基于超聲波的變電站充油瓷套油位檢測方法

程 明，馬 崇，陳韶瑜，安 戈

(1.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384;2.國網天津市電力公司經濟技術研究院，天津 300171)

目前，各變電站存在大量充油瓷套，套管內油位過低會對電氣設備的性能產生影響，使設備產生安全隱患。傳統上采用玻璃視窗的方法監測油位，但由于運行后玻璃視窗易受污染變臟，而導致無法準確通過視窗判斷套管中油界面的位置;日常采用停電后觀察的方法進行油位檢查，但由于停電周期安排不當，會使設備帶隱患運行，且定期斷電會給國民經濟造成損失。根據DL 664－2008《帶電設備紅外診斷應用規范》要求，采用紅外法觀測套管內油位，但是目前該方法受環境溫度、周圍紅外射線干擾等外界因素影響，致使檢測結果出現偏差，存在一定局限性。以下介紹了一種基于超聲波的瓷套油位檢測方法。

1 超聲波套管油位檢測原理

電脈沖發生器電路產生高頻電脈沖，電振蕩作用于探頭上，激勵探頭中的壓電晶片發生逆壓電效應將電信號轉化為超聲波信號并向瓷套發射，超聲波穿過瓷套側壁后，如果此位置沒有油，由于陶瓷和氣的聲阻抗差異很大，超聲波在固－氣界面極大部分能量被反射回;如果此位置有油，由于陶瓷和油的聲阻抗差異較小，超聲波穿過固－液界面時少部分能量被反射回來;反射回來的超聲波被探頭中的壓電晶片接收，激勵壓電晶片發生正壓電效應產生電信號，電信號經放大和檢波，并經分析計算，即可根據反射回的能量大小判定瓷套中有沒有油，返回能量大說明此處無油，返回能量小說明此處有油。

2 充油瓷套油位帶電檢測試驗

2.1 試驗模型

該試驗以超聲傳播路徑檢測法為機理，利用C8051f 處理器發射頻率為120 K 左右的脈沖序列，經過功放電路放大至400 V，驅動發射探頭發出超聲信號。相鄰的接收探頭接收經過傳播及損耗的聲信號，然后以5 M 的采樣速率對此信號進行采集并作為原始聲信號數據存入計算機系統。其模型見圖1。

圖1 模型結構示意

瓷套上有傘群結構，給試驗帶來困難，為簡化試驗，試驗對象去除傘群，設計為為圓柱形陶瓷罐體。根據電壓等級不同，瓷套的壁厚在15 ～40 mm 范圍內，因此，設計的試驗對象為直徑0.3 m、高1 m、厚20 mm 的圓柱罐體，其材質為陶瓷，內部液體為變壓器油。

2.2 試驗過程

a.在發射和接收探頭表面涂抹耦合劑，壓緊吸附在測試罐體表面。探頭直徑為10 cm，兩探頭中心間隔為10 cm。

b.通過發射模塊驅動發射探頭，接收探頭采集接收信號，經過5 M 采樣率將數據存入計算機。

c.在罐體無液的情況下，采集接收探頭聲信號。每次采集時段間隔為2 h，在該環境下采集8 次。

d.往罐體中注油，采集數據和上述步驟c 相同。

2.3 試驗結果及分析

圖2和圖3分別是在有液和無液狀態下測得的接收信號的幅域和頻域比較圖。由圖中可以看出，在有液狀態下，超聲波的回波信號的幅域和頻域較無液狀態下均大幅度降低。因此采用超聲波法測定套管內油位是可行的。(說明:計算機顯示的幅域和頻域值是經過電腦軟件計算后的相對值，無量綱，表示信號能量的大小)

圖2 幅域比較圖

圖3 頻域比較圖

3 充油瓷套油位帶電檢測儀結構及原理

3.1 結構組成

根據以上試驗情況，對瓷套油位帶電檢測儀進行了設計，其構成包括:供電系統、超聲波發生器、探頭、信號處理系統、顯示系統。瓷套油位檢測儀器工作原理及結構示意見圖4、圖5。

圖4 瓷套油位檢測儀工作原理

圖5 瓷套油位檢測儀結構示意

3.2 工作原理

a.供電系統:持續不斷給儀器各部分提供電力。

b.超聲波發生器:即電脈沖發生器。主要由同步電路和發射電路構成，電源激發同步電路，使同步電路每秒鐘產生數千個電脈沖，發射電路被同步電路產生的脈沖信號觸發后利用其自身的閘流管和可控硅的開關特性，產生幾百V 至上千V 的電脈沖并作用于探頭上。

c.探頭:核心部件是壓電晶片，利用其正壓電效應和負壓電效應完成聲信號－電信號的轉換。電脈沖激發壓電晶片，產生超聲波;探頭接收回波后激發壓電晶片，產生電信號。由于探頭的檢測位置為瓷套相鄰兩傘群間的狹小部位，因此探頭的尺寸不宜過大。

d.信號處理系統:處理探頭接收的超聲回波，即電信號。其主要功能是放大、檢波、提取信息、識別差異。

e.顯示系統:對測試結果進行顯示。

4 充油瓷套油位帶電檢測儀的應用

4.1 應用情況介紹

該儀器通過了實驗室的各項測試，并在國網天津市電力公司檢修公司、國網天津市電力公司城南供電分公司和山東魯特電工股份有限公司進行了應用，對2 個在運變電站、1 個基建變電站共計56 支瓷套進行了油位測定。

4.2 應用效果

使用該方法可有效檢測瓷套的內部油位，在實際應用中共發現3 支電容式套管內部油位偏低，其中一支已在停電時進行了充油，另2支計劃合理安排停電時機，對其進行充油作業，保障設備的安全運行。應用效果表明，采用該方法可實現瓷套內部油位的帶電檢測，可在電力行業及瓷套生產安裝單位廣泛推廣應用。

5 建議

a.變電站中電磁輻射較強，電磁輻射會影響儀器內元件的正常工作，因此儀器的外殼可用鋁合金制成，起到屏蔽電磁輻射的作用。

b.瓷套離地面較高且帶電，為保證檢測人員與設備安全，可將探頭固定在絕緣桿上，由檢測人員控制絕緣桿來完成檢測工作。也可制作專用的夾持工具。

c.實際檢測中應使探頭垂直緊貼瓷套外壁，檢測部位應為瓷套相鄰兩傘群間瓷套外壁。在同一水平面取多點進行測量，以結果概率大者為最終結果(避免傘裙及未知因素的干擾)。

d.液面判斷:如果某位置檢測結果顯示“有油”，而其上部緊鄰傘裙上方檢測位置的檢測結果顯示“無油”，則說明油界面在兩個檢測位置之間的傘裙處。

e.帶電檢測時需要做好對周圍環境的電磁屏蔽工作，以免影響設備使用。

f.工作中對油面的判斷，可采用多次測量、逐步逼近的方式找出液面位置。并應在同一水平面取多點進行測量，以結果概率大者為最終結果。