儲(chǔ)油柜油位是電力變壓器的重要運(yùn)行參數(shù)之一，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油位異常并采取相應(yīng)措施對(duì)于確保電力變壓器安全運(yùn)行具有重要意義。當(dāng)油位過高時(shí)，可能造成變壓器內(nèi)部油壓增大，同時(shí)還會(huì)造成溢油；當(dāng)油位過低、遇到變壓器低負(fù)荷運(yùn)行或氣溫驟降時(shí)，可能造成本體油箱內(nèi)少油，引起絕緣故障；當(dāng)油面低于變壓器大蓋以下時(shí)，會(huì)使繞組和鐵心暴露在空氣中，有造成內(nèi)部閃絡(luò)的危險(xiǎn)，同時(shí)還會(huì)使油與空氣接觸面增大，使絕緣油的絕緣性能迅速下降。

國(guó)網(wǎng)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(jīng)全部實(shí)現(xiàn)無人值守。在這些變電站中，油浸式變壓器約占變壓器總數(shù)的98%。隨著變電站自動(dòng)化和智能化的快速發(fā)展，遠(yuǎn)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(hào)可在遠(yuǎn)程后臺(tái)實(shí)時(shí)獲取，但儲(chǔ)油柜油位這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)還未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，只能通過運(yùn)維人員巡視中從現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)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(dāng)變壓器由于氣溫驟降、出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏油等原因造成油位快速下降時(shí)，運(yùn)維人員無法及時(shí)獲知；②當(dāng)變壓器存在滲漏油而又無法及時(shí)停運(yùn)處理時(shí)，需運(yùn)維人員進(jìn)行高頻率特巡跟蹤觀察油位變化，工作量大；③由于油位計(jì)較高、戶內(nèi)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(shí)時(shí)了解變壓器儲(chǔ)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(shè)計(jì)研發(fā)了油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遙測(cè)和遙信告警。

1 系統(tǒng)整體方案

采用集中式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將傳感器端裝設(shè)在油標(biāo)管處，控制器裝設(shè)于控制室內(nèi)，輸出相關(guān)測(cè)量值和信號(hào)至站端中心管理單元。

系統(tǒng)整體方案如圖1所示。每臺(tái)變壓器儲(chǔ)油柜處均裝設(shè)一個(gè)油位傳感器，輸出4～20mA電流信號(hào)，指示其油標(biāo)管內(nèi)的油位數(shù)據(jù)。油位數(shù)據(jù)傳輸至在線監(jiān)測(cè)告警裝置后，每一路的電流信號(hào)將分為兩路，一路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，供單片機(jī)（microcontroller unit, MCU）讀取，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的油位值；另一路以同等大小的電流值輸出，后續(xù)可轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)供監(jiān)控后臺(tái)使用。

MCU將獲取到的油位值與設(shè)定的告警值進(jìn)行比較，滿足告警要求（如過高、過低、下降快）時(shí)，在液晶屏上輸出告警狀態(tài)，并導(dǎo)通對(duì)應(yīng)的繼電器，輸出至監(jiān)控后臺(tái)。監(jiān)控后臺(tái)將測(cè)量信號(hào)、告警信號(hào)采集處理，并遠(yuǎn)傳至調(diào)控端，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)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(xiàn)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(shí)現(xiàn)

2.1 油位傳感

對(duì)市南供電公司管轄變壓器的儲(chǔ)油柜及油位指示類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，“膠囊式儲(chǔ)油柜+玻璃油標(biāo)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(biāo)管基于連通器原理，其中的油來自于獨(dú)立油袋，具有顯示準(zhǔn)確、觀察方便的特點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的油位傳感器直接測(cè)量油標(biāo)管內(nèi)油液高度，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①便于安裝調(diào)試（可不停電安裝），不會(huì)對(duì)儲(chǔ)油柜原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造和破壞；②不會(huì)造成變壓器內(nèi)油質(zhì)因接觸空氣而下降；③方便維護(hù)。

圖2 儲(chǔ)油柜及油位指示示意圖

油位傳感器基于磁性開關(guān)電路原理，如圖3所示。磁性電路被安裝在金屬直桿內(nèi)部。套在金屬直桿上的浮子隨油液上下浮動(dòng)，浮子內(nèi)的永磁體會(huì)導(dǎo)通對(duì)應(yīng)位置的磁簧開關(guān)，使內(nèi)部電路呈現(xiàn)為對(duì)應(yīng)的阻性單元。磁簧開關(guān)的軸向密度決定了油位測(cè)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)80cm油標(biāo)管，這意味著油位傳感器的理論測(cè)量精度可達(dá)到98.75%。

圖3 油位傳感器基于磁性開關(guān)電路原理圖

在完成磁性開關(guān)電路設(shè)計(jì)后，封裝入不銹鋼管內(nèi)，通過螺紋結(jié)構(gòu)使不銹鋼桿頂部與油標(biāo)管端口實(shí)現(xiàn)連接固定。

2.2 信號(hào)傳輸

將傳感器裝設(shè)于變壓器儲(chǔ)油柜處，而將控制裝置安裝在變電站控制室內(nèi)，布線距離超過100m。因此，將液位傳感器的變送電路設(shè)計(jì)為兩線制，傳輸標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流，可以避免信號(hào)衰減。兩線制變送電路的信號(hào)電流同時(shí)用于供能。電路包含了調(diào)理電路和V/I變換電路部分。

調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出；V/I變換電路根據(jù)信號(hào)調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流，同時(shí)從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)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(cè)控制裝置

3.1 硬件設(shè)計(jì)

