儲油柜油位是電力變壓器的重要運行參數之一，及時發(fā)現油位異常并采取相應措施對于確保電力變壓器安全運行具有重要意義。當油位過高時，可能造成變壓器內部油壓增大，同時還會造成溢油；當油位過低、遇到變壓器低負荷運行或氣溫驟降時，可能造成本體油箱內少油，引起絕緣故障；當油面低于變壓器大蓋以下時，會使繞組和鐵心暴露在空氣中，有造成內部閃絡的危險，同時還會使油與空氣接觸面增大，使絕緣油的絕緣性能迅速下降。

國網上海市南供電公司所管轄的133座35kV變電站和110kV變電站已經全部實現無人值守。在這些變電站中，油浸式變壓器約占變壓器總數的98%。隨著變電站自動化和智能化的快速發(fā)展，遠程遙信功能日益完善，35kV變壓器的各種電量（電壓、電流、頻率、功率）、非電量（溫度）信號可在遠程后臺實時獲取，但儲油柜油位這一關鍵數據還未實現在線監(jiān)測，只能通過運維人員巡視中從現場目測觀察獲取。

這種主變壓器油位的獲取方法存在以下問題：①當變壓器由于氣溫驟降、出現嚴重滲漏油等原因造成油位快速下降時，運維人員無法及時獲知；②當變壓器存在滲漏油而又無法及時停運處理時，需運維人員進行高頻率特巡跟蹤觀察油位變化，工作量大；③由于油位計較高、戶內變壓器光線暗，通過肉眼觀察記錄油位往往存在一定偏差。

為了實時了解變壓器儲油柜油位的變化情況，減少巡檢人員工作量和巡視成本，本文設計研發(fā)了油位在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現了數據遙測和遙信告警。

1 系統(tǒng)整體方案

采用集中式在線監(jiān)測系統(tǒng)，將傳感器端裝設在油標管處，控制器裝設于控制室內，輸出相關測量值和信號至站端中心管理單元。

系統(tǒng)整體方案如圖1所示。每臺變壓器儲油柜處均裝設一個油位傳感器，輸出4～20mA電流信號，指示其油標管內的油位數據。油位數據傳輸至在線監(jiān)測告警裝置后，每一路的電流信號將分為兩路，一路轉換為電壓信號，供單片機（microcontroller unit, MCU）讀取，轉換為實際的油位值；另一路以同等大小的電流值輸出，后續(xù)可轉化為電壓信號供監(jiān)控后臺使用。

MCU將獲取到的油位值與設定的告警值進行比較，滿足告警要求（如過高、過低、下降快）時，在液晶屏上輸出告警狀態(tài)，并導通對應的繼電器，輸出至監(jiān)控后臺。監(jiān)控后臺將測量信號、告警信號采集處理，并遠傳至調控端，實現遙測和遙信功能。此外，告警裝置還能判斷油位傳感器的工作狀態(tài)，若出現異常，則同樣發(fā)出告警。

圖1 系統(tǒng)整體方案

2 傳感器的實現

2.1 油位傳感

對市南供電公司管轄變壓器的儲油柜及油位指示類型進行統(tǒng)計后發(fā)現，“膠囊式儲油柜+玻璃油標管”的類型最為常見，占到全部變壓器的84.13%。其示意圖如圖2所示。玻璃油標管基于連通器原理，其中的油來自于獨立油袋，具有顯示準確、觀察方便的特點。

本文設計的油位傳感器直接測量油標管內油液高度，具有以下優(yōu)點：①便于安裝調試（可不停電安裝），不會對儲油柜原有結構進行改造和破壞；②不會造成變壓器內油質因接觸空氣而下降；③方便維護。

圖2 儲油柜及油位指示示意圖

油位傳感器基于磁性開關電路原理，如圖3所示。磁性電路被安裝在金屬直桿內部。套在金屬直桿上的浮子隨油液上下浮動，浮子內的永磁體會導通對應位置的磁簧開關，使內部電路呈現為對應的阻性單元。磁簧開關的軸向密度決定了油位測量的精確度。

本文采用UM2325型干簧管，每單元連接電阻后的排列間隔為1cm。對于標準80cm油標管，這意味著油位傳感器的理論測量精度可達到98.75%。

圖3 油位傳感器基于磁性開關電路原理圖

在完成磁性開關電路設計后，封裝入不銹鋼管內，通過螺紋結構使不銹鋼桿頂部與油標管端口實現連接固定。

2.2 信號傳輸

將傳感器裝設于變壓器儲油柜處，而將控制裝置安裝在變電站控制室內，布線距離超過100m。因此，將液位傳感器的變送電路設計為兩線制，傳輸標準的4～20mA電流，可以避免信號衰減。兩線制變送電路的信號電流同時用于供能。電路包含了調理電路和V/I變換電路部分。

調理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進行放大、調理、轉化為線性的電壓輸出；V/I變換電路根據信號調理電路的輸出控制總體耗電電流，同時從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調理電路和傳感器使用。變送電路如圖4所示，圖中Rs為采樣電阻。

