新型变压器储油柜油位在线监测系统的研制与应用

崔 鹏，王玄之，陆洪建

（国网宁夏检修公司，宁夏 银川 750011）

储油柜是油浸式变压器的重要部件，其主要作用是为变压器储油、补油，保证变压器油体积随温度变化时变压器内部始终充满油，同时使变压器油与空气隔绝，减缓油的劣化速度，保障变压器油的绝缘性能。目前变压器储油柜只具有单一原理的油位监测功能，现场仅能通过油位表来判断储油柜运行状态，该方法无法避免“假油位”现象的出现，从而会导致变压器储油柜因假油位造成压力释放动作导致变压器跳闸。运维人员无法及时了解变压器是否带隐患工作，若不能及时发现异常，变压器仅能将瓦斯继电器出口跳闸作为最后一道防线。

近年来，国内外直流输电系统已发生多起因未及时发现油位异常而导致的直流闭锁事故，造成了极大的经济损失，如何实现储油柜运行状态在线监测成为亟待解决的问题。由于变压器储油柜结构固定、不可改变，传统的传感器安装方法难以在储油柜上实现，并且变压器周围电磁环境的复杂性严重制约着通信质量及数据传输精度，加之目前储油柜运行状态监测数据处理相关技术领域处于空白阶段，储油柜在线监测系统的研究面临巨大挑战[1]。

1 传统变压器储油柜油位检测方法及发展现状

1.1 传统变压器储油柜油位检测方法介绍

1.1.1 浮球连杆式油位计工作原理

现有的变压器油位测量多采用传统的浮球连杆式油位计，浮球及插杆通过连接法兰安装于储油柜内部，当储油柜的油位由于某种原因变化时，浮球随之上下移动，将浮球位移量转化为指针的偏移量显示于现场的表计中，从而实现液位的远距离监测和控制。

1.1.2 压力式油位传感器工作原理

压力式油位传感器作为另一种油位测量装置广泛应用于变压器储油柜油位测量中，其利用油的压强与高度成一定比例关系，通过测量储油柜底部油压来测算油的高度，采用扩散硅压力传感器将测量到的压力转换成测量信号。该信号经过放大、模数转换、处理运算后可得到标准的油位参数。

1.2 国内外研究现状

目前，国内外相关变电站及换流站油浸式变压器大多数采用胶囊式储油柜。传统的储油柜监测方法只是进行单一原理的油位监测，油枕油位测量一般采用浮球连杆式油位计或压力式油位传感器等方法，油位测量都是采用接触式测量技术，其不足之处在于：油位测量装置检测精度不高，发生故障时检修困难，检测中稳定性不高，易受环境因素影响，在运行过程中常出现假油位现象，容易引起错误判断。

目前，随着电力设备对产品性能和稳定性要求的不断提高，非接触式油位测量技术已经被广泛接受，利用超声波外贴非接触的方式对油浸式变压器油枕油位进行实时监测，可以及时发现油位异常的情况[2]。

2 新型变压器储油柜油位测量原理

本文所述新型变压器储油柜油位测量技术采用超声波传感器[3]，其检测原理为当声波从液体或固体传播到气体，或从气体传播到固体或液体时，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。因此，当置于容器顶部的换能器向液面发射短促的声脉冲时，经过时间t，换能器便可以接收到从液面反射回来的回波声脉冲。设换能器发射面到液面的距离为h1，声波在空气中的传播速度为vt，表达式为

由于声波在空气中的传播速度vt已知，因此可用测时间的方法确定出距离h1。设换能器发射面容器底部的距离为h2，则被测油位表达式为

3 新型变压器储油柜油位在线监测系统设计

3.1 总体设计方案

该新型变压器储油柜油位在线监测系统见图1。根据图1所示，其主要包括储油柜顶部法兰盘、超声波传感器、数据采集分析装置、通信装置和监控报警装置。储油柜顶部法兰盘安装于储油柜顶部正中间，超声波传感器安装于储油柜顶部法兰盘中心处，输出4~20 mA电流至就地数据采集分析装置。数据采集分析装置包括供电电路、信号处理电路、控制器、液晶显示屏，所述通信装置包含RS485接口、光电转换模块、TCP/IP网络电口接入模块，监控报警装置接至运行人员工作站，便于及时发现储油柜油位异常情况[4]。

