程 明，马 崇，陈韶瑜，安 戈

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384;2.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津 300171)

目前，各变电站存在大量充油瓷套，套管内油位过低会对电气设备的性能产生影响，使设备产生安全隐患。传统上采用玻璃视窗的方法监测油位，但由于运行后玻璃视窗易受污染变脏，而导致无法准确通过视窗判断套管中油界面的位置;日常采用停电后观察的方法进行油位检查，但由于停电周期安排不当，会使设备带隐患运行，且定期断电会给国民经济造成损失。根据DL 664－2008《带电设备红外诊断应用规范》要求，采用红外法观测套管内油位，但是目前该方法受环境温度、周围红外射线干扰等外界因素影响，致使检测结果出现偏差，存在一定局限性。以下介绍了一种基于超声波的瓷套油位检测方法。

1 超声波套管油位检测原理

电脉冲发生器电路产生高频电脉冲，电振荡作用于探头上，激励探头中的压电晶片发生逆压电效应将电信号转化为超声波信号并向瓷套发射，超声波穿过瓷套侧壁后，如果此位置没有油，由于陶瓷和气的声阻抗差异很大，超声波在固－气界面极大部分能量被反射回;如果此位置有油，由于陶瓷和油的声阻抗差异较小，超声波穿过固－液界面时少部分能量被反射回来;反射回来的超声波被探头中的压电晶片接收，激励压电晶片发生正压电效应产生电信号，电信号经放大和检波，并经分析计算，即可根据反射回的能量大小判定瓷套中有没有油，返回能量大说明此处无油，返回能量小说明此处有油。

2 充油瓷套油位带电检测试验

2.1 试验模型

该试验以超声传播路径检测法为机理，利用C8051f 处理器发射频率为120 K 左右的脉冲序列，经过功放电路放大至400 V，驱动发射探头发出超声信号。相邻的接收探头接收经过传播及损耗的声信号，然后以5 M 的采样速率对此信号进行采集并作为原始声信号数据存入计算机系统。其模型见图1。

图1 模型结构示意

瓷套上有伞群结构，给试验带来困难，为简化试验，试验对象去除伞群，设计为为圆柱形陶瓷罐体。根据电压等级不同，瓷套的壁厚在15 ～40 mm 范围内，因此，设计的试验对象为直径0.3 m、高1 m、厚20 mm 的圆柱罐体，其材质为陶瓷，内部液体为变压器油。

2.2 试验过程

a.在发射和接收探头表面涂抹耦合剂，压紧吸附在测试罐体表面。探头直径为10 cm，两探头中心间隔为10 cm。

b.通过发射模块驱动发射探头，接收探头采集接收信号，经过5 M 采样率将数据存入计算机。

c.在罐体无液的情况下，采集接收探头声信号。每次采集时段间隔为2 h，在该环境下采集8 次。

d.往罐体中注油，采集数据和上述步骤c 相同。

2.3 试验结果及分析

图2和图3分别是在有液和无液状态下测得的接收信号的幅域和频域比较图。由图中可以看出，在有液状态下，超声波的回波信号的幅域和频域较无液状态下均大幅度降低。因此采用超声波法测定套管内油位是可行的。(说明:计算机显示的幅域和频域值是经过电脑软件计算后的相对值，无量纲，表示信号能量的大小)

图2 幅域比较图

图3 频域比较图

3 充油瓷套油位带电检测仪结构及原理

3.1 结构组成

根据以上试验情况，对瓷套油位带电检测仪进行了设计，其构成包括:供电系统、超声波发生器、探头、信号处理系统、显示系统。瓷套油位检测仪器工作原理及结构示意见图4、图5。

图4 瓷套油位检测仪工作原理

图5 瓷套油位检测仪结构示意

3.2 工作原理

a.供电系统:持续不断给仪器各部分提供电力。

b.超声波发生器:即电脉冲发生器。主要由同步电路和发射电路构成，电源激发同步电路，使同步电路每秒钟产生数千个电脉冲，发射电路被同步电路产生的脉冲信号触发后利用其自身的闸流管和可控硅的开关特性，产生几百V 至上千V 的电脉冲并作用于探头上。

c.探头:核心部件是压电晶片，利用其正压电效应和负压电效应完成声信号－电信号的转换。电脉冲激发压电晶片，产生超声波;探头接收回波后激发压电晶片，产生电信号。由于探头的检测位置为瓷套相邻两伞群间的狭小部位，因此探头的尺寸不宜过大。

d.信号处理系统:处理探头接收的超声回波，即电信号。其主要功能是放大、检波、提取信息、识别差异。

e.显示系统:对测试结果进行显示。

4 充油瓷套油位带电检测仪的应用

4.1 应用情况介绍

该仪器通过了实验室的各项测试，并在国网天津市电力公司检修公司、国网天津市电力公司城南供电分公司和山东鲁特电工股份有限公司进行了应用，对2 个在运变电站、1 个基建变电站共计56 支瓷套进行了油位测定。

4.2 应用效果

使用该方法可有效检测瓷套的内部油位，在实际应用中共发现3 支电容式套管内部油位偏低，其中一支已在停电时进行了充油，另2支计划合理安排停电时机，对其进行充油作业，保障设备的安全运行。应用效果表明，采用该方法可实现瓷套内部油位的带电检测，可在电力行业及瓷套生产安装单位广泛推广应用。

5 建议

a.变电站中电磁辐射较强，电磁辐射会影响仪器内元件的正常工作，因此仪器的外壳可用铝合金制成，起到屏蔽电磁辐射的作用。

b.瓷套离地面较高且带电，为保证检测人员与设备安全，可将探头固定在绝缘杆上，由检测人员控制绝缘杆来完成检测工作。也可制作专用的夹持工具。

c.实际检测中应使探头垂直紧贴瓷套外壁，检测部位应为瓷套相邻两伞群间瓷套外壁。在同一水平面取多点进行测量，以结果概率大者为最终结果(避免伞裙及未知因素的干扰)。

d.液面判断:如果某位置检测结果显示“有油”，而其上部紧邻伞裙上方检测位置的检测结果显示“无油”，则说明油界面在两个检测位置之间的伞裙处。

e.带电检测时需要做好对周围环境的电磁屏蔽工作，以免影响设备使用。

f.工作中对油面的判断，可采用多次测量、逐步逼近的方式找出液面位置。并应在同一水平面取多点进行测量，以结果概率大者为最终结果。