基于多普勒超聲波流量計(jì)的重瓦斯信號(hào)在線監(jiān)測(cè)方法分析

霍丹，李國(guó)強(qiáng)

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司機(jī)巡管理中心，廣東 廣州 510000）

瓦斯繼電器是變壓器的主要保護(hù)裝置，安裝在變壓器油箱與儲(chǔ)油柜的連接管上，能有效反映變壓器的內(nèi)部故障。瓦斯繼電器被大量應(yīng)用于變壓器保護(hù)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。根據(jù)DL／T 540-2013《氣體繼電器校驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，瓦斯繼電器的校驗(yàn)周期為5年。瓦斯繼電器浸泡在變壓器油中，油流長(zhǎng)期對(duì)瓦斯繼電器擋板產(chǎn)生的沖擊力會(huì)使其彈簧產(chǎn)生金屬疲勞，隨著時(shí)間的推移，瓦斯繼電器的動(dòng)作定值會(huì)發(fā)生變化,因此，長(zhǎng)期運(yùn)行的瓦斯繼電器可能出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)等情況。目前瓦斯繼電器的校驗(yàn)方法需變壓器停電，將瓦斯繼電器拆下，送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校驗(yàn)。隨著對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求的不斷提高，瓦斯繼電器的重要性日益體現(xiàn)，瓦斯繼電器校驗(yàn)方法亟需提升。因此，探索一種檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確率高的在線式檢測(cè)主變油流速度的新方法，可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，具有重要的研究?jī)r(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 瓦斯繼電器重瓦斯動(dòng)作原理

瓦斯繼電器的重瓦斯保護(hù)由擋板、彈簧、干簧觸點(diǎn)等組成，作用于跳閘。變壓器正常運(yùn)行時(shí)，瓦斯繼電器充滿油，開(kāi)口杯浸在油內(nèi)，處于上浮位置，干簧觸點(diǎn)斷開(kāi)。變壓器內(nèi)部繞組短路故障、絕緣層毀壞、鐵芯接觸欠佳或多點(diǎn)接地等常見(jiàn)故障會(huì)造成大量汽體產(chǎn)生，使變壓器內(nèi)部壓力大幅升高，并在油枕方位沖擊力下產(chǎn)生大量油流。假如油的流速超出瓦斯的標(biāo)定值，瓦斯的擋板受正電荷的作用力便會(huì)在重瓦斯維護(hù)姿勢(shì)中動(dòng)作，使簧片觸點(diǎn)跳閘，與斷路器相互配合，擺脫彈簧摩擦阻力，進(jìn)而推動(dòng)磁石向簧片觸點(diǎn)方位移動(dòng)。相對(duì)于制造商對(duì)瓦斯的設(shè)定值，重汽體調(diào)整值通常設(shè)置在0.7米/秒和1.5米/秒之間。目前技術(shù)方式無(wú)法明確變壓器的油流速率，瓦斯產(chǎn)生常見(jiàn)故障和拒動(dòng)的狀況也無(wú)法獲得預(yù)警信息。

2 超聲波流量計(jì)的基本原理

多普勒式超聲波流量計(jì)是利用多普勒效應(yīng)法工作的一種超聲波流量計(jì)。多普勒效應(yīng)是指一個(gè)發(fā)送聲波的物件接受并反射另一個(gè)物件的聲波。假如發(fā)送聲波的物件相對(duì)于接受物件來(lái)說(shuō)是移動(dòng)的，那么接受物件將以它所發(fā)送的頻率接受聲波。假如兩個(gè)物件之間的相對(duì)間距在降低，接受的頻率將比原先強(qiáng)化。假如兩個(gè)物件之間的相對(duì)間距在強(qiáng)化，接受的頻率便會(huì)比原先降低。在超聲多普勒流體測(cè)量方式中，超聲發(fā)送器是一個(gè)固定的聲源，隨流體運(yùn)動(dòng)的固體顆粒物做為相對(duì)于聲源運(yùn)動(dòng)的"觀察者"，但只將射到固體顆粒物上的超聲波反射到信號(hào)接收器。發(fā)送和接受的聲波之間的頻率差是由于流體中固體顆粒物的運(yùn)動(dòng)而造成的聲波的多普勒頻移。這個(gè)頻率差與流體的流速成正比，因而可以通過(guò)測(cè)量頻率差來(lái)明確流速[1]。

如圖1所示為多普勒效應(yīng)原理圖，設(shè)超聲波聲速為c,流體中懸浮顆粒物或氣泡的速率與流體運(yùn)動(dòng)的速率相同，v和θ為超聲波速和流體運(yùn)動(dòng)的速率角。換能器1發(fā)射的超聲波信號(hào)頻率為f1,經(jīng)過(guò)管道內(nèi)液體中的懸浮顆粒或氣泡后,頻率發(fā)生偏移,此時(shí)接收器接收到的信號(hào)頻率f2也會(huì)發(fā)生變化，其表達(dá)式如下：