图1 新型变压器储油柜油位在线监测系统图

3.2 超声波传感器安装设计

传感器安装在储油柜上方，基于变压器既有结构“无改动”设计思路，在不改动变压器既定结构、不影响原有系统运行的情况下，仅仅是在储油柜检修口封堵法兰上加装专用传感器，即可在常规监测方法难以触达的储油柜空腔内传递出较为全面的监视信息[5]。

根据上述思路将超声波传感器安装于储油柜顶部法兰盘中心处，根据图1中的序号2所示，其采用自锁固定装置，超声装置拧紧不受外载荷时的固定装置由套筒螺栓、锁紧环以及螺帽构成[6]。当受到振动、松动等外部工况影响时，套筒螺栓会相对于螺帽向上有一个位移，这样会将锁紧环水平方向拉紧以限制套筒螺栓和螺帽的相对运动，达到固定及密封套筒螺栓内超声探头的目的，进一步强化了传感器安装的密封性[7]。

3.3 数据信息自动分析方案

为了充分利用油温、油位等多参量的数据价值进行融合分析，数据信息自动分析采用深度神经网络的横纵向数据分析方法和卷积神经网络训练域信息[8]，然后迁移至经湿度、温度、油位信息训练的多层感知机网络，形成新的多参量融合网络，通过横纵向数据对同一储油柜现象相互印证与制约，使训练效果比普通单一数据训练有了明显提升，错误率在相同训练时间下有了明显降低[9]。多域迁移学习流程见图2。

图2 多域迁移学习流程图

新型变压器储油柜实现了对储油柜油位的实时在线监测，监测数据除了进行故障的同步判断、预警及定位功能，也可以进一步对变压器的运行提供更为全面的状态评价信息。相较于传统方式下人工每日进行一次的抄录储油柜单一油位信息，变压器储油柜在线监测系统可以实现任意需求频次的储油柜油位信息记录，从而形成颗粒度更加精细的状态评价信息。

3.4 超声波传感器抗干扰能力设计

由于变压器本体存在高强度电磁干扰，为避免超声波传感器内部损坏，提高数据传输准确性，采用多场域屏蔽的抗强电磁干扰监视单元和基于高耐受元件的抗浪涌电源，通过高导磁率材料屏蔽、静电屏蔽等措施进行电场和磁场的抗干扰，同时，电源线会因现场高压设备的操控而产生高强度浪涌。本方案通过增加一个高耐受电子保险丝F1，加强保护压敏电阻的耐受能值，实现对高强度浪涌的有效防护，浪涌保护框见图3。

图3 浪涌保护原理框图

4 新型变压器储油柜油位在线监测系统应用

本文设计的新型变压器储油柜油位在线监测系统安装应用于银川东换流站12台换流变压器，实现对运行中的换流变压器储油柜油位持续在线监测。截至目前，通过该在线监测系统及时发现油管路破损漏油故障3次，有效避免了故障进一步发展导致直流闭锁事故。本设计在实现对换流变压器储油柜油位监测的同时有效提高了运维人员的工作效率。以银川东换流站为例，对双极12台换流变压器储油柜单次巡视由4人2 h降低至1人0.1 h，切实减少了运维人员的日常工作量，极大地节省了时间成本及人工成本[10]。本设计方案油位信息采集系统及分析告警系统见图4。

图4 储油柜油位分析告警系统

5 结束语

本文通过对传感器及其安装设计、复杂环境电磁兼容、多参量融合分析等方面进行研究，成功开发出一套适用于油浸式变压器储油柜的实时监测系统，该系统可全天候实时监测变压器储油柜油位信息并进行统计分析处理，进而实现告警、故障定位等功能。该在线监测系统有效解决了运维人员现场油位抄录难的问题，消除了运维人员进入换流站抄录数据时存在的安全隐患，提升了现场人员的设备运维效率，进一步提高了电网的安全运行水平。