基于超声波探测器的变压器油位检测装置

昆明供电局 李政清 罗福强 张汐 耿齐朋 周瑞 梁凯 杨春孟 付奕槟 马彦兵 李子霞

1 研究背景

目前，部分变压器采用的是胶囊式油枕，配备指针式油位计，变压器的油位指示以及油位异常信号均由此油位计实现。但油位正常和异常情况均通过同一设备进行判断，设计冗余不足，在运行时有可能出现故障。变压器可能有隐性漏油点，比如变压器油的在线检测系统，埋在底部的进出油管发生绝缘油的缓慢渗漏，这时如果油位计卡死无法指示变压器的实际油位，运行人员在日常巡视中无法根据油位曲线判断油位是否正常。当变压器油下降到胶囊膨胀至最大体积时，最关键的油位异常信号无法发出，若任由其发展下去，由于变压器油的热胀冷缩效应，大气压力会将空气从漏油点处压入变压器内部，细微的空气泡将随机地进入到套管升高座、油枕内部，并进入瓦斯继电器，发出轻瓦斯动作信号。而由于油位计此时显示的油位在“正常”范围内，漏油点比较隐蔽，短时间之内很难判断出轻瓦斯动作的原因。此类油枕虽然在特定环境、温度及油温下通过红外成像仪可以辨识出油枕油位，但是对红外成像仪及主变运行环境要求比较高，本文将介绍另一种原理的油位辨识工具。

2 变压器假油位的危害

变压器假油位就是油位计指示的油位与真实的油位不相符，难以发现设备存在的隐患。当油位计油位小于真实油位时，检修人员对变压器储油柜进行补油工作，以油位计指示为准增加油量至“正常”油位后，储油柜中的实际油量就会很多，此时如果环境温度升高或负荷增大，油受热膨胀，就会从变压器的压力释放器喷出；当油位计油位大于真实油位时，储油柜油位计指示油位为“正常”，但实际油位已处于很低的位置，这种情况会导致变压器内部绕组和外壳的绝缘强度不足，此时最先裸露的套管将会对外壳放电，导致设备的非计划停运。

3 油位异常原因分析

通过分析，可以发现造成变压器油位出现异常的因素有以下几点。

一是变压器油长期渗漏会引起变压器油位下降，造成油位偏低。

二是运行变压器油温变化对油位的影响。

三是变压器的设计存在缺陷，不满足变压器油位正常变化的需求。

四是在变压器制造过程中存在工艺质量问题。

五是对于常见油位的检测应当由专业的操作人员在技术支持下开展，而维护人员在进行补油等工作时没有按照相关标准或是没有严格要求自身操作，导致油位异常[1]。

4 超声波油位测量

4.1 超声波油位测量原理

超声波指的就是频率超过20kHz的机械波，由压电效应以及磁致伸缩效应的状态下产生，其可以沿着直线传播，具有穿透障碍物的功能。超声波的特点是其所发出的频率越高绕射能力就越弱，但在此状态下其反射能力会越强。如果在反射或是传播的过程中遇到障碍物，其反射波则会被障碍物吸收掉一部分，并以反射障碍物为基础反射回来一部分能量。其中的障碍物一般称之为介质，超声波在不同介质中产生的反射强度是不一样的。同理，不同介质产生的回反射波强也是不同的。不同介质会采用一种既有的公式进行计算，查看不同介质对超声波产生的能量损耗，如式（1）所示：

式（1）中：α为损耗系数；η为介质切变黏度。由此可以知道，能量一定的超声波在黏度越大的介质中传播，其能量损耗率越大[2]。

超声波在介质中传播时，有较好的方向性，波速与普通声波相同，具有传播过程中能量损失较少、遇到不通介质的分界面时能够形成反射的特性。超声波液位测量方法有多种，如超声波脉冲回波法、共振法、频差法、超声衰减法等。本设计主要采用回波测距原理间接测量液位[3]。

超声波油位探测原理与传统的油位探测有所不同，主要是超声波更像是一种对已存的油位检测形式，其需要将测量所用的探头安装在油枕的底部以及外壁处，利用超声波的可穿透性以及遇障碍物可反弹能量并进行接收的特殊性质。由测量探头将超声波发射到油枕底部的内壁，超声波接触到内壁的时候会产生反射能量，反射回波在回弹的时候会接触到第二个介质，并由此产生第二次反射回波，由此可得油枕内部的油位值如式（2）：

式（2）中：T为产生第一次反射能量的时间与产生第二次反射能量的时间差；V 为超声波在被测量液体中的传播速度。

这种油位测量方法的优点是测量时无须对被测油枕进行开孔或者安装法兰，可以直接从油枕的外部获取内部的液位信息，真正实现非介入式的油位测量。但是，该测量方法的测量精度与探头的接触位置密切相关，超声波的传播方向与油面越垂直测量效果越好。在测量过程中，超声波需要穿过钢壁和变压器油，容易受到油枕油漆涂层、厚度等因素的影响，在实际应用过程对超声波探头发射功率及灵敏度有一定要求。

