摘要:本文介绍了一种胶囊油位最新的监测方式，可以有效弥补机械浮球式油位计监测弊端，彻底告别假油位。新方法采用薄膜压力式油位传感器与油枕连接，当油枕内油位发生毫米级变化时都可以被传感器瞬间捕捉。反应灵敏、测量准确，在我局电站安装运行证实了这种方法的有效性、可靠性。
关键词：变压器 胶囊 油枕 油位 压力传感 智能
1 引言
研究内蒙古电网内各电站在对油位的测量及真实性都存在相同的困扰，只单一的依赖于传统浮球技术存在很大的风险，诸多设备在带缺陷运行而我们束手无策，更严重的是缺陷运行而我们却全然不知。传统的油位计机械结构在运行中极易出现卡涩、浮球脱落、浮杆弯曲、浮杆捅破胶囊、缠绕胶囊等。油位计不能显示真实油位，造成假油位，油位过高导致压力释放阀动作，过低时造成瓦斯继电器动作、重瓦斯跳闸等严重影响电网安全。因此一项新的监测技术应运而生，保障电网安全可靠运行有着重要意义。
2 国内外研究水平综述
随着电网规模的不断扩大，我国对各类变压器的需求也持续增长。近年来，国内变压器行业通过引进国外先进技术，使变压器产品品种、水平及高电压变压器容量都有了大幅提高。与此同时，对变压器运行安全要求也在不断提高，伴随着一些状态监测产品的出现，人们可以更方便直观的实时监测变压器运行状态，诸如油中气体，铁芯接地电流、局部放电监测等。电力系统安全、稳定、高效、经济的运行是一切用电设备正常运行的基础。当油对变压器来说是重中之重，一旦油出现问题时，变压器的的安全性就无法得到保障，甚至威胁到电网运行甚至人的生命安全。所以变压器用油位计作为一种最原始最普通的监测元件，其地位是不可忽略的。
在七十年代到八十年代这段时间里，伴随着计算机技术、传感器技术、光纤技术等各项高新技术产业的发展与应用，设备的在线诊断技术也开始飞速发展。在国外一些大型电力设备的油位状况监测中开始尝试使用超声波、红外传感器来实现，并取得了良好的监测效果。在国内也有学者对这种油位传感器进行了研究，国内制造的这类传感器主要由敏超声和液位转换器构成，其优点是结构较简单，成本较低且便于制作，其主要缺点是超声强度的改变对传感器的性能影响较大。近年来压力油位监测技术也成为油囊油位监测领域的一个研究热点。广泛用于ABB、GE、西门子等公司的变压器中的压力油位监测就是代表。
目前变压器传统的油位监测元件是采用“浮球式”原理间接测量油位的机械压力式油位计，油位计的主要组成部分：浮球、浮杆、测量波纹管及连接二者的毛细管，组成反映变压器油枕油位的测量系统。机械式仪表的元器件易损坏且受环境温度变化影响很大，测量精度低在我们内蒙古严寒地区尤其明显，导致运行中经常发生测量结果不准确或与远传信号偏差较大、甚至出现假油位、死油位等问题。此类缺陷仅通过定期校验、调修无法根除，运行时技术人员又很难获得停电检修的机会去实施调校作业，给设备运行管理人员带来困扰无法给电网安全稳定运行提供可靠保障。故开展新型变压器油位监测装置的研究显得更加紧迫和必要。
1-变压器储油柜 2-油位计浮球 3-法兰盘 4-尾线 5-指针油位表
近年来，国内变压器行业通过引进国外先进技术，使变压器产品品种、水平及高电压变压器容量都有了大幅提高。与此同时，对变压器运行安全要求也在不断提高，伴随着一些状态监测产品的出现，人们可以更方便直观的实时监测变压器运行状态，诸如油中气体，铁芯接地电流、局部放电监测等。电力系统安全、稳定、高效、经济的运行是一切用电设备正常运行的基础。当一台变压器出现问题时，发热是变压器最明显的体现，而发热最直观的体现就是油位的起伏，油位的变化在变压器稳定运行时会是一个很规律的曲线，而当其故障时会发生明显的峰值或者谷值。变压器的油位曲线分析可以提供关于变压器状态的有用信息而且能指出变压器内部的缺陷。
3 项目的理论和实践依据
3.1 项目研究内容的原理简述：
本项目主要研究运用最新的监测技术压敏传感技术对胶囊式油枕油位进行压力监测，安装在与油枕底部连通的任意接口处均可监测，油位的起伏变化甚至毫秒时间毫米的油位变化传感器即可瞬间反应出来反馈出来；测量的准确、及时是以往机械浮球油位计无法比拟的。并将测量信号准确及时上传汇控柜内计算中心，将时时刻刻的油位以曲线直观的呈现出来。
3.2 项目研究内容的理论或者实践依据；
（1）基于变压器油枕油位监测装置的系统架构研究
变压器油位变化来源于流经变压器绕组线圈、夹件热量的变化以及环境温度的影响，根据公式,P=ρgh。ρg是定值，只要测得油枕内油底的压力即可计算出油位的高度，变压器油枕实际储油量一定，可以通过软件计算获得当前油的实际位置。具体监测原理框图如下图1所示：
图1 监测原理框图
（2）智能型监测装置抗干扰能力设计
本项目采用铝制金属外壳，首先进行金属外壳屏蔽，在内部印制的PCB板上采用覆铜屏蔽，两级金属屏蔽防护可有效的抑制外接电磁干扰；内部电路采用3级滤波处理，第一级为电源EMI滤波器，用来过滤交流电源带来的电磁干扰；第二级输入去耦滤波，在监测仪内部采集信号时，为防止信号源通过线路造成的干扰，在信号运算放大时采用一阶或二阶滤波器进行滤波，保证CPU采集的是准确的有效的信号；第三级滤波为输出信号滤波，CPU将采集处理后的信号按设定的比例范围输出至DA转换器和数字信号传输芯片，DA转换器经过运算放大、滤波后和数字信号一起通过电缆传输至后台计算机。传输过程尽量采用加铠屏蔽电缆，防止信号在远端受外界干扰影响。本项目内部做了可靠的接地处理，在接线时要将电源地线接到大地，将信号地线接到传输电缆的屏蔽层。
