刘东阳,朱永灿,李科锋

(西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)

电力变压器作为电力系统中的关键设备之一,其是否安全稳定运行将直接影响电力供应的稳定[1-2]。油浸式变压器因造价低、适应环境广泛、过负荷能力强等优点,在电力变压器中占比很大。油浸式变压器以油作为主要绝缘手段,并依靠油作冷却介质,将油位作为油浸式变压器的重要监测参数之一,及时发现油位异常并采取相应措施对于确保电力变压器安全稳定运行具有重要意义[3-4]。

运维人员现场巡检读取油位计示数是目前常规方法,但其准确性易受检测人员的经验影响,同时由于油位计进水锈蚀、视窗受污染等因素而导致假油位,无法准确判断油位高度。特别是对于偏远地区的新能源场站变压器、农村配电变压器等,往往存在设备制造水平低,日常运维管理差,因变压器油位引起的电力故障时有发生。针对此类问题,国内外学者展开了大量研究:文献[5]基于压力传感器的变压器油位测量装置,通过在储油柜放油管加装双压力传感器,运用二点压力差分算法实现对油位的精准测量;文献[6]提出一种智能在线监测系统,在遗传算法优化的基础上通过不同传感器接收到的数据进行加权计算变压器的健康指数(HI),在过载、过压、油温过高和油位过低等极端情况下,算法可以发出本地跳闸命令,该系统促进了智能变压器在配电网中的发展。文献[7]针对雾霾天气下的视频图像测量,提出一种暗通道优先和颜色空间变换的油位测量方法,测量油位误差在±1%以内;文献[8]基于光纤光栅温度计与油位计的传感特性实现变压器油温及油位监测,为变压器在复杂环境下的安全预警、状态评估及维修提供依据。

由于超声波频率高、传播的方向性好、穿透能力强等特性,可用于测距、无损检测等领域。文献[9]设计了一种超声波测距传感器,可实现在化工、油气行业等危险环境下进行非接触式距离测量,具有较高的安全水平,同时拓宽了超声波传感器在不同领域的应用;文献[10-11]基于超声波法设计油位带电检测仪,分别实现了充油瓷套内部油位、油枕油位的带电检测;文献[12]提出一种超声波充油设备油位检测技术,采用软橡胶作为耦合剂,较好地解决了探头与油箱壁的耦合问题,采用超声波第二个回波信号作为油位检测信号实现油箱油位的简单、准确测量;文献[13]基于改进的Levenberg-Marquardt反向传播人工神经网络(LMBP-ANN)架构算法,通过比较不同深度的实际水位与训练后的神经网络输出,验证了所提模型的有效性,提高了超声波测量系统的精度。

本文基于超声测距原理,提出一种针对变压器储油柜油位非接触式在线监测技术。首先对超声波传感器应用于储油柜油位监测的原理进行了分析,设计开发了油位远程在线监测装置,并通过搭建实验平台对装置进行测试与校准,验证了该监测技术的可行性。

1 基于超声测距的变压器油位监测技术

人耳能听到的声波频率范围在20 ～20 kHz,频率大于20 kHz的机械波被称为超声波,它的方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,可用于测距、清洗、碎石、杀菌消毒等[14-16]。纵波可以在气体、液体和固体中传播,在测距方面更具优势,基于本文研究对象为变压器储油柜油位以及超声波传播形式的特点,采用纵波进行测试分析。

超声波在传播过程中遇到由不同介质组成的界面时会发生反射、透射现象。声强作为声音流动的度量方式,具有幅值和方向,其反射率、透射率表达式如下:

(1)

(2)

式中:IR为声强发射率;IT为声强透射率;Z为介质的声阻抗[17-18],g/(cm2·s);Q235的声阻抗为4.5×106g/(cm2·s),变压器油的声阻抗为1.2×105g/(cm2·s)。

由式(1)、式(2)可得,超声波在两种不同介质中传播,声强反射率IR和声强透射率IT的大小与从何种介质入射无关,可很好地满足利用超声波对多介质储油柜进行非接触式油位测量的需求。基于超声回波测距技术的变压器储油柜油位测量如图1所示。

图1 变压器储油柜油位测量示意图

超声波传感器安装于油箱底部,发射特定频率的超声波激励信号,因不同介质声阻抗存在差异,如钢-油界面声强反射率和声强透射率分别为0.893和0.107,该界面透射系数较小,声波大部分能量被反射。本文即利用传感器接收到的回波信号以及信号传输所经历的时间进行油位计算。

2 油位监测装置设计

2.1 总体结构

基于超声波的变压器储油柜油位非接触式在线监测装置的总体结构如图2所示,主要包括超声波传感器、在线监测装置及辅助管理系统。超声波传感器进行储油柜油位的采集,在线监测装置对油位等数据进行信号处理,实时显示油位,当油位异常时发出警报;辅助管理系统通过远距离无线传输模块与在线监测装置进行数据传输,可以快速判断油位的异常状态,当油位上升或泄漏超过预警值时,会发出报警,同时存储温度、湿度、气压等环境数据,利于后期运行提前预测油位异常故障,保证系统运行的可靠性。

