基于双点差压式变压器智能油位异常监测装置

基于双点差压式变压器智能油位异常监测装置

1梁迪团 ,1刘劲松 ,1薛庆会 ,1刘毅飞 ,2杨振中

1中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局

2南京九维测控科技有限公司

摘要：本文简要介绍了变压器储油柜上的双点差压式变压器智能油位异常监测装置的原理及其实现方式，包括装置的内部结构设计和研制，与后台监控系统结合实现在线监测诊断和自动预警等功能。并结合工程实际情况，给出了装置的应用效果和优点。

关键词：储油柜；油位计；双点差压式；在线监测

0 引言

变压器油是变压器的一个重要组成部分，承担绝缘和冷却的重要作用，是保障电力变压器油箱内部绝缘的关键材料。变压器油箱中的油量是否充足及油位的高低极大的影响变压器的安全运行。变压器油位指示装置是变压器的重要非电量保护装置之一，传统指针式油位计是变压器油位报警的必需配置。据不完全统计，在网运行变压器假油位故障时有发生，造成运维人员对变压器油位误判，重复检修，形成错误补油策略，造成资源浪费；另一方面，变压器油位过低引起的变压器运行事故也时有发生，如排油系统故障引起的变压器油渗漏，阀门故障引起的回油故障等，变压器油位过低易引起瓦斯保护误动，甚至造成释放阀动作。

为了更好的维护变压器的正常运行，降低变压器运行事故的发生，本文提出一种双点差压式变压器智能油位异常监测装置，与传统油位计和常规压力式油位计的原理不同，该装置采用基于双点差压原理采集变压器油位并与相关油温曲线进行计算比对，实现变压器油位的实时监测和精准测量，从而实现对变压器油位异常的诊断和预警。

1 传统指针式油位计和常规压力式油位计存在的问题

在电力系统中，35kV以上油浸式变压器通常采用全密封设计，并配备带胶囊袋的储油柜和油位计。变压器常用油位计分为传统指针式油位计和常规压力式油位计。随着变压器运行年数增加，这两种油位计都会随着机械传动、变压器渗漏、密闭性减弱等因素造成油位计指示偏差。经过以上的总结分析，这两种油位计主要存在着以下的问题：

（1）传统指针式油位计是模拟式仪表，误差较大，响应速度慢，无法对变压器内部瞬态故障导致的油位快速变化和异常抖动进行监测；

（2）传统指针式油位计采用浮球和连杆原理，容易产生假油位，从而误报警或漏报警；

（3）传统指针式油位计只能由人来观察表计读数，再人为将油位和温度曲线进行比较，无法实现自动比对和实时诊断；

（4）传统指针式油位计数字化远传难度较大，只能通过4～20mA信号变送，难保证精度；

（5）常规压力式油位计则存在精度受油温影响较大，而通过温度补偿法则又会引入温度测量精度的影响，亦不能很好解决油位测量精度问题，而且不支持监测装置自检功能。

2 基于双点差压式变压器智能油位异常监测装置的设计

2.1 检测原理

压力传感器广泛应用在液体高度测量上，通过对液体压力值的测量和换算可得出液体高度。在变压器储油柜中，储油柜底部通常会连接一条放油管进行放油操作。本文通过在放油管末端安装双点差压式变压器智能油位异常监测装置，通过二点压力差分算法计算得出储油柜油位高度。

2.2 设计原理

双点差压式变压器智能油位异常监测装置安装在变压器油枕的排油管末端。变压器油枕内的油位高度可以通过装置内的双点压力传感器进行测量和计算得出，其中上部点位为P1，下部点位为P2，如图1所示。

图 1装置设计原理

上下两个监测点压力值的计算原理如下：

P1=ρ1gh1；其中h1是当前油位距P1测量点的高度，ρ1是该测量点处的油密度；

P2=ρ2gh2；其中h2是当前油位据P2测量点的高度，ρ2是该测量点处的油密度；

对于同一时刻变压器内部两点的油密度可以认为是一致的，所以ρ1=ρ2；

从而可以得到P1测量点和P2测量点之间的距离如下：

h3=h2-h1=（P2-P1）/ρg；

如果h3为确定值，则可以得到ρg值如下：

ρg=（P2-P1）/h3

再根据P1测量点的压力值可以反算当前油位h1如下：

h1=P1h3/（P2-P1）

通过双点差压原理测量油位的优点是可以不受变压器不同油品不同密度ρ值的影响。

另外变压器油在不同温度下的体积会发生变化，因此在变压器正常运行时，变压器油箱没有变化的情况下，变压器油位也会随油温变化发生变化，这是正常的油位变化，通常变压器油枕厂家在产品出厂时会根据变压器油的热膨胀系数以及油枕的体积给出一个油位计的油位温度曲线图，根据油位曲线图，不同温度可以得到其正常的油位值。而装置可以通过实时监测到的油位和温度值对应曲线进行比对，当油位绝对值偏差大于30%或者温度未变的情况下油位持续下降15%时即可预警。