4.2 超声波在油位测量中的误差和补偿

采用超声波技术进行油位测量的过程中，会因为各种因素而产生干扰影响，如外界因素、被测量体自身因素、设备因素等。而测量的精准度则在一定程度上代表着被测量体后续挖掘及开采的成本，因此测量的精准度十分关键。为了保证测量过程中不会因各项干扰因素而对以最终的测量结果产生影响，以下提出各方面的改进措施。

4.2.1 温度问题

在常规状态下，超声波在同种传播介质中扩散的速度应当保持恒定。但被测量物体的温度及状态会不断产生变化，不可能每一次测量均保持恒定状态，因此在不同情况下进行测量时，应当根据被测量物体的温度及状态对速度计算公式进行调整。变压器油在20℃时，声速约为1390m/s，在室温下，变压器油温度变化1℃，超声波速度变化4m/s。从而可知，对测量误差的影响约为0.28%，当温度误差超过3℃时，液位的测量误差就超过了0.74%，变压器油中声速随温度变化的规律如式（3）：

式（3）中：T为油温。

在油枕变压器油温度为55℃时，这样测量500mm 的距离时，以基准声速计算，就会产生50mm 的误差。由此可见，声速在变压器油中随着温度的变化较大，而通过温度补偿的方法，可以提高测量的准确度。采用基于温度测量补偿的方法，借助温度传感器对温度加以测量，对声速进行间接补偿。单片机在数据运算时，要结合温度因素，对最终计算结果加以修正，达到提高测量准确度的目的。

4.2.2 直达波干扰

在实际测量的过程中，测量的操作及测量的过程均需要按照一定的标准进行，而这个标准则由测量的需求决定，因此满足测量需要是测量中最需要注意的事情。一般在进行超声波测量的时候，为了更好地满足测量的标准与需求，超声波的接收及发射探头距离较近。发射传感器在发射超声波时，可能发生接收传感器会直接接收到超声波，即存在直达波的影响。间波信号会带有这部分信号，这会对回波信号检测产生干扰作用。

4.2.3 随机干扰

由于变压器运行中一直存在震动，震动所产生的干扰信号具有随机性、不稳定性、不确定性等特点，同时产生的干扰信号往往时间较短，在波状图上多呈现出矛刺状。在此基础上的第一次测量结果极有可能因为干扰信号的影响而产生不精确的现象，而如果根据第一次测量的结果对被测量物体下出最终结论，则可能造成测量与实际情况出现较大误差的现象。为了保证干扰信号对测量产生的误差及不良影响降至较低，可以通过多次测量以及对测量结果进行求平均值的操作保证整体的数据更加接近真实的状态。而为了保证测量结果以及其平均值的精准度，会采用连续测两次的方式，并将五次测量的结果进行求平均值，平均值代表的数据则会更加接近真实数据。在得出最终数据的过程中，要去除五次测量中的最大值和最小值，求取剩余三个数据的平均值。这样可以有效保证干扰数据所产生的误差值被消除在平均值当中，降低误差、干扰数据及各种干扰因素对测量结果的不良影响。

4.3 系统原理图

超声波技术设计的变压器油位测量仪采用回波测距原理设计，通过发射超声波的方式将声波在被测量的空间中，让超声波产生能量回弹，并由接收器接受超声波传回的能量回弹数据，对数据进行分析既可以得到超声波在被测量物体或是空间中回弹的速度，由此可以得出具体的距离。需要注意的是超声波在相同的介质中传播的速度相同，因此所产生的数据可以作为直接计算数据使用。该系统主要包括超声波探头、数字显示器、显示模块、处理器、数据接收模块、分析模块，系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图

4.4 结构设计

主变油枕普遍在3m 以上，运行中的主变带电，宜采用伸缩式绝缘杆将探头结合至油枕底部，以保证检测人员的人身安全。绝缘杆和探头之间通过万向接头连接，探头在与被测物接触面的一端连接有磁性条，绝缘杆的周侧设置有数字显示器，数字显示器一侧电性连接有显示灯。在需要对变压器油位进行测量时，先使用绝缘杆连接超声波探测仪贴合到主变油枕底部，超声波探头通过磁条能吸附在外壳上，不依靠人力保持探头紧贴外壳，随后探头会对变压器油位进行检测，根据被测物体内是否为“空腔”状态，显示灯发出不同的信号。如果被测物体内是“空腔”状态，探头处的显示灯常亮，界面显示数值为0，如果被测物体内不是“空腔”状态，数字显示器显示出介质分界面的距离即油位。超声波油位监测装置结构示意图如图2所示。

图2 超声波油位监测装置结构示意图

5 结语

通过对变压器油位检测现状的分析以及超声波液位测试原理的分析，设计一种超声波油位探测装置，可以在不停电的情况下，快速辨别出胶囊式油枕的主变的真实油位，有效避免未及时发现油位异常而导致缺陷进一步发展，造成设备的非计划停运，甚至造成严重的电网事故。工作中在主变检修时检测主变内或套管升高座内是否存在“空气腔”也可以使用此探头。将超声波油位探测仪安装到主变油枕处可以实现油位的实时监测，增加另一种原理的油位在线检测装置，增加油位表征的冗余。