一種基于油壓油密的變壓器真實油位檢測裝置

國網四川省電力公司成都供電公司 劉軍軍 邱 煒 馬錫良 吳 雄 杜軒翰 周晟銳 黃志強 朱 攀 孟俊彪

隨著經濟的發展，社會用戶對供電可靠性的要求也越來越高，電力變壓器作為電力系統中承擔功率傳輸及電壓等級變換的重要樞紐，其安全可靠性是電力部門設備管理的核心所在。變壓器油是變壓器中起到冷卻與絕緣作用的重要組成部分，變壓器頂部油枕用于補償油箱內變壓器油的熱脹冷縮，確保油箱內充滿油，并使油完全與空氣隔絕，可延緩老化，提升絕緣性能[1]。

當油枕內部油位過高或者過低時，其補償能力大幅減弱，會對變壓器安全運行造成嚴重影響。當油位過低時，一旦出現負荷降低或者溫度下降，會嚴重影響變壓器內部絕緣特性，甚至可能出現擊穿、爆炸；當油位過高時，一旦出現負荷增加或者溫度上升、油枕內壓力增高，可能會出現膠囊被嚴重擠壓而失去油位檢測功能，壓力過高時甚至當可能會使變壓器壓力釋放閥動作而噴油。所以，保證變壓器油枕油位在合理范圍內，是電力運檢部門確保變壓器安全運行的重要工作。

油位指示裝置是變壓器的重要非電量保護裝置之一，為油位報警的必要配置。目前，油位指示裝置主要包括傳統油位計和紅外測溫成像法。油浸式變壓器上配置的傳統油位計（管式油位計和指針式油位計）常常發生會因為其表計卡澀、浮球漏油、膠囊褶皺、膠囊破損等情況導致無法顯示真實油位情況，油浸式變壓器上配置的傳統油位計在現場不停電的情況下缺少有效的計量校驗手段，一旦油位計故障失效，將引起“假油位”現象。“假油位”現象會導致巡檢人員錯判油位，一方面會造成不必要的停電補放油檢修，另一方面會延誤油位異常缺陷的發現，嚴重危害變壓器及電網的安全運行[2]。

紅外測溫成像法，其通過溫度分布來確定儲油柜油位的真實高度，該方法操作安全方便，但測量結果易受環境溫度、氣象條件和觀察視角的影響，有些情況下無法進行準確判斷。

1 油枕油位計缺陷統計

經過統計，某供電公司近5年來發生了13起油位顯示異常缺陷，均為膠囊式油枕，其中有8起是油位計缺陷導致顯示異常，3起是膠囊充氣不足褶皺導致的油位不準確，2起是膠囊破損導致的油位不準確。統計發現，油位計缺陷又分為了油位計指針卡澀（5起）、油位計內磁鐵破損（1起）、浮球漏油（2起）。

圖1 某公司近五年油枕油位計統計

上述缺陷中，有10起是檢修部門在放油補油時發現的；有3起是運行人員在不同季節巡視時發現油位不變而提出的。就目前而言，這種“假油位”現象時有發生，雖然各季節運維人員均會開展紅外檢測，但往往受制于環境因素，并不能發現油位的異常。而主變壓器檢修周期較長，尤其是對于個別地區由于設備體量大往往導致設備檢修超期情況嚴重，變壓器油位指標準確性存在失控風險，但是目前缺乏變壓器真實油位檢測及油位計校驗的有效手段，使得設備運行風險較大。如何解決上述情況，也是設備運維管理部門面臨的一個痛點問題。

2 總體設計

針對主變油位檢測存在的問題，以常見的膠囊式油枕為基礎，本文提出了一種新的基于油壓油密的變壓器油位檢測方法并研制出了裝置，如圖2、圖3所示，在變壓器油枕底部的放油管處安裝油壓、油密檢測裝置，通過傳感器精確測量所需信號后，由信號處理終端進行運算得出變壓器真實油位，并通過內置無線模塊實現信號傳輸，實現變壓器真實油位測量、表計校驗及在線監測功能。

圖2 油位檢測裝置

圖3 檢測裝置硬件結構圖

2.1 檢測原理

本文利用變壓器結構特點，在放油管處安裝壓力及密度傳感器，一方面通過精確測量壓力P 及密度ρ 直接計算成等效的油注高度h1；另一方面，本裝置安裝了兩個壓力傳感器，通過壓力差來進一步間接計算液位高度hδ；將h1與hδ加權平均，利用變壓器油位指紋數據庫進而換算至油位計表盤刻度，實現油位的檢測及表盤的校驗。

2.2 直接測量

在變壓器油注高度計算時，可用壓強、密度直接計算：h1=p1/ρg，式中：ρ 為變壓器油密度，由密度傳感器精確測量；g 為重力加速度，取值9.8m/s2；h1為變壓器油注高度；p1為變壓器油壓強，由壓力傳感器精確測量。

由于油溫受負荷及環境溫度的影響，進而會造成變壓器油油密度的變化，且其密度變化規律與溫度成正比：ρ=ρ20+γ(t-20)，式中：在溫度為20℃時ρ20=879kg/m3，膨脹系數γ=-0.7(kg/m3)/℃。

本文密度傳感器采用熱敏元件構成，通過溫度的精確測量進而得出精確的密度值，對于不同類型的液體，本文開發的裝置中可以通過軟件部分輸入基準密度（20℃密度及膨脹系數），通用性較強。