圖4 變送電路圖

3 監(jiān)測控制裝置

3.1 硬件設計

1）傳感器電流輸入與輸出設計

本文設計的油位傳感器是二線制接線，回路中的電流在4～20mA之間變化，4mA表明液位為0，20mA表明液位為最大值，其間的電流與液位呈線性變化關系。由于硬件裝置需要采集該電流數據并具備將電流信號輸出的能力，因此，本文選擇了一種電流分配變送器，能將1路電流信號分為2路輸出。

2）告警節(jié)點輸出設計

在線監(jiān)測裝置對傳感器輸入的電流數據經MCU進行在線分析處理，并得到異常的告警狀態(tài)，將各路告警狀態(tài)在MCU的I/O口上進行輸出。為了增加告警信號的傳輸距離，使用繼電器將各路告警信號進行輸出。

每臺變壓器油標管的油位均包含油位過高、油位過低和下降快3路告警，加上傳感器本身的異常告警，共有4路告警信號。因此，3臺變壓器共有12路告警信號?；诖耍疚倪x用了12路繼電器告警模塊，將I/O口數據轉換為繼電器的開斷狀態(tài)數據。

3）核心電路設計

根據硬件的實際需求，選擇XS128作為MCU主控芯片，對電流信號實施采集，并輸出相關告警狀態(tài)，充分利用其引腳及相關硬件資源，同時考慮后續(xù)的功能擴展，最終設計了核心處理電路板。

該電路板包含MCU、16路A/D轉換、4路設置按鈕、1個128×64液晶接口、數碼管、穩(wěn)壓模塊等，實現油位在線監(jiān)測裝置的所有數據處理工作。主電路板下方添加了5個按鍵，所實現的功能分別為：①KA1：復位；②KEY1：頁面切換；③KEY2：光標切換；④KEY3：加；⑤KEY4：減。

4）整體電路設計

在完成核心電路板設計后，其余各個模塊與核心電路板通過電纜相連接，連接示意圖如圖5所示。

圖5 整體電路示意圖

3.2 軟件設計

MCU的電壓讀取值為12位二進制數據，即0X000000000000～0X111111111111，折換成十進制為0～4095，它所對應的電流值為4～20mA，相應的油位數據為0～量程。因此，假設傳感器量程為H厘米，MCU讀取到電壓數據為X，則可以得到電壓讀取值與油位Y之間的關系（公式略）。

1）濾波算法實現

油位處理主要通過MCU內部的A/D轉換模塊實現，為了避免由于傳感器的抖動帶來的測量誤差，程序中加入了濾波處理。本文的濾波算法為改進型中值濾波算法，對于某路電壓數據而言，首先將得到的電壓數據存入長度為6個數據的數組中，通過排序算法，得到最大值與最小值，將6個數據的總和減去該最大值與最小值，再取4個數據的平均，最終得到的數據即認為是穩(wěn)定的油位數據。這種濾波算法有效剔除了傳感器自身的毛刺影響及油位的微小波動變化，實際使用證明穩(wěn)定可靠。

2）下降過快算法實現

下降過快主要是通過計算當前油位數據與最近1h內的最高油位數據比較得到的，當這個差值超過設定的告警閾值時，輸出告警。其中，在選取歷史1h最高油位數據時，并非選取1個時間點，而是間隔選取第1、3、5、7高的4個時間點數據，這些電壓數據雖然已經經過濾波處理，但并不能消除如較大的晃動等因素帶來的影響，因此采用本算法，可以有效選取歷史1h的油位最高水平，盡可能降低來自外界的干擾。

4 工程應用

將變壓器儲油柜油位在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝于國網上海市南供電公司的某35kV變電站。變壓器現有的油標管頂部具有螺紋接口，該螺紋為1in螺紋，內徑約24mm。浮子式傳感器安裝螺紋同樣為1in螺紋，油標管與傳感器的連接，可通過一個1in螺紋轉接口實現。

此外，由于傳感器浮子外徑為22mm，所以不需要拆卸現有的油標管就可將傳感器直接從頂部插入油標管內。變壓器室安裝效果如圖6所示?？刂剖覂瓤刂葡浒惭b效果如圖7所示。監(jiān)控界面如圖8所示。

圖6 變壓器室安裝效果

圖7 控制箱安裝效果

圖8 監(jiān)控界面

結論

本文設計了可安裝在膠囊式儲油柜油標管上的基于磁性變阻式液位傳感器的油位檢測方案，利用MCU實現了變壓器膠囊式儲油柜油位在線監(jiān)測，對油位的狀態(tài)進行實時判斷，并利用繼電器模塊輸出相關告警信號。此外，油位在線監(jiān)測裝置還將油位數據信息，以4～20mA電流信號輸出至廠站端監(jiān)控主機，顯示對應的油位數據，并實現遙測。

通過變壓器儲油柜油位在線監(jiān)測系統(tǒng)，調控及運維人員可在后臺實時獲取主變壓器的油位數值，提高了變壓器設備狀況獲取的全面性和可靠性，減輕了人員工作量；一旦油位越限或快速變化，系統(tǒng)就可及時發(fā)出告警信號，便于調控及運維人員及時做出響應并采取措施，降低故障發(fā)生的概率，保障設備和電網的安全穩(wěn)定運行，提高供電可靠性。