变压器油位超声波监测系统及方法

包宇喆?陈嵩?刘栋

摘要：在传统变压器油枕油位测量装置的基础上进行改进，针对现有超声波液位检测方法存在安装时需对容器开孔，从而破坏容器结构和声波受挥发性介质影响的问题，采用微处理器与传感器相结合设计的一种非接触式超声波液位传感器，该新型装置具有油位报警，测量快速、精确等优点，通过采用微处理器和传感器相配合，将油枕油位数字化显示，使其更加方便快捷，直观明了。

关键词：变压器油位；传感器；非接触；超声波；数字化

一、前言

在电网安全运行中，变电站是关键的环节，其运行状态决定了整个电力系统正常稳定运行。变压器是变电站的关键设备，其变压器油的重要性不言而喻，它主要有绝缘、散热和消弧的作用[1]。如果油位严重不足，使变压器部分线圈铁芯与分接开关暴露在空气中，一旦受潮，绝缘性能下降，严重时甚至击穿绝缘，烧毁变压器，轻者也会使瓦斯保护动作，如果变压器长期处于低油位运行，呼吸空间增大，空气与变压器油的接触面增大，增加油氧化的速度，还会增加水分和其他灰尘杂质的含量，也是变压器的安全隐患[2]。如油位过高，呼吸空间变小，严重时会向外溢油，也是一种安全隐患[3]。

变压器油箱在任何温度和工况下都充满油，并防止变压器油量随油温而膨胀或减少，变压器应安装油枕起储油和补油的作用，减少变压器本体与空气的接触面，减缓油的变质速度[4]。

油枕侧面设有油位指示器，可监控油位变化。但目前的油位指示器读数方式对于运维人员在日常工作中，观察记录油位、判断是否补充变压器油及观察变压器油是否处于安全油位来说，十分不便。因此，需一种便于测量记录变压器油位的装置。

二、方案设计

（一）设计要求

为了方便运维人员，提高检查效率，使变压器油位检查更准确、更直观，需要设计一套可以用于变压器油枕快速测油位的装置，并且能够方便使用，结合智能化的要求，所设计的装置应当具有以下优点：

1.适用性高，可以实现为不同型号、不同地点、不同工作状态的变压器进行快速油位测量。

2.安全性好，在设计方便运维人员的同时，要保证人身安全。

3.方便易实现，为了在避免传统油位测量装置不易观察、不便使用的缺点，该设计应当具有快速、方便、易实现的优点。

综合以上几点，所设计的装置决定采用数字化微控制器及外加传感器实现所需要的功能。

（二）方法设计

设计采用微处理器，该装置的实现也分为硬件部分和软件部分。硬件实现包括微处理器、传感器选型、电路设计等；软件设计主要为程序，通过程序编写实现对传感器的调用，再通过运算处理得到所需信号。对此，设计了一款侦测变压器油枕油位的装置[5]。在容器外壁底部安装超声波传感器，如图1所示。超声波透过容器壁在被测液体、气体中传播时，在界面处反射，根据通过固液、气体两个界面的时间差和在被测液体中的传播速度，可以计算出被测液体的高度。

其中θ1、θ2为入射、折射角；R1、R2特性阻抗。

若θ1＝θ2＝0，据（2）（3）公式假如穿过n介质，得传输矩阵公式：

（4）中P1t、P1r为入射、反射声压，R、ρi、di 、Pnt分别是声速、密度、厚度、幅值。

通过（5）（6）得出回传信号频率，其Ａ11、Ａ*11分别代表传输矩阵1行1列及声波反射到矩阵的 1行 1列。

三、方案实现

（一）硬件实现

超声波液位传感器整体设计框图，如图2所示。

传感器以单片机模块为核心，装置组成由超声波传感器、发射、接收电路、显示模块、报警模块构成。超声传感器用来发射和接收超声波，超声波发射电路用来产生高频脉冲驱动超声传感器，接收电路将接收反馈信号送入处理器等处理，电源电路则是为装置供电。

