变压器储油柜状况在线监测新技术研究与应用

李璐　兰琦　赵玉才　赵玉富　胡润阁

摘要：文章通过采用光纤传感器、穿透性超声波传感器、无线通信等技术，研究出一套方案有效地监测储油柜内胶囊破裂、油面高度、补偿体积等，为变压器储油柜增加新的有效的监测手段，为变压器大修技改提供成熟的解决方案。

关键词：变压器；储油柜；在线监测技术；光纤传感器；超声波；无线通信 文献标识码：A

中图分类号：TP29 文章编号：1009-2374（2016）27-0031-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.014

1 概述

变压器是电网最重要的资产之一，储油柜是油浸电力变压器配套关键性组件，也是电力变压器必备的保护性器件。储油柜内胶囊破裂、波纹管被卡出现破裂、油位计出现故障等，影响变压器的安全稳定运行，同时造成了大型变压器的非计划停运。

目前变压器储油柜的类型主要有胶囊式储油柜、隔膜式储油柜、波纹管式储油柜等。但无论哪种储油柜，目前都没有一套成熟监测方案，实时监测储油柜内工作状况，如在线油液面高度、胶囊破裂状况、补偿体积等。

2 国内外研究情况

关于变压器胶囊破裂监测技术的研究，国内外已经做过许多的基础研究工作，但研究成果仅应用在国外的电力变压器项目中，如国外有意大利CEDASPE公司生产的CPR型磁接触式气动继电器对气囊完整度进行监测，如新疆特变（已收购了沈变）、保变、西变的海外项目，并且这些项目都配合使用进口高质量真空胶囊，在国内尚未重视对变压器胶囊的监测。

3 技术原理

3.1 光的全反射

全反射：又称全内反射，指光由光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质内的现象。如图1所示，公式为n=sin90。/sinc=1/sinc（sinc=1/n，c为临界角），当光射到两种介质界面只产生反射而不产生折射的现象，在入射角增大到某一数值时，折射角将达到90度，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于或等于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射。

3.2 超声波测距

通常把振动频率20kHz以上的机械波称为超声波，它的特征是频率高、波长短、绕射现象小、方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波穿透性较强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较强，用途也很广泛。

超声波测距的方法有多种，如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本研究采用往返时间检测法测距，其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关，测试传播时间可以得出距离。

假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t/s，超声波传播速度为v/m·s-1表示，则有关系式（1）：

式中：T为实际温度，单位为℃；v为超声波在介质中的传播速度，单位为m/s。

3.3 不规则柱状体体积计算

4 技术实现方案

4.1 储油柜漏油监测

本课题采用的光纤传感器就是利用光的全反射原理，如果没有光线折射现象，发射出去的光全部反射回来，形成光路平衡。如果有折射现象，就打破了光路平衡，光纤传感器就会发出报警信号，测量储油柜胶囊破裂漏油就是利用了这一特征现象。

如果没有变压器油泄露，发射光纤的信号全部被反射回来并且被光纤接收器接收。如果变压器油淹没了传感器，光线折射发生改变，导致光线发散，返回到光纤传感器的光线量减少，导致回路不平衡并引发报警信号。

漏油监测采用光纤传感器，不受安装位置限制，确保漏油时立即报警，传感器体积较小，可以弯曲，可以长距离传输探测结果，反应时间短，使用寿命长，具有良好的重复性和长期的稳定性、抗干扰性，对现场环境适应性强。

4.2 储油柜油位监测

本课题研究的是具有穿透金属一定厚度的超声波传感器，将超声波传感器和储油柜底部通过耦合剂粘接为一体，形成一个新的超声波传感器，称为非接触式超声波传感器，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量液位就是利用了它的这一特征。

采用超声波技术的优点是无需在储油柜内安装测量装置，非接触性测量，性能稳定安全可靠，响应时间短，可以方便地实现无滞后的实时测量，测量精度高等。可以用在胶囊式、波纹管式、隔膜式等变压器储油柜内的油面监测，安装简单方便。