式中，c為流體中的聲速，由于c2?（vcosθ）2，上式可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

將發(fā)射信號(hào)頻率和接收信號(hào)頻率之差作為多普勒頻率fr，則有：

根據(jù)上式可得流速v:

假如管路條件、換能器安裝部位、發(fā)送頻率和聲速早已明確，且c、f1和θ為常數(shù)，則流體流速和多普勒頻移成正比，其可通過(guò)測(cè)量流體流速的頻移來(lái)明確[6]。

3 超聲波流量計(jì)在線使用的可行性

為了驗(yàn)證在主變壓器中線上應(yīng)用超聲波流量計(jì)的可行性，需開(kāi)展此類測(cè)試。首先，用超聲波流量計(jì)和渦街流量計(jì)對(duì)水流標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備開(kāi)展校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)結(jié)果為兩表均處在1.0水準(zhǔn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證可行性，我們隨機(jī)抽取一塊經(jīng)鑒定合格的旋進(jìn)式旋渦流量計(jì)，安裝到瓦斯繼電器油流校驗(yàn)臺(tái)的管路中,將超聲波流量計(jì)安裝在管道外,以0m/s的速度開(kāi)始，以0.02m/s的流速上升至2m/s，選取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)將兩者的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波流量計(jì)與旋渦流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)表

根據(jù)《JJG1033-92計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中關(guān)于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證要求，假如挑選同樣精度的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)兩者的測(cè)量值分別為m和n、標(biāo)準(zhǔn)性為A時(shí)，則應(yīng)務(wù)必達(dá)到以下公式要求：

4 超聲波流量計(jì)在主變壓器上的應(yīng)用

超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝在變壓器油箱與儲(chǔ)油柜的連接管上，超聲波流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)安裝示意圖如圖2所示，其可實(shí)現(xiàn)連接管上的油流速度的監(jiān)測(cè)。該類超聲波流量計(jì)的安裝方法為外貼式，這種超聲波流量計(jì)安裝換能器無(wú)需管道斷流,即貼即用,對(duì)主變壓器的油流系統(tǒng)無(wú)任何影響，也不影響主變壓器及瓦斯繼電器運(yùn)行的穩(wěn)定性。超聲波流量計(jì)可定量測(cè)量連接管內(nèi)的油流速度，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)主變的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)識(shí)別主變運(yùn)行的異常，在主變壓器重瓦斯動(dòng)作前就可對(duì)主變壓器運(yùn)行的異常情況提前預(yù)警。流量計(jì)可設(shè)定油流報(bào)警值，可在瓦斯繼電器重瓦斯拒動(dòng)時(shí)及時(shí)預(yù)警，防止因瓦斯繼電器拒動(dòng)而造成更大的事故。另外，當(dāng)瓦斯繼電器重瓦斯動(dòng)作時(shí)，該流量計(jì)可監(jiān)測(cè)重瓦斯的動(dòng)作值，能夠有效識(shí)別出瓦斯繼電器誤動(dòng)和拒動(dòng)等情況，從而實(shí)現(xiàn)了瓦斯繼電器流速定值的在線校驗(yàn)。

圖2 超聲波流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)安裝示意圖

5 結(jié)論

針對(duì)目前瓦斯繼電器運(yùn)行動(dòng)作不可靠、校驗(yàn)設(shè)備耗資昂貴、需停電拆裝校驗(yàn)等問(wèn)題，本文所提出的基于多普勒超聲流量計(jì)重瓦斯信號(hào)在線監(jiān)測(cè)方法具有以下特點(diǎn)：

（1）通過(guò)多普勒超聲流量計(jì)安裝在主變壓器油流管道上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)主變油流的在線監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)定量測(cè)量油流速度，為運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)主變運(yùn)行狀態(tài)提供了可視、可靠的數(shù)據(jù)支撐，提高了變壓器運(yùn)行的可靠性。

（2）多普勒超聲流量計(jì)測(cè)量的油流速度與瓦斯繼電器重瓦斯跳閘信號(hào)對(duì)應(yīng)流速為同一物理量，可在線校驗(yàn)瓦斯繼電器，并能有效識(shí)別瓦斯繼電器的誤動(dòng)及拒動(dòng)。此方法簡(jiǎn)化了校驗(yàn)流程，大大提升了工作效率，有益于系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（3）該方法安裝簡(jiǎn)便，為外貼式，無(wú)需管道斷流,即貼即用,對(duì)主變壓器的油流系統(tǒng)無(wú)任何影響，也不會(huì)影響主變壓器及瓦斯繼電器運(yùn)行的穩(wěn)定性，適合在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。