（二）处理器的选择

本次处理器的选择为单片机MSP430F413，其芯片特点：工作电压低、电流小、有5种低功耗模式、16位RISC架构、27条精简指令、125ns指令周期。

具备定时器、通电自动复位、XTAL或DCO可选时钟源、比较器、双向I/O口、片内集成4×24段LCD液晶驱动器、定时器、支持以硬件方式实现串行UART通信，如图3所示。

（三）发射电路的功能实现及原理：

发射电路的主要作用是激发超声波传感器发射出超声波，其主要工作原理是先降低发射变压器初级电压VDD，再减小发射电路功耗。通过采用单片机的I/O端口连接来驱动场效应管Q1，从而由场效应管去驱动变压器完成超声波的发射，工作时单片机I/O端口输出超声波脉冲串至Q1的栅极，然后由Q1直接驱动变压器T1，完成超声波脉冲串的发射（见图4）。

（四）信号接收电路的设计实现

接收电路的主要作用就是将回波信号进行放大并送入处理器处理[9]。其主要结构为三级放大电路，探头2的回波信号首先通过限流电阻Rs，经电容C1隔直后，进入一次放大电路进行放大；经三极管T2进行二次放大；然后再经三极管T3进行三次放大；由T3的集电极输出至单片机的A/D端口完成回波信号的采集和处理（见图5）。

（五）显示电路的设计实现

显示模块主要用于显示数据值、工作模式代码等，其工作原理是通过LCD屏与单片机的I/0端口进行连接，通过片内LCD驱动器完成驱动LCD工作，从而实现数据显示的功能（见图6）。

（六）报警电路的实现

报警部分的设计选择的是小型继电器通过输入电流就可以控制继电器的通断，但是单片机管脚的驱动能力有限，因此一般通过三极管加到继电器的输入端，一方面解决了单片机管脚驱动能力不足的问题，另一方面可以起到一定的隔离作用。继电器的COM口接到单片机的VCC，继电器的VCC和GND对应接到单片机的VCC和GND继电器的IN口接到单片机的端口（见图7）。

（七）软件实现

软件实现主要在于编写相关程序，根据装置应具备的功能，分别对单片机和一些外围器件进行初始化和重新赋值一些变量，程序主要完成系统、各个模块的初始化和控制电路运作等功能，最终实现设计功能（见图8）。

四、结语

以上讲述了带油位报警功能的变压器油枕油位超声波监测系统及方法，设计的装置可以实现对变压器油枕油位的精确测量，满足数字化快速读数的要求，但是还有以下几点可以提升的地方。首先，已知目前所使用的各个变电站变压器体积均较大，内部所装变压器油体积也较大，使得变压器油上下部分密度存在一定的变化，会造成一定的测量误差；其次，虽然所设计的装置选择了单片机作为核心处理装置，可以快速测量，但是在对于无线模块的选择上可能存在一定的局限性，对于远端记录来说，还需要工作人员在计算机端手动输入。该装置的设计可以为变压器运维提供直接的数字依据，为未来变电站的智能化发展做出一定的贡献。

参考文献

[1]王超，唐铭泽，李东泽，等.电力变压器油楔放电故障预警技术研究[J].通化师范学院学报，2022，43（10）： 63-66.

[2]杨定乾，李龙飞，刘清松，等.不同受潮类型油纸绝缘套管的高压时/频域介电响应特性分析[J].电工电能新技术，2022，41（10）： 54-64.

[3]仲维灿，裴煜，穆宝，等.某核电厂油浸式变压器储油柜油位监测装置改造及分析[J]. 仪器仪表用户，2022，29（5）： 52-56.

[4]赵长超.无线 FMCW 雷达液位计的设计[D].南京：南京信息工程大学，2013．

[5]蒲杰，李平，吴文焘.一种简单高精度超声液位计系统的设计与实现[J].应用声学， 2010（6） ：6.

[6]张根宝，李秀平，庞苏娟.基于ARM Cortex- M3便携式智能超声波液位计[J].仪表技术与传感器，2012（1） ：3.