一種磁浮球液位開關在牽引變壓器上的異常觸發及處理

鄧鳳祥 何建

【摘 要】本文介紹了一種磁浮球液位開關的基本結構、技術參數及工作原理，結合它在牽引變壓器上的異常觸發及處理，旨在為牽引變壓器用液位開關的選型提供借鑒和指導。

【關鍵詞】磁性浮球；液位開關；牽引變壓器；異常觸發

0 引言

近年來，隨著高速動車組在國內的快速發展，高鐵成為高新科學技術集成的重要體現，而牽引變壓器是高速動車組牽引系統中最重要的設備之一。通過利用各種智能傳感器，如溫度、壓力、油位等，可快速準確發現變壓器潛在運行故障，這是提升牽引變壓器運行質量的重要手段。油浸式牽引變壓器作為電力變壓器中一種常見產品，廣泛用于大功率交流傳動電力機車領域。

為了實時掌握油浸式變壓器中箱體油位的變化情況，在油箱上安裝液位傳感器。磁浮球液位開關是一種典型的液位傳感器，由于結構簡單、成本低廉等優點，被人們廣泛接受。本文通過介紹一種磁浮球液位開關的結構、參數及原理，結合它在油浸式牽引變壓器的異常觸發及處理，一方面為類似異常觸發故障提供解決思路和方法，另一方面指導牽引變壓器用液位開關的合理選型。

1 磁浮球液位開關

基于不同的工作模式，工程應用常見的液位開關有磁浮球液位開關、電容式液位開關、及超聲波式液位開關等[1]。磁浮球液位開關借助浮力和靜磁場原理，通過液位變化引起浮球位置的改變，并帶來空間磁場分布的改變，再借助干簧管的吸合特性，將油位信號轉換成開關信號，實現對液位的實時監測。

磁浮球液位開關為一無源裝置，易于實現日常檢修維護。因此，目前在牽引變壓器上的液位開關普遍采用該結構。液位開關采用法蘭結構安裝，垂直裝于變壓器油箱蓋上，對油箱內油位進行監測。

1.1 基本結構

液位開關主要由磁浮球、干簧管、導桿及屏蔽罩等部件組成。

（1）磁浮球

磁浮球是通過內嵌條形磁鐵，形成穩定、均勻的空間靜磁場。浮球為不銹鋼材質，浮球結構需結合變壓器油比重和報警油位線值等條件確定。根據阿基米德原理F浮=ρ液 gV 排可知，為保證浮球處于漂浮狀態，浮球應滿足ρ浮<ρ液。浮球貫穿于一導桿，由于浮球內嵌永磁體，浮球重心會出現一定偏移，與導桿間有有相互作用力，這在浮球設計時應引起注意。

（2）導桿

導桿通常采用不銹鋼材質，表面應光滑，防止浮球卡滯。導桿為一空心半閉口鋼管，內置磁簧開關并真空灌膠固定。在選擇膠體時，所選材質的熱膨脹系數應盡可能小，防止膠體擠壓磁簧開關。

（3）干簧管

干簧管通常由兩個軟磁性材料組成的金屬簧片觸點，觸點尖端是鍍或濺射銠、釕或銥，封裝在充有惰性氣體（如氮、氦等）或真空玻璃管里，防止開關動作形成的電火花氧化觸點。玻璃管內平行封裝的簧片端部重疊，留有一定間隙或接觸以構成常開和常閉觸點[2]。

（4）屏蔽罩

考慮牽引變壓器在工作時，在其周圍存在一定強度的磁場。為避免外部磁場對液位開關產生干擾，增設了一屏蔽罩。屏蔽罩采用普通碳素鋼，內外壁鍍層處理，防止生銹。

1.2 技術參數

1.3 工作原理

液位開關有兩個開關點，用于監測變壓器低油位和低低油位。正常油位時，磁簧開關A的兩個接觸彈片感應出同名磁性，液位開關為斷開狀態；降至低油位時，兩個彈片感應出異名磁性，磁簧開關A閉合，永磁體距開關B較遠，不足以使其吸合，處于斷開狀態；當降至低低油位時，工作原理同低油位，如圖1所示。

