油柜内变压器油的高度。这种方法能够有效排除储油柜内因温度分布不均带来的变压器油密度误差[3]。

如图3所示，两个测点之间的高度差为，压强测量值分别为

式中：、分别为两个测点处变压器油的密度；、分别为两个测点到油面的高度差，为重力加速度。

图3 双压强传感器检测方法的原理图

由于较小，因此两个测点之间的油段可视为密度均匀，即。由此可得出

根据两个测点的压强测量值、，以及两个测点的高度差（标定值），即可计算出1号测点与变压器油面之间的高度差。

2 油位检测系统的设计开发

基于双压强传感器检测原理的油位检测系统由信号采集模块、现场控制器和数据分析平台三个部分组成。

(1)信号采集模块

信号采集模块的安装示意图和实物图分别如图4、图5所示。信号采集模块内部封装了两个高精度压强传感器（工作温度范围为-20℃～160℃），为了屏蔽变压器周围的强电磁干扰，陶瓷式压强传感器的输出选用标准电流模式4mA～20mA[4]。外壳由不锈钢材料制成并涂环氧漆，外形尺寸为75mm×45mm×1000mm（长×宽×高）。信号采集模块与储油柜放油管通过不锈钢波纹管连接，不锈钢波纹管的一端与储油柜放油管阀门法兰连接，另一端采用快速接头与信号采集模块连接[5]。信号采集模块底部配置防水航空插头用于采集数据。采用U型卡将信号采集模块垂直固定于储油柜放油管上。

图4 信号采集模块的安装示意图

图5 信号采集模块的实物图

(2)现场控制器和远程传输

现场控制器与信号采集模块之间通过带铠屏蔽电缆连接，对压强采集信号进行实时处理和远程传输，其结构示意图和实物图如图6和图7所示。

信号发射模块和信号接收模块分别用于信号的发射和接收。数模转换模块用于数字信号和模拟信号的转换。数据处理模块用于现场控制器的控制以及信号采集模块的信息处理。远程通信模块用于数据分析平台与现场控制器之间的通信。状态显示模块用于显示变压器储油柜内油位的状态信息。

图6 现场控制器的结构示意图

图7 现场控制器的实物图

为了实现数据的远程传输，在变电站内设置RS485无线中继器，与现场控制器之间实现短距离的数据双向无线传输。RS485无线中继器与数据分析平台之间采用GPRS方案实现远距离的数据无线传输，如图8所示。

图8 远程通信的结构示意图

(3)数据分析平台

数据分析平台通过上位机的数据处理功能和人机对接工作，实现按时抄表、数据记录和智能分析，并形成运行曲线图。在数据分析的基础上，加入专家诊断系统。通过对不同的变压器和季节、气温等周期性数据的汇总，将“变压器参数”、“储油柜参数”、“气温”、“油温”等由数据接口导入至专家诊断系统，用大数据积累运算储油柜参数设计的合理性，得出设计冗余度是否符合设备运行实际工况，并给出运行建议。

(4)油位检测系统的安装测试

在某±500kV直流站和2Y/D备用换流变上进行油位检测系统的安装测试。将储油柜直径、信号采集模块安装高度、信号采集模块测量点与储油柜底部之间的高度差、环境温度等参数输入至油位检测系统，设置油位报警条件为油位低于10%。

将透明PU管插入信号采集模块顶部的专用气动快速接头，透明PU管引出至油枕顶部（并超出顶部高度）。根据连通器原理，透明PU管中变压器油与储油柜中变压器油的油位保持一致，如图9所示。测量前对换流变自带的指针式油位计进行油位比例标定，便于与油位检测系统的显示油位进行比较。

图9 利用透明PU管反映储油柜的实际油位

表1 油位检测系统运行记录表

在换流变的运行过程中，对油温、透明PU管显示的实际油位、油位检测系统的测量油位和指针式油位计的测量油位进行记录，如表1所示。

从测试结果来看，经过3个月的实际运行，油位检测系统的测量误差在1%以内，可以满足日常油位巡检工作的要求，且误差远小于油位指示计。

9月7日，油位检测系统发出故障状态报警，故障报警灯亮，显示油位低于储油柜底部39．8cm；但此时储油柜的指针式油位计仍显示油位为15%左右，如图10所示。经确认，此次油位报警的原因是站内抢修时将极2Y/D备用换流变的油抽出，注入到极1Y/Y备用换流变中，即指针式油位计出现“假油位”现象。检查后发现，该指针式油位计浮球被卡住，导致指针指示错误。由此可以看出，该油位测量系统能够对换流变自带的油位计进行有效校验，及时发现油位指示计故障。

图10 油位检测系统和指针式油位计的测量结果

3 结语

本文所介绍的基于双压强传感器的变压器油位检测系统能够定量、实时、远程测量变压器储油柜内的油位，测量精度满足油位判断的需要，测量过程安全、便捷，弥补了目前对变压器油位现场实测手段的局限性，便于巡检人员及时发现油位指示计缺陷，避免“假油位”现象的发生。其测量原理有别于传统油位计，可以作为油位显示及二次告警的辅助手段，提高设备整体运行的可靠性。在安装时不破坏变压器原有结构，改造难度小，可在35kV及以上油浸式变压器上推广使用。