一种基于油压油密的变压器真实油位检测装置

国网四川省电力公司成都供电公司 刘军军 邱 炜 马锡良 吴 雄 杜轩翰 周晟锐 黄志强 朱 攀 孟俊彪

随着经济的发展，社会用户对供电可靠性的要求也越来越高，电力变压器作为电力系统中承担功率传输及电压等级变换的重要枢纽，其安全可靠性是电力部门设备管理的核心所在。变压器油是变压器中起到冷却与绝缘作用的重要组成部分，变压器顶部油枕用于补偿油箱内变压器油的热胀冷缩，确保油箱内充满油，并使油完全与空气隔绝，可延缓老化，提升绝缘性能[1]。

当油枕内部油位过高或者过低时，其补偿能力大幅减弱，会对变压器安全运行造成严重影响。当油位过低时，一旦出现负荷降低或者温度下降，会严重影响变压器内部绝缘特性，甚至可能出现击穿、爆炸；当油位过高时，一旦出现负荷增加或者温度上升、油枕内压力增高，可能会出现胶囊被严重挤压而失去油位检测功能，压力过高时甚至当可能会使变压器压力释放阀动作而喷油。所以，保证变压器油枕油位在合理范围内，是电力运检部门确保变压器安全运行的重要工作。

油位指示装置是变压器的重要非电量保护装置之一，为油位报警的必要配置。目前，油位指示装置主要包括传统油位计和红外测温成像法。油浸式变压器上配置的传统油位计（管式油位计和指针式油位计）常常发生会因为其表计卡涩、浮球漏油、胶囊褶皱、胶囊破损等情况导致无法显示真实油位情况，油浸式变压器上配置的传统油位计在现场不停电的情况下缺少有效的计量校验手段，一旦油位计故障失效，将引起“假油位”现象。“假油位”现象会导致巡检人员错判油位，一方面会造成不必要的停电补放油检修，另一方面会延误油位异常缺陷的发现，严重危害变压器及电网的安全运行[2]。

红外测温成像法，其通过温度分布来确定储油柜油位的真实高度，该方法操作安全方便，但测量结果易受环境温度、气象条件和观察视角的影响，有些情况下无法进行准确判断。

1 油枕油位计缺陷统计

经过统计，某供电公司近5年来发生了13起油位显示异常缺陷，均为胶囊式油枕，其中有8起是油位计缺陷导致显示异常，3起是胶囊充气不足褶皱导致的油位不准确，2起是胶囊破损导致的油位不准确。统计发现，油位计缺陷又分为了油位计指针卡涩（5起）、油位计内磁铁破损（1起）、浮球漏油（2起）。

图1 某公司近五年油枕油位计统计

上述缺陷中，有10起是检修部门在放油补油时发现的；有3起是运行人员在不同季节巡视时发现油位不变而提出的。就目前而言，这种“假油位”现象时有发生，虽然各季节运维人员均会开展红外检测，但往往受制于环境因素，并不能发现油位的异常。而主变压器检修周期较长，尤其是对于个别地区由于设备体量大往往导致设备检修超期情况严重，变压器油位指标准确性存在失控风险，但是目前缺乏变压器真实油位检测及油位计校验的有效手段，使得设备运行风险较大。如何解决上述情况，也是设备运维管理部门面临的一个痛点问题。

2 总体设计

针对主变油位检测存在的问题，以常见的胶囊式油枕为基础，本文提出了一种新的基于油压油密的变压器油位检测方法并研制出了装置，如图2、图3所示，在变压器油枕底部的放油管处安装油压、油密检测装置，通过传感器精确测量所需信号后，由信号处理终端进行运算得出变压器真实油位，并通过内置无线模块实现信号传输，实现变压器真实油位测量、表计校验及在线监测功能。

图2 油位检测装置

图3 检测装置硬件结构图

2.1 检测原理

本文利用变压器结构特点，在放油管处安装压力及密度传感器，一方面通过精确测量压力P 及密度ρ 直接计算成等效的油注高度h1；另一方面，本装置安装了两个压力传感器，通过压力差来进一步间接计算液位高度hδ；将h1与hδ加权平均，利用变压器油位指纹数据库进而换算至油位计表盘刻度，实现油位的检测及表盘的校验。

2.2 直接测量

在变压器油注高度计算时，可用压强、密度直接计算：h1=p1/ρg，式中：ρ 为变压器油密度，由密度传感器精确测量；g 为重力加速度，取值9.8m/s2；h1为变压器油注高度；p1为变压器油压强，由压力传感器精确测量。

由于油温受负荷及环境温度的影响，进而会造成变压器油油密度的变化，且其密度变化规律与温度成正比：ρ=ρ20+γ(t-20)，式中：在温度为20℃时ρ20=879kg/m3，膨胀系数γ=-0.7(kg/m3)/℃。

本文密度传感器采用热敏元件构成，通过温度的精确测量进而得出精确的密度值，对于不同类型的液体，本文开发的装置中可以通过软件部分输入基准密度（20℃密度及膨胀系数），通用性较强。