4.3 储油柜油位补偿体积

将超声波测量出的油位位置，结合变压器储油柜的具体尺寸和变压器储油柜油位标准，利用三重积分的计算方法，编写相关计算程序，依据超声波传感器测量出的油位，如图2低于中线以下时，图3高于中线以上时，采用不同的计算公式可算出储油柜内油位补偿体积，现场检修人员在得到油的补偿体积后，有助于提高现场注油的工作效率。

5 具体设计方案

变压器储油柜监测装置子站和主站组成，子站为安装在变压器储油柜上，分别由光纤传感器、光纤放大器、穿透性超声波传感器、温湿度传感器、GPRS无线模块和单片机及其驱动电路组成。主站由服务器、无线接收装置、应用软件（变压器储油柜在线监测系统）及其相应的数据库组成。

数据采集控制电路CPU采用STC系列单片机，与光纤传感器、穿透性超声波传感器和温湿度传感器通过驱动电路相连接，电源模块采用工业级5V和24V开关电源，无线模块采用西门子GPRS无线模块。传感器采集到的信号传至单片机，单片机经过信号处理及数据分析后，经GPRS无线模块传至后台数据监控中心和相关检修负责人手机上，后台监控中心收到大量的数据后，建立起多个变压器储油柜运行的状态数据库，经过大量数据分析后可得到变压器储油柜的性能和质量，为变电检修人员和物质采购人员提供可靠的参考依据。

该装置通过光纤传感器、超声波传感器、温湿度传感器采集数据，经过分析计算后，这些大量的数据记录，能有效监测变压器储油柜内胶囊是否有破裂、储油柜内油位状态、油位补偿体积、储油柜内温湿度状况、现场油位计是否损坏等，为检修人员及用户在检修时提供参考依据。

6 技术应用情况及改进措施

2015年10月，该监测装置已在河南省电力公司官渡500kV变电站投入试运行，目前运行状况正常，每隔一个小时将变压器储油柜运行的数据传到数据监控中心，数据库已积累少量的数据，可对储油柜内的油位及温湿度等数据进行曲线图分析。

通过现场运行的情况的总结，提出了改进方案，一是监测装置信号放大器部分在制作工艺上要求全密封不漏气，特别是密封设计时，要求打压测试；二是该装置需要进行电磁兼容试验，确保在复杂的电磁干扰环境下运行正常。

7 结语

通过研究变压器储油柜在线监测技术，可以为变压器储油柜胶囊破裂漏油、油位计故障及补偿体积测量等提供一整套有效的解决方案；能有效防止储油柜胶囊破裂而带来异常情况的发生，有力保障了大型油浸式变压器的安全运行；有助于及时发现变压器储油柜的内部隐患并快速修复，避免变压器事故，对于变压器的安全运行和管理都有重要意义。

参考文献

[1] 油浸式电力变压器技术参数和要求（GB/T 6451- 2008）[S].

[2] 王煜东.传感器及应用[M].北京：机械工业出版 社，2004.

[3] 刘增基，周洋溢，等.光纤通信[M].西安：西安电 子科技大学出版社，2004.

[4] 肖硕，邢刚，等.单片机数据通信典型应用大全 [M].北京：中国铁道出版社，2011.

[5] 谢龙汉，鲁力，等.Altium Designer原理图与PCB设计 及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

作者简介：李璐（1980-），男，河南郑州人，国网河南省电力公司检修公司副主任，高级工程师，研究方向：变电检修技术研究和管理；兰琦（1976-），男，河南郑州人，国网河南省电力公司检修公司专工，工程师，研究方向：变电检修技术研究和管理；赵玉才（1984-），男，河南郑州人，河南恩湃电力技术有限公司专工，工程师，研究方向：电气设备在线监测的研究、开发和应用；赵玉富（1976-），男，河南郑州人，国网河南省电力公司电力科学研究院专工，高级工程师，工学硕士，研究方向：电能计量及变电检修技术研究和管理；胡润阁（1989-），男，河南开封人，国网河南省电力公司检修公司专工，助理工程师，研究方向：变电检修技术研究和管理。

（责任编辑：蒋建华）