1）傳感器電流輸入與輸出設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)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(guān)系。由于硬件裝置需要采集該電流數(shù)據(jù)并具備將電流信號(hào)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(hào)分為2路輸出。

2）告警節(jié)點(diǎn)輸出設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)傳感器輸入的電流數(shù)據(jù)經(jīng)MCU進(jìn)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(jìn)行輸出。為了增加告警信號(hào)的傳輸距離，使用繼電器將各路告警信號(hào)進(jìn)行輸出。

每臺(tái)變壓器油標(biāo)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(hào)。因此，3臺(tái)變壓器共有12路告警信號(hào)。基于此，本文選用了12路繼電器告警模塊，將I/O口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為繼電器的開斷狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3）核心電路設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件的實(shí)際需求，選擇XS128作為MCU主控芯片，對(duì)電流信號(hào)實(shí)施采集，并輸出相關(guān)告警狀態(tài)，充分利用其引腳及相關(guān)硬件資源，同時(shí)考慮后續(xù)的功能擴(kuò)展，最終設(shè)計(jì)了核心處理電路板。

該電路板包含MCU、16路A/D轉(zhuǎn)換、4路設(shè)置按鈕、1個(gè)128×64液晶接口、數(shù)碼管、穩(wěn)壓模塊等，實(shí)現(xiàn)油位在線監(jiān)測(cè)裝置的所有數(shù)據(jù)處理工作。主電路板下方添加了5個(gè)按鍵，所實(shí)現(xiàn)的功能分別為：①KA1：復(fù)位；②KEY1：頁面切換；③KEY2：光標(biāo)切換；④KEY3：加；⑤KEY4：減。

4）整體電路設(shè)計(jì)

在完成核心電路板設(shè)計(jì)后，其余各個(gè)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(shè)計(jì)

MCU的電壓讀取值為12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即0X000000000000～0X111111111111，折換成十進(jìn)制為0～4095，它所對(duì)應(yīng)的電流值為4～20mA，相應(yīng)的油位數(shù)據(jù)為0～量程。因此，假設(shè)傳感器量程為H厘米，MCU讀取到電壓數(shù)據(jù)為X，則可以得到電壓讀取值與油位Y之間的關(guān)系（公式略）。

1）濾波算法實(shí)現(xiàn)

油位處理主要通過MCU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，為了避免由于傳感器的抖動(dòng)帶來的測(cè)量誤差，程序中加入了濾波處理。本文的濾波算法為改進(jìn)型中值濾波算法，對(duì)于某路電壓數(shù)據(jù)而言，首先將得到的電壓數(shù)據(jù)存入長(zhǎng)度為6個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)組中，通過排序算法，得到最大值與最小值，將6個(gè)數(shù)據(jù)的總和減去該最大值與最小值，再取4個(gè)數(shù)據(jù)的平均，最終得到的數(shù)據(jù)即認(rèn)為是穩(wěn)定的油位數(shù)據(jù)。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(dòng)變化，實(shí)際使用證明穩(wěn)定可靠。

2）下降過快算法實(shí)現(xiàn)

下降過快主要是通過計(jì)算當(dāng)前油位數(shù)據(jù)與最近1h內(nèi)的最高油位數(shù)據(jù)比較得到的，當(dāng)這個(gè)差值超過設(shè)定的告警閾值時(shí)，輸出告警。其中，在選取歷史1h最高油位數(shù)據(jù)時(shí)，并非選取1個(gè)時(shí)間點(diǎn)，而是間隔選取第1、3、5、7高的4個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)，這些電壓數(shù)據(jù)雖然已經(jīng)經(jīng)過濾波處理，但并不能消除如較大的晃動(dòng)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(yīng)用

將變壓器儲(chǔ)油柜油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于國(guó)網(wǎng)上海市南供電公司的某35kV變電站。變壓器現(xiàn)有的油標(biāo)管頂部具有螺紋接口，該螺紋為1in螺紋，內(nèi)徑約24mm。浮子式傳感器安裝螺紋同樣為1in螺紋，油標(biāo)管與傳感器的連接，可通過一個(gè)1in螺紋轉(zhuǎn)接口實(shí)現(xiàn)。

此外，由于傳感器浮子外徑為22mm，所以不需要拆卸現(xiàn)有的油標(biāo)管就可將傳感器直接從頂部插入油標(biāo)管內(nèi)。變壓器室安裝效果如圖6所示?？刂剖覂?nèi)控制箱安裝效果如圖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(jié)論

本文設(shè)計(jì)了可安裝在膠囊式儲(chǔ)油柜油標(biāo)管上的基于磁性變阻式液位傳感器的油位檢測(cè)方案，利用MCU實(shí)現(xiàn)了變壓器膠囊式儲(chǔ)油柜油位在線監(jiān)測(cè)，對(duì)油位的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，并利用繼電器模塊輸出相關(guān)告警信號(hào)。此外，油位在線監(jiān)測(cè)裝置還將油位數(shù)據(jù)信息，以4～20mA電流信號(hào)輸出至廠站端監(jiān)控主機(jī)，顯示對(duì)應(yīng)的油位數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)遙測(cè)。

通過變壓器儲(chǔ)油柜油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，調(diào)控及運(yùn)維人員可在后臺(tái)實(shí)時(shí)獲取主變壓器的油位數(shù)值，提高了變壓器設(shè)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(shí)發(fā)出告警信號(hào)，便于調(diào)控及運(yùn)維人員及時(shí)做出響應(yīng)并采取措施，降低故障發(fā)生的概率，保障設(shè)備和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高供電可靠性。