2.3 间接测量

为进一步提升测量的可靠性，本装置还采用了双压差来进一步计算油位高度。

通过两个压力传感器（如图2所示），可以得到两个压力值：p1=ρ1gh1、p2=ρ2gh2、Δ h=h2-h1，式中：ρ1、ρ2受温度及油注高度的影响，在工程应用中可认为这两点温度及密度是一样的，即ρ1=ρ2，在一定程度上简化运算，其结果是可以接受的。

相应的有：h1=p1Δ h/(p1-p2)，式中：Δ h 为检测装置中两压力传感器距离，已确定；p1、p2由压力传感器测量得到。为区别于直接计算的结果，该处计算结果用h1'表征。

2.4 真实油位高度

直接测量中，密度测量的精度取决于两个因素，一是温度测量精度；二是温度与密度的换算精度，其中都存在一定的误差。间接测量中，将两个测量点的密度简化为相同值，也存在一定的误差。为进一步降低测量误差的影响，将上述两种结果进行加权平均，以提升测量可靠性。则有：h=(h1+h1')/2，式中：h 为计算所得油位高度；h1为直接测量油位高度；h1'为间接测量油位高度。

2.5 油位换算

胶囊式油枕一般由尼龙橡胶做成，如图4所示（图中1柜体，2胶囊，3放气管接口，4油位表，5注放油管接口，6瓦斯继电器接口，7排污口，8呼吸器），其内部通过呼吸器与外部空气相连，其体积随着油枕内变压器油体积的变化而变化。当胶囊体积发生变化时，油位计浮球将会上升或者下降，通过表盘内的传动部分带动油位计指针旋转而指示到相应的位置。

图4 胶囊式油枕结构图

假设胶囊膨胀到一定体积时（V）有一个等效的油位面（h），则对应一个确定的油位计表盘刻度（K），即会存在K=f(h)的对应关系，但是对于不同的变压器及油枕，对应关系并不确定。对此，本装置在研制时预留了基础信息输入模块，一方面可以由油枕厂家获取信息，输入K=f(h)对应关系；另一方面，可通过试验手段获取。下面介绍试验手段：

具备条件时，利用停电状态下的变压器进行补放油试验，利用本装置分别测量不同油位时的真实油位高度，同时读取对应的油位计表盘刻度。则可获取数据点（hi，Ki），其中i=1,2,3....，n。采用最小二乘法多项式曲线拟合来计算，则有：K=f(h)=a0+a1h+a2h2+...+anhn，式中ai由以下计算获取：

确定K=f(h)后，就作为了对应变压器的指纹数据库，存储在了装置中。本装置在使用时，通过构建的指纹数据库（K=f(h)）与测量获取的油面高度（h）对比，获取其真实的油位信息（K）。

图5 油面高度与油位处理逻辑图

2.6 传感器选择

考虑到装置的适用范围，以三绕组变压器SSF-240000/220为例，总体高度为7150mm、油枕直径1500mm；以双绕组变压器SFZ9-40000/110为例，总体高度为4550mm、油枕直径1000mm。则可由此确定相应的压力传感器检测范围（35.7kPa～61.6kPa）。取油面高度的检测精度为10mm，则相应的压力最小检测精度应为0.86kPa。相应的选择0～80kPa，精度±1%、输出24V 的压力传感器即可。

对于密度传感器，本项目采用温度转换计算得出密度数值，要求其温度检测范围为-10℃～110℃、精度为0.5℃。相应的，密度检测精度可达0.7(kg/m3)，对应到油面高度，最大误差为0.04%，即2mm的油面高度误差，满足要求。

3 试验结果

在设备检修期间，本文选取6台110kV 变压器进行了试验验证。将油枕油位计表盘指示记录为数据1，将装置检测到的油位高度记为数据2，通过补放油操作试验出多个数据点，利用装置自带系统形成变压器油位指纹曲线。进一步的再次进行补放油，用装置检测不同油位时的刻度信息与油枕表盘指针数据，验证其检测精度。

表1 本装置油位检测情况

经多次试验验证，本装置适用不同型号、不同温度、不同高度的油枕油位检测，且其操作简单、检测精度高，可实现变压器真实油位的检测，同时在存储了变压器指纹数据库后，可显示真实油位刻度及实现油位计检验功能。

综上，本文通过分析了变压器油枕油位计异常情况及对变压器运行的危害性，提出了一种基于油压油密的变压器真实油位检测装置。在变压器油枕放油管末端安装密度及压力传感器，通过密度及压力传感器直接计算出油注等效高度1，通过两个压力传感器间接计算出油注等效高度2，进而得出加权计算的油注高度，再将其用于预制的或者试验获取的变压器油位指纹数据库中，可进一步的得出相对应的变压器真实油位。

经过试验验证，该装置测量精度高，既可用于检测变压器真实油位也可用于变压器油位计校验，具有较高的使用价值。另外，本装置也可实现在线监测功能，可将装置长期安装在油枕放油管处，通过内置无线模块实现数据实时上传，对于设备精益管理及状态健康管理也具有重要的价值和意义。