基于超聲測距的變壓器油位在線監測技術

劉東陽,朱永燦,李科鋒

(西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

電力變壓器作為電力系統中的關鍵設備之一,其是否安全穩定運行將直接影響電力供應的穩定[1-2]。油浸式變壓器因造價低、適應環境廣泛、過負荷能力強等優點,在電力變壓器中占比很大。油浸式變壓器以油作為主要絕緣手段,并依靠油作冷卻介質,將油位作為油浸式變壓器的重要監測參數之一,及時發現油位異常并采取相應措施對于確保電力變壓器安全穩定運行具有重要意義[3-4]。

運維人員現場巡檢讀取油位計示數是目前常規方法,但其準確性易受檢測人員的經驗影響,同時由于油位計進水銹蝕、視窗受污染等因素而導致假油位,無法準確判斷油位高度。特別是對于偏遠地區的新能源場站變壓器、農村配電變壓器等,往往存在設備制造水平低,日常運維管理差,因變壓器油位引起的電力故障時有發生。針對此類問題,國內外學者展開了大量研究:文獻[5]基于壓力傳感器的變壓器油位測量裝置,通過在儲油柜放油管加裝雙壓力傳感器,運用二點壓力差分算法實現對油位的精準測量;文獻[6]提出一種智能在線監測系統,在遺傳算法優化的基礎上通過不同傳感器接收到的數據進行加權計算變壓器的健康指數(HI),在過載、過壓、油溫過高和油位過低等極端情況下,算法可以發出本地跳閘命令,該系統促進了智能變壓器在配電網中的發展。文獻[7]針對霧霾天氣下的視頻圖像測量,提出一種暗通道優先和顏色空間變換的油位測量方法,測量油位誤差在±1%以內;文獻[8]基于光纖光柵溫度計與油位計的傳感特性實現變壓器油溫及油位監測,為變壓器在復雜環境下的安全預警、狀態評估及維修提供依據。

由于超聲波頻率高、傳播的方向性好、穿透能力強等特性,可用于測距、無損檢測等領域。文獻[9]設計了一種超聲波測距傳感器,可實現在化工、油氣行業等危險環境下進行非接觸式距離測量,具有較高的安全水平,同時拓寬了超聲波傳感器在不同領域的應用;文獻[10-11]基于超聲波法設計油位帶電檢測儀,分別實現了充油瓷套內部油位、油枕油位的帶電檢測;文獻[12]提出一種超聲波充油設備油位檢測技術,采用軟橡膠作為耦合劑,較好地解決了探頭與油箱壁的耦合問題,采用超聲波第二個回波信號作為油位檢測信號實現油箱油位的簡單、準確測量;文獻[13]基于改進的Levenberg-Marquardt反向傳播人工神經網絡(LMBP-ANN)架構算法,通過比較不同深度的實際水位與訓練后的神經網絡輸出,驗證了所提模型的有效性,提高了超聲波測量系統的精度。

本文基于超聲測距原理,提出一種針對變壓器儲油柜油位非接觸式在線監測技術。首先對超聲波傳感器應用于儲油柜油位監測的原理進行了分析,設計開發了油位遠程在線監測裝置,并通過搭建實驗平臺對裝置進行測試與校準,驗證了該監測技術的可行性。

1 基于超聲測距的變壓器油位監測技術

人耳能聽到的聲波頻率范圍在20 ～20 kHz,頻率大于20 kHz的機械波被稱為超聲波,它的方向性好,穿透能力強,易于獲得較集中的聲能,可用于測距、清洗、碎石、殺菌消毒等[14-16]。縱波可以在氣體、液體和固體中傳播,在測距方面更具優勢,基于本文研究對象為變壓器儲油柜油位以及超聲波傳播形式的特點,采用縱波進行測試分析。

超聲波在傳播過程中遇到由不同介質組成的界面時會發生反射、透射現象。聲強作為聲音流動的度量方式,具有幅值和方向,其反射率、透射率表達式如下:

(1)

(2)

式中:IR為聲強發射率;IT為聲強透射率;Z為介質的聲阻抗[17-18],g/(cm2·s);Q235的聲阻抗為4.5×106g/(cm2·s),變壓器油的聲阻抗為1.2×105g/(cm2·s)。

由式(1)、式(2)可得,超聲波在兩種不同介質中傳播,聲強反射率IR和聲強透射率IT的大小與從何種介質入射無關,可很好地滿足利用超聲波對多介質儲油柜進行非接觸式油位測量的需求?；诔暬夭y距技術的變壓器儲油柜油位測量如圖1所示。

圖1 變壓器儲油柜油位測量示意圖

超聲波傳感器安裝于油箱底部,發射特定頻率的超聲波激勵信號,因不同介質聲阻抗存在差異,如鋼-油界面聲強反射率和聲強透射率分別為0.893和0.107,該界面透射系數較小,聲波大部分能量被反射。本文即利用傳感器接收到的回波信號以及信號傳輸所經歷的時間進行油位計算。

2 油位監測裝置設計

2.1 總體結構

基于超聲波的變壓器儲油柜油位非接觸式在線監測裝置的總體結構如圖2所示,主要包括超聲波傳感器、在線監測裝置及輔助管理系統。超聲波傳感器進行儲油柜油位的采集,在線監測裝置對油位等數據進行信號處理,實時顯示油位,當油位異常時發出警報;輔助管理系統通過遠距離無線傳輸模塊與在線監測裝置進行數據傳輸,可以快速判斷油位的異常狀態,當油位上升或泄漏超過預警值時,會發出報警,同時存儲溫度、濕度、氣壓等環境數據,利于后期運行提前預測油位異常故障,保證系統運行的可靠性。