2.3 間接測量

為進一步提升測量的可靠性，本裝置還采用了雙壓差來進一步計算油位高度。

通過兩個壓力傳感器（如圖2所示），可以得到兩個壓力值：p1=ρ1gh1、p2=ρ2gh2、Δ h=h2-h1，式中：ρ1、ρ2受溫度及油注高度的影響，在工程應用中可認為這兩點溫度及密度是一樣的，即ρ1=ρ2，在一定程度上簡化運算，其結果是可以接受的。

相應的有：h1=p1Δ h/(p1-p2)，式中：Δ h 為檢測裝置中兩壓力傳感器距離，已確定；p1、p2由壓力傳感器測量得到。為區別于直接計算的結果，該處計算結果用h1'表征。

2.4 真實油位高度

直接測量中，密度測量的精度取決于兩個因素，一是溫度測量精度；二是溫度與密度的換算精度，其中都存在一定的誤差。間接測量中，將兩個測量點的密度簡化為相同值，也存在一定的誤差。為進一步降低測量誤差的影響，將上述兩種結果進行加權平均，以提升測量可靠性。則有：h=(h1+h1')/2，式中：h 為計算所得油位高度；h1為直接測量油位高度；h1'為間接測量油位高度。

2.5 油位換算

膠囊式油枕一般由尼龍橡膠做成，如圖4所示（圖中1柜體，2膠囊，3放氣管接口，4油位表，5注放油管接口，6瓦斯繼電器接口，7排污口，8呼吸器），其內部通過呼吸器與外部空氣相連，其體積隨著油枕內變壓器油體積的變化而變化。當膠囊體積發生變化時，油位計浮球將會上升或者下降，通過表盤內的傳動部分帶動油位計指針旋轉而指示到相應的位置。

圖4 膠囊式油枕結構圖

假設膠囊膨脹到一定體積時（V）有一個等效的油位面（h），則對應一個確定的油位計表盤刻度（K），即會存在K=f(h)的對應關系，但是對于不同的變壓器及油枕，對應關系并不確定。對此，本裝置在研制時預留了基礎信息輸入模塊，一方面可以由油枕廠家獲取信息，輸入K=f(h)對應關系；另一方面，可通過試驗手段獲取。下面介紹試驗手段：

具備條件時，利用停電狀態下的變壓器進行補放油試驗，利用本裝置分別測量不同油位時的真實油位高度，同時讀取對應的油位計表盤刻度。則可獲取數據點（hi，Ki），其中i=1,2,3....，n。采用最小二乘法多項式曲線擬合來計算，則有：K=f(h)=a0+a1h+a2h2+...+anhn，式中ai由以下計算獲取：

確定K=f(h)后，就作為了對應變壓器的指紋數據庫，存儲在了裝置中。本裝置在使用時，通過構建的指紋數據庫（K=f(h)）與測量獲取的油面高度（h）對比，獲取其真實的油位信息（K）。

圖5 油面高度與油位處理邏輯圖

2.6 傳感器選擇

考慮到裝置的適用范圍，以三繞組變壓器SSF-240000/220為例，總體高度為7150mm、油枕直徑1500mm；以雙繞組變壓器SFZ9-40000/110為例，總體高度為4550mm、油枕直徑1000mm。則可由此確定相應的壓力傳感器檢測范圍（35.7kPa～61.6kPa）。取油面高度的檢測精度為10mm，則相應的壓力最小檢測精度應為0.86kPa。相應的選擇0～80kPa，精度±1%、輸出24V 的壓力傳感器即可。

對于密度傳感器，本項目采用溫度轉換計算得出密度數值，要求其溫度檢測范圍為-10℃～110℃、精度為0.5℃。相應的，密度檢測精度可達0.7(kg/m3)，對應到油面高度，最大誤差為0.04%，即2mm的油面高度誤差，滿足要求。

3 試驗結果

在設備檢修期間，本文選取6臺110kV 變壓器進行了試驗驗證。將油枕油位計表盤指示記錄為數據1，將裝置檢測到的油位高度記為數據2，通過補放油操作試驗出多個數據點，利用裝置自帶系統形成變壓器油位指紋曲線。進一步的再次進行補放油，用裝置檢測不同油位時的刻度信息與油枕表盤指針數據，驗證其檢測精度。

表1 本裝置油位檢測情況

經多次試驗驗證，本裝置適用不同型號、不同溫度、不同高度的油枕油位檢測，且其操作簡單、檢測精度高，可實現變壓器真實油位的檢測，同時在存儲了變壓器指紋數據庫后，可顯示真實油位刻度及實現油位計檢驗功能。

綜上，本文通過分析了變壓器油枕油位計異常情況及對變壓器運行的危害性，提出了一種基于油壓油密的變壓器真實油位檢測裝置。在變壓器油枕放油管末端安裝密度及壓力傳感器，通過密度及壓力傳感器直接計算出油注等效高度1，通過兩個壓力傳感器間接計算出油注等效高度2，進而得出加權計算的油注高度，再將其用于預制的或者試驗獲取的變壓器油位指紋數據庫中，可進一步的得出相對應的變壓器真實油位。

經過試驗驗證，該裝置測量精度高，既可用于檢測變壓器真實油位也可用于變壓器油位計校驗，具有較高的使用價值。另外，本裝置也可實現在線監測功能，可將裝置長期安裝在油枕放油管處，通過內置無線模塊實現數據實時上傳，對于設備精益管理及狀態健康管理也具有重要的價值和意義。