2 液位開關異常觸發及處理

自2017年起，裝有磁性浮球液位開關在某牽引變壓器上頻繁發生低油位和低低油位異常觸發故障，持續時間大部分為幾秒至幾十秒，故障集中發生在某些特定（如彎道或坡道）運行線路。造成低油位異常觸發問題的因素較多，如油液污染、設計結構不合理、機械振動、氣體等[3]。

2.1 故障調查和分析

通過對異常觸發的變壓器進行逐一排查，確認變壓器無滲漏油問題且油位正常，液位開關檢測和功能均正常，接線無異常。通過調查，造成本次液位開關異常觸發故障根本原因有：

（1）液位開關浮球存在缺陷滲漏問題，造成浮球因比重變大而下沉，引起液位開關的持續觸發；

（2）液位開關浮球觸發低油位的行程較小，動作過于靈敏，當變壓器在運行中受到較強烈振動時，浮球會發生一定位移，造成液位開關的短時觸發；

（3）變壓器油箱內部存在少量氣體，當變壓器運行在彎道或長坡道線路上時，會發生一定傾斜，氣體緩慢聚集在液位開關位置，導致液位開關的短時觸發。

2.2 故障處理及措施

由于造成誤報警故障原因的差異，故障處理方式各不相同。針對故障調查，本次液位開關異常觸發問題重點從三個方面進行了優化和解決。

（1）浮球質量篩查

對于浮球滲漏問題，采取直接更換故障液位開關，并對浮球進行常規的質量篩查。具體篩查方法：將液位開關浮球放入變壓器油中，進行高低溫冷熱循環試驗，油從常溫緩慢加熱至80℃后自然冷卻，循環3次。經實踐證明，該方法可有效暴露浮球中較小尺寸的缺陷，如貫穿氣孔等。

（2）靈敏度調整

對于動作靈敏問題，采用重新匹配磁簧開關工作特性與浮球比重的方式，增大液位開關觸發低油位動作行程，降低動作靈敏度?？s小屏蔽罩底部進油孔徑，降低變壓器在彎道或長坡道運行時因氣體集中問題造成的誤觸發風險。試驗表明，采用小進油孔屏蔽罩的液位開關抗振防能力有顯著提升，異常觸發問題得到解決。

（3）工藝改善

對于氣體問題，一方面通過加強制造工藝質量監督，規范變壓器的真空注油工藝；另一方面對故障變壓器進行排氣處理。正常情況下，考慮變壓器采用真空注油工藝，變壓器內部氣體含量較低。為了避免因運行線路等因素，造成氣體集中導致液位開關誤動作，通過適當增大油位報警線值，實現液位開關油位保護冗余設計。

3 結束語

磁浮球液位開關是一種傳統的液位傳感器，但在實際工程應用中仍暴露出諸多問題。牽引變壓器用液位開關與普通靜態工作設備用液位開關的工況條件存在較大差異，設計人員在選擇液位開關型號、安裝位置及安裝方式等時，需充分論證液位開關與工作環境的適應性，并結合產品實際在線運用情況，靈活調整液位開關的結構，提升液位開關可靠性。

參考文獻：

[1] 王帆.外測液位開關在丙烯儲罐上的應用[J].石油化工自動化，2016，52（06）：67-68.

[2] 百度百科.干簧管[EB/OL].http：// baike.Baidu.com/view/1048726.htm.2013 - 8 - 25.

[3] 黃愛武，卓然，仝世偉，王付崗，史洪濤.磁性浮球液位開關異常觸發的研究[J].工業儀表與自動化裝置，2014（04）：11-15+18.

（作者單位：中車株洲電機有限公司）