4 项目研究的关键和难点。
4.1温度补偿即温度对密度的影响
可以采集油的温度值通过计算中心进行运算，曲线比对实现软件补偿，密度和温度是非线性关系，如何消除非线性影响是本项目技术难点之一。
4.2 油位曲线的数学模型建立
变压器实际运行中，油位可能不仅仅取决于运行负荷、油的温度，要考虑多元因素建立一个精确的数学模型是技术难点之一。
4.3抗干扰技术在产品上的应用效果
抗干扰技术的产品应用，是否可以完全符合理论研究结论，是否可以经受得住电磁兼容严酷等级的测试是技术难点之一。
5 项目研究内容和实施方案
5.1 项目研究内容的详细说明（可分专题或按内容序号描述）。
1）传感器的选用：此项目是依据压力传感器采集的压力信号，通过计算得出油位高度，压力传感器的精度及可靠性将决定整个项目的精度及可靠性，因此选择一款高精度、适合恶劣工况、使用寿命长的压力传感器至关重要。
2）显示器的设计：压力传感器将压力信号变送为（4-20）mA信号，需要通过采集此信号并经过计算得到当前压力，再换算成当前高度，通过预先设定的满油位与低油位的高度值折算成当前高度的百分比显示出来，供用户现场读数，同时可以输出高度百分比对应的（4-20）mA信号远传至后台监控室，可实时远程观测变压器油位高度。油位显示仪可输出两组报警接点，分别用于高油位及低油位报警，报警点可任意设置。
油位显示仪可作为现场显示器使用，要求能够满足现场环境要求，抗电磁干扰。
5.2 要描述具体的理论研究步骤，现场试验的地点和试验计划。
需要建设试验手段的项目，要给出试验手段的结构和作用。
数字式油位计采用压力传感器作为检测传感器，安装在储油柜底部，实时采集储油柜内部的变压器油产生的压强，通过液体内部压强公式P=ρgh，可得h=P/(ρ*g),已知P为当前压力，ρ为变压器油密度，约等于895kg/m3，g为重力加速度，约等于9.8米/秒，通过计算即可得出当前液位高度h。
本项目验收时可采用连通器法进行检测对比，即从储油柜出油口接出一段透明油管，与储油柜形成连通器，油管内的油位即为储油柜内的真实油位，测量此真实油位与储油柜高度对比，即可计算出液位高度百分比，与数字式油位显示仪显示值对比的差值即为本项目的测量误差。准确度可达1%以内。
注：不可采用与机械式指针油位计进行对比来判断数字油位计的准确性，因为指针油位计指示未必是真实油位。
5.3 技术路线。
传感器选型——传感器测试——数字式油位显示仪设计——数字式油位显示仪制板、编程——数字式油位显示仪测试——项目测试——项目验收
5.4 工作内容和工作量。
1）传感器选型购买：为保证精度和质量，选用进口大品牌传感器，首选西门子或罗斯蒙特公司产品，进口产品供货周期相对较长，一般为6-8周。
2）传感器测试：采购的传感器要进行精度、环境、电磁兼容等试验，合格后方能采用。此过程需要购买设备，委外测试。
3）数字式油位显示仪：包括电路设计、PCB制板、编程、试生产、测试等内容，由协助厂家大连众和光电科技有限公司完成。
4）项目测试验收：选一台试验变压器，安装调试后按连通器法进行对比测试。可根据需要对变压器进行注油或放油进行对比。
5）整理数据资料，撰写发表论文，申请专利。
5.5 注明本项目研究需要购买仪器、设备的型号、产地、性能及需要购买的原因，意向厂家。
5.6 对于装置、设备开发的项目，要提出装置或设备的开发计划及设计方案。
变压器储油柜内的变压器油是变压器可靠运行的基本保证，过高或过低都将引起变压器的安全事故。对储油柜内部的变压器油位进行监测并保证其在合理的范围内才可保证变压器安全稳定的运行。传统油位计采用浮球式机械传动设计，其弊端是在油位轻微变化时无法实时反映真实油位，尤其由升高到降底或由降低变为升高时滞后现象更为严重，往往发生泄漏或其他油位故障时不能及时准确的反应出真实变化。本项目设计的电子式油位计采用压力传感器作为基础传感器，对压力变化反应灵敏，油位发生任何轻微变化压力即可实时对应变化，精度可达0.1%，在出现油位故障时可第一时间将问题实时传输至后台，以便维护人员及时处理。
1-变压器储油柜 2-储油柜实际液位 3-变压器油 4-油位阀门 5-压力传感器
6-端子箱 7-数字式油位显示仪
参考文献:
【1】田庆.特高压主变压器在线监测技术.输变电设备状态检修集，2010
【2】陈杰.智能电网的发展及应用前景,中国高新技术企业，2010,16
【3】陈化钢.电力设备预防性试验方法和诊断技术,高压电器，2001
论文作者:柴志强1,刘向波1,高拴1,弓星星1,马学武2,姜
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/24
标签：变压器论文; 储油论文; 传感器论文; 项目论文; 压力论文; 信号论文; 技术论文; 《电力设备》2019年第12期论文;