图2 在线监测装置总体结构

超声波传感器为收发一体式,采用压电陶瓷晶片,在超声波的发射与接收时实现电能与声能的相互转换。同一箱体应用两个相同参数的超声波传感器,分别用作测量探头和校准探头,测量探头安装于油箱底部;校准探头安装于油箱腰部及油位以下位置,用于辅助测量探头,提高测量精度:需提前设定一个初值,即油箱的长度,随后启动自动校准,通过选择最优参数如声速、频率等使其测量值愈接近设定初值,并将最优参数应用于测量探头实现液位精准测量。

2.2 在线监测装置设计

在线监测装置设计如图3所示,主要包括超声波传感器、发射与接收电路[19]、MCU、温度补偿电路、串口通信电路、按键与显示电路以及报警电路。

图3 在线监测装置设计

微控制器MCU提供驱动脉冲,驱动脉冲经发射电路放大等处理后驱动超声波传感器,驱动脉冲频率通过软件程序调整,要求能与超声波传感器的中心频率形成良好的共振。由MCU控制定时器发出4～8个频率为80～200 kHz、占空比为50%的方波,经超声波发射电路转换为激励脉冲。

接收电路主要是对传感器接收到的微弱超声波回波信号进行放大、滤波,提供给MCU进行计数定时。超声波接收过程中,会受到外界诸多因素(如温度、箱体壁厚、噪声等)的影响,造成接收信号的强度衰减、波形不规则或失真、信噪比降低等现象[20-21],为提取出清晰的超声波回波信号,需设计放大电路、滤波电路、增益电路等进行处理。其中放大滤波电路由二阶低通滤波和二阶高通滤波组成,带通滤波器通频带为80～200 kHz,中心频率设计为140 kHz,滤波同时具有放大作用。

2.3 系统软件设计

基于STM32单片机运行时,首先需要对外部设备如超声波传感器、温度传感器等进行初始化,与单片机通信异常时发送异常报告并进行修正,通信正常后初始化STM32、开启中断,下发监测指令,LCD显示屏进入等待界面;当测量探头无异常时获取监测参数,通过有线传输至单片机进行处理,并更新LCD显示油位高度值;有按键操作时,经授权后可以人工设置数据参数,保存参数修改后继续获取监测参数,更新LCD显示的油位值,完成精准、实时测量,最后非必须进行停机程序。其主要程序设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程图

3 试验与分析

3.1 实验平台搭建

为了更准确地控制实际油位进行装置测试与校准,首先搭建了室内实验平台,如图5所示。其中超声波传感器进行油位测量,收集油位数据,通过有线连接方式将数据传输至在线监测装置;经温度补偿,在线监测装置实时显示油位高度,同时可根据实际工况进行校准模式选择与启动、自动扫频、参数修改等操作。超声波传感器在安装时需涂抹超声波耦合剂,用以减少探头与被测物之间空气层影响,提高测量精度。

图5 室内实验平台

通过改变金属桶中油位,读取实际的液位高度,并记录监测装置测量的液位高度,不同液位对应的测量数据误差如图6所示。

图6 测量数据的误差

由图6数据可得,当实际液位为140 mm时误差值最大为3.1 mm。为了提高测量精度,对参数k和b采用一次函数y=kx+b进行标定,k表示声速的修正值,取值范围为0.5～1.5;b表示液位的迁移量。根据所测量的多组数据对测量液位-实际液位进行最小二乘拟合,计算公式如下:

(3)

式中:xa为测量液位的平均值;ya为实际液位的测量值。计算得k=0.98<1,需将声速系数修正为初始声速的0.98倍;b=1.26 mm,因此将迁移量设置为1.3。

图7为当金属桶中油位为150 mm时,利用示波器对超声波发射与接收信号捕捉到的波形,利用发射波与第一次接收回波所间隔时间Δx进行油位计算,得此时油位高度为152.6 mm,误差为2.6 mm,与图6中测量油位误差值几乎一致。

图7 y=150mm时发射与接收回波波形

3.2 现场测试

对油位监测装置初始参数进行标定后进行现场测试,测试平台如图8所示。现场测试应用校内110 kV闲置变压器进行:当前储油柜实际油位为139.5 mm,油位监测装置读数为139.7 mm,误差仅为0.2 mm。因此该油位监测装置能够进行储油柜油位监测,测量误差很小,在0.5 mm范围内,满足精度要求。

图8 装置现场测试

4 结 论

本文在分析超声波测距原理的基础上,通过设计开发油位在线监测装置并开展实验,对基于超声波的变压器油位非接触式监测技术进行了研究。试验结果表明,该在线监测技术对储油柜油位监测是可行和有效的,且安装简单、测量精度高,为变电站变压器油位在线监测提供参考。