圖2 在線監測裝置總體結構

超聲波傳感器為收發一體式,采用壓電陶瓷晶片,在超聲波的發射與接收時實現電能與聲能的相互轉換。同一箱體應用兩個相同參數的超聲波傳感器,分別用作測量探頭和校準探頭,測量探頭安裝于油箱底部;校準探頭安裝于油箱腰部及油位以下位置,用于輔助測量探頭,提高測量精度:需提前設定一個初值,即油箱的長度,隨后啟動自動校準,通過選擇最優參數如聲速、頻率等使其測量值愈接近設定初值,并將最優參數應用于測量探頭實現液位精準測量。

2.2 在線監測裝置設計

在線監測裝置設計如圖3所示,主要包括超聲波傳感器、發射與接收電路[19]、MCU、溫度補償電路、串口通信電路、按鍵與顯示電路以及報警電路。

圖3 在線監測裝置設計

微控制器MCU提供驅動脈沖,驅動脈沖經發射電路放大等處理后驅動超聲波傳感器,驅動脈沖頻率通過軟件程序調整,要求能與超聲波傳感器的中心頻率形成良好的共振。由MCU控制定時器發出4～8個頻率為80～200 kHz、占空比為50%的方波,經超聲波發射電路轉換為激勵脈沖。

接收電路主要是對傳感器接收到的微弱超聲波回波信號進行放大、濾波,提供給MCU進行計數定時。超聲波接收過程中,會受到外界諸多因素(如溫度、箱體壁厚、噪聲等)的影響,造成接收信號的強度衰減、波形不規則或失真、信噪比降低等現象[20-21],為提取出清晰的超聲波回波信號,需設計放大電路、濾波電路、增益電路等進行處理。其中放大濾波電路由二階低通濾波和二階高通濾波組成,帶通濾波器通頻帶為80～200 kHz,中心頻率設計為140 kHz,濾波同時具有放大作用。

2.3 系統軟件設計

基于STM32單片機運行時,首先需要對外部設備如超聲波傳感器、溫度傳感器等進行初始化,與單片機通信異常時發送異常報告并進行修正,通信正常后初始化STM32、開啟中斷,下發監測指令,LCD顯示屏進入等待界面;當測量探頭無異常時獲取監測參數,通過有線傳輸至單片機進行處理,并更新LCD顯示油位高度值;有按鍵操作時,經授權后可以人工設置數據參數,保存參數修改后繼續獲取監測參數,更新LCD顯示的油位值,完成精準、實時測量,最后非必須進行停機程序。其主要程序設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

3 試驗與分析

3.1 實驗平臺搭建

為了更準確地控制實際油位進行裝置測試與校準,首先搭建了室內實驗平臺,如圖5所示。其中超聲波傳感器進行油位測量,收集油位數據,通過有線連接方式將數據傳輸至在線監測裝置;經溫度補償,在線監測裝置實時顯示油位高度,同時可根據實際工況進行校準模式選擇與啟動、自動掃頻、參數修改等操作。超聲波傳感器在安裝時需涂抹超聲波耦合劑,用以減少探頭與被測物之間空氣層影響,提高測量精度。

圖5 室內實驗平臺

通過改變金屬桶中油位,讀取實際的液位高度,并記錄監測裝置測量的液位高度,不同液位對應的測量數據誤差如圖6所示。

圖6 測量數據的誤差

由圖6數據可得,當實際液位為140 mm時誤差值最大為3.1 mm。為了提高測量精度,對參數k和b采用一次函數y=kx+b進行標定,k表示聲速的修正值,取值范圍為0.5～1.5;b表示液位的遷移量。根據所測量的多組數據對測量液位-實際液位進行最小二乘擬合,計算公式如下:

(3)

式中:xa為測量液位的平均值;ya為實際液位的測量值。計算得k=0.98<1,需將聲速系數修正為初始聲速的0.98倍;b=1.26 mm,因此將遷移量設置為1.3。

圖7為當金屬桶中油位為150 mm時,利用示波器對超聲波發射與接收信號捕捉到的波形,利用發射波與第一次接收回波所間隔時間Δx進行油位計算,得此時油位高度為152.6 mm,誤差為2.6 mm,與圖6中測量油位誤差值幾乎一致。

圖7 y=150mm時發射與接收回波波形

3.2 現場測試

對油位監測裝置初始參數進行標定后進行現場測試,測試平臺如圖8所示?，F場測試應用校內110 kV閑置變壓器進行:當前儲油柜實際油位為139.5 mm,油位監測裝置讀數為139.7 mm,誤差僅為0.2 mm。因此該油位監測裝置能夠進行儲油柜油位監測,測量誤差很小,在0.5 mm范圍內,滿足精度要求。

圖8 裝置現場測試

4 結 論

本文在分析超聲波測距原理的基礎上,通過設計開發油位在線監測裝置并開展實驗,對基于超聲波的變壓器油位非接觸式監測技術進行了研究。試驗結果表明,該在線監測技術對儲油柜油位監測是可行和有效的,且安裝簡單、測量精度高,為變電站變壓器油位在線監測提供參考。