同时当P1和P2点的压力值偏差超过量程的50%，即可判断压力传感器故障，从而退出测量并报装置自检故障。当P1和P2点的压力值同步增大到压力释放阀的开启压力或减小到极限负压的时候可以进行变压器内部压力异常报警。

2.3 装置的内部结构设计

双点差压式变压器智能油位异常监测装置采用高性能的通用型硬件，实时采集和边缘计算，发现油位异常，实现在线预警。装置主要由高精度的压力传感器、温度传感器、数据采集处理模块、主油管，以及外壳、上下部法兰、观察窗、出现防水接头等部分构成，装置的内部结构设计如图2所示。

1-上部法兰；2-上部点位压力传感器；3-主油管；4-温度传感器；5-数据采集处理模块；

6-下部点位压力传感器；7-观察窗；8-装置外壳；9-出线防水接头；10-下部法兰；

图 2装置内部结构设计

3 装置的应用实效

3.1 应用方案

根据在网运行的现场变压器实际情况，将双点差压式变压器智能油位异常监测装置（如图3）安装在变压器排油口或储油柜下方等位置（如图4），通常采用DN25法兰安装。电源及通信电缆则通过桥架接到变压器端子箱，再通过有线或者无线方式通信远传至后台监控系统。后台监控系统可以结合实时监测的环境温度、冷却装置情况、负荷情况、顶层油面温度，形成不同状态下的油温油位曲线，通过与标准曲线对比可诊断变压器异常状态；甚至可以通过压力的细微变化测量协助判断变压器短时绕组温升及电磁力引起结构变形时的压力变化，用于实现短时过流或受负荷冲击的状态监控；实现油位及温度状态在线监测诊断和自动预警，从而防患变压器油位异常和事故。

3.2 应用案例与分析

由上图6中可知，油枕内的油位高度在20-40cm内上下规律性波动，每天中午气温最高时油位最高，夜间温度最低时油位最低。现场机械式油位计显示3-4格（请见图5）约为30-40cm与智能油位计相符。运行过程中在2021年11月30日22：46分、2021年12月02日8：36分前后压力出现过大幅度变化。结合压力传感器数据得知此时间变压器压力出现1-4kpa的内部气压，压力产生的原因为变压器内部涌动，呼吸器无法及时排气造成。压力产生1分钟后自行通过呼吸器排出，未对变压器运行造成影响。整体运行符合高温高位，低温低位的规律。

3.3 应用效果和优点

经过实际的在网监测和运行，双点差压式变压器智能油位异常监测装置可对油浸式变压器的储油柜油位进行数字化实时监测，对变压器油位异常，假油位，或呼吸器堵塞故障进行识别。装置具有如下的应用效果和优点：

（1）可以实时准确测量变压器油位，精度可达到±1cm，误差较小；

（2）装置支持自检功能，可以避免假油位，同时可以监测变压器内部压力异常；

（3）可以同时测量变压器油温，精度达到±1.5℃，从而实现油位温度曲线的计算和比对，避免误报警；同时可以监测到变压器油路的油流冲击以及其他结构变形导致的微小油位异常；

（4）支持有线和无线通信和数据远传，支持云平台和移动端数据发布，方便用户记录数据；

（5）一体化设计，结构紧凑，安装简单，维护方便，密封可靠，防护等级达到IP65。

4 结论

本文通过分析变压器储油柜油位计测量出现的“假油位”、污染绝缘油等问题，提出了一种基于双点差压式变压器智能油位异常监测装置。该装置通过高精度的上下压力传感器、温度传感器、数据采集处理模块，运用二点压力差分算法可消除由于变压器油的密度不同而导致的单点压力测量反算油位的误差，以及温度变化导致的油位变化被当作异常进行报警，实现了油位的精准测量；同时装置与后台监控系统进行结合，能够实现变压器异常状态诊断、短时过流或受负荷冲击的状态监控、以及油位及温度状态在线监测诊断和自动预警等智能化应用，能够有效的防患变压器油位异常和事故。经检验检测，该装置测量精准，具有很好的实用价值和推广价值。

参考文献：

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[2] 黄志杰、李育水、沈谢林、黄达，基于压强检测原理的变压器智能油位在线监测装置[J]. 电工技术，2017，9（A）：12-14

[3] 熊长生，浅谈压力式油位计在大型油浸变压器上的应用异常及改进[J]. 变压器，2018，55（